水庫標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)及超標(biāo)準(zhǔn)洪水下泄下游淹沒分析

鄧 歡，周 迎，高 波

（山東省水利勘測設(shè)計院,山東 濟(jì)南 250013）

水庫作為重要的水利工程,在興利除害、防汛減災(zāi)中發(fā)揮重要作用。水庫按照不同標(biāo)準(zhǔn)洪水進(jìn)行泄洪時,下游可能會出現(xiàn)潰堤或漫堤等險情,造成區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)洪水淹沒。為科學(xué)的指導(dǎo)防汛搶險及下游群眾避險轉(zhuǎn)移,為水庫防汛調(diào)度提供決策依據(jù),采用科學(xué)的分析方法對水庫下游的可能淹沒范圍進(jìn)行洪水淹沒分析是有必要的[1]。本次以山東省日照市莒縣青峰嶺水庫為例,采用MIKE軟件構(gòu)建了水庫下游三維數(shù)學(xué)模型,對水庫下游淹沒情況進(jìn)行分析。

1 工程概況

青峰嶺水庫位于日照市莒縣縣城西北30 km處,主壩位于洛河、棋山二鎮(zhèn)交界處的東盧家岔河村。水庫于1960 年建成,是一座防洪、灌溉為主,發(fā)電、供水等結(jié)合的大（二）型水庫[2]。

青峰嶺水庫下游為沭河干流,沭河保護(hù)人口54.5 萬人,保護(hù)耕地48.4 萬畝。沂沭泗河洪水東調(diào)南下續(xù)建工程實施完成后,沭河的潯河口～湯河口河段防洪標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到20 年一遇,湯河口以下至新沂河河段防洪標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)到50 年一遇。沭河中下游防洪保護(hù)區(qū)防洪條件得到較大改善。但沭河上游（潯河口以上段）未進(jìn)行過系統(tǒng)治理,目前堤防斷面不足,險工險段較多,防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低[3]。

2 基礎(chǔ)資料

2.1 地形資料

分析范圍（見圖2）內(nèi)的1∶10000 地形數(shù)據(jù)、沭河條帶圖等資料。

2.2 水文成果

青峰嶺水庫100 年一遇,5000 年一遇泄洪過程線,見圖1。

圖1 青峰嶺水庫泄洪過程線

2.3 防洪設(shè)施

本次淹沒分析范圍內(nèi)防洪設(shè)施主要包括現(xiàn)狀的橋梁、壩、閘（考慮其尺寸及調(diào)度運用方式）,沭河及相關(guān)支流的河道堤防（主要考慮其堤頂高程）。

3 模型建立

3.1 模擬的范圍

根據(jù)青峰嶺水庫下游的地形、沭河及相關(guān)支流的分布情況、堤防相應(yīng)高程、阻水建筑物的尺寸及分布,本次模擬區(qū)域北側(cè)以水庫大壩為界；南側(cè)以日照市境界為界；東西兩側(cè)計算范圍取沭河兩側(cè)大致5 km為界并結(jié)合等高線進(jìn)行優(yōu)化。該區(qū)域南北向最寬處為52.3 km,東西向最寬處為15.7 km,總面積603.5 km2,共涉及日照市莒縣、五蓮縣,臨沂市莒南縣等多個區(qū)縣,模擬范圍見圖2。

圖2 模擬范圍示意圖

3.2 網(wǎng)格的剖分

采用Triangular網(wǎng)格對模擬區(qū)域進(jìn)行有限元劃分,在地勢平坦、高程變化不大的區(qū)域, 為縮短模擬時間適當(dāng)加大了網(wǎng)格間距;在重要的地物附近,對網(wǎng)格進(jìn)行加密以提高模擬精度。本次模擬采用的網(wǎng)格平均面積為5000 m2,共劃分網(wǎng)格28.8萬個。

3.3 模擬中地物處理的體現(xiàn)

模型充分考慮模擬范圍內(nèi)高出地面1.0 m的線狀地物,如堤防、鐵路、公路等,并在網(wǎng)格模型中體現(xiàn),以體現(xiàn)其阻水和導(dǎo)流作用。

3.4 模擬中地形插值處理

沭河干流河道內(nèi)高程由實測地形圖處理后獲得,周邊區(qū)域高程點采用山東省國土測繪院近期調(diào)繪的1/10000 地理信息數(shù)據(jù)。插值后的地形見圖3及圖4。

圖3 插值后的地形三維視圖

圖4 插值后的局部網(wǎng)格

3.5 糙率選取

為反映下墊面類型對洪水演進(jìn)的影響,對模擬區(qū)域內(nèi)的河槽、居民地、道路、耕地等各類下墊面分別設(shè)置不同的糙率數(shù),本地區(qū)缺少糙率實測資料,故采用《水力計算手冊》中的糙率建議值[4],見表1。

表1 模擬區(qū)域內(nèi)糙率取值

3.6 邊界條件

定義青峰嶺水庫南側(cè)溢洪道出口為流量入口邊界,泄洪流量過程見圖1。給定沭河支流潯河處6月~9月多年平均水位為出口邊界。

3.7 方案匯總

各工況組合見表2。

表2 計算方案匯總

4 模擬結(jié)果

依據(jù)模型計算結(jié)果進(jìn)行對比分析,青峰嶺水庫按照不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行洪水下泄時,洪水演進(jìn)的路徑基本一致,但不同標(biāo)準(zhǔn)下泄的淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時等有較大的差異。

4.1 洪水演進(jìn)過程

以青峰嶺水庫校核洪水標(biāo)準(zhǔn)5000 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行泄洪為例,對下游洪水演進(jìn)歷程及淹沒情況分時段進(jìn)行分析。各時段淹沒范圍及淹沒水深見圖5。

圖5 水庫5000年一遇泄洪洪水演進(jìn)過程

第10 h：青峰嶺水庫溢洪道下泄流量541 m3/s。洪水在沭河主槽中演進(jìn),基本限制在主河道內(nèi)。

第20 h：青峰嶺水庫溢洪道下泄流量4320 m3/s。洪水部分漫溢,主要發(fā)生在曲坊社區(qū)至薛家城子村段,從南至北淹沒后站家岔河村、水由村、西地村、章莊村、曲坊社區(qū)、岔河村等。

第30 h：青峰嶺水庫溢洪道下泄流量3860 m3/s,洪水部分漫溢,上階段所述曲坊社區(qū)至薛家城子村段東側(cè)淹沒范圍變化不大,西側(cè)淹沒大范圍擴(kuò)大、此處涉及村莊多、面積大；何家莊子至前山后村發(fā)生漫溢,但此處淹沒村莊較少。

第40 h：青峰嶺水庫溢洪道下泄流量2320 m3/s,淹沒范圍達(dá)到最大。曲坊社區(qū)至薛家城子村段往南演進(jìn)至王家課莊,淹沒范圍進(jìn)一步擴(kuò)大；何家莊子至前山后村段淹沒范圍變化不大。

第50 h：青峰嶺水庫溢洪道下泄流量967 m3/s,淹沒面積逐漸減小,淹沒水深逐漸降低。

第60 h：青峰嶺水庫溢洪道下泄流量909 m3/s,淹沒面積繼續(xù)減小,淹沒水深繼續(xù)降低。

第70 h：青峰嶺水庫溢洪道下泄流量186 m3/s,泄洪過程趨于結(jié)束,淹沒面積繼續(xù)減小,淹沒水深繼續(xù)降低。

4.2 最大流速分布

青峰嶺水庫按5000 年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水泄洪時,下游各區(qū)域最大流速分布見圖6（a）。

從圖中看出,該標(biāo)準(zhǔn)洪水泄洪時,流速大于0.6 m/s的區(qū)域多聚集在溢洪道至岳家村段,最大流速可達(dá)3.0 m/s。

4.3 淹沒歷時

青峰嶺水庫按5000 年一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水泄洪時,下游淹沒歷時見圖6（b）。

圖6 最大流速及淹沒歷時分布（5000a一遇）

4.4 不同標(biāo)準(zhǔn)洪水下泄淹沒情況對比

由圖7可以看出,青峰嶺水庫按不同標(biāo)準(zhǔn)泄洪時,5000年一遇洪水相應(yīng)的淹沒面積與100 年一遇洪水相比,影響范圍在嶠山鎮(zhèn)至小店鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)有所增大,其它區(qū)域影響范圍大致相同；同時淹沒水深較大的區(qū)域,在高標(biāo)準(zhǔn)洪水較百年一遇標(biāo)準(zhǔn)下泄時顯著增加。

圖7 青峰嶺水庫不同標(biāo)準(zhǔn)泄洪下游淹沒范圍圖

5 高風(fēng)險區(qū)域評估

通過對青峰嶺水庫泄洪時下游區(qū)域的淹沒水深、行進(jìn)流速、淹沒歷時等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,識別出青峰嶺水庫下游高風(fēng)險區(qū)域有以下3 處：其中一處位于沭河章村-柳河村段兩岸,該部分地勢平坦、無有效擋水建筑物,東西跨度大,淹沒范圍廣,涉及村莊40 余個,淹沒深度集中于0.5 m~1.5 m,局地達(dá)到3 m,災(zāi)情嚴(yán)重；一處位于西旺疃村-金墩村,該處范圍小,涉及村莊4個；一處位于盧家孟堰村-公書社區(qū),該處范圍小,涉及村莊5個。

6 結(jié)語

本次構(gòu)建了日照市莒縣青峰嶺水庫下游3 D數(shù)學(xué)模型,通過比較水庫按照不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行洪水下泄時,下游區(qū)域洪水的演進(jìn)過程、淹沒的范圍、淹沒的水深、行進(jìn)流速、總計淹沒歷時等數(shù)據(jù),得出以下結(jié)論：青峰嶺水庫水庫按照100 年一遇及5000 年一遇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行洪水下泄時,下游的淹沒區(qū)域均比較大,水深均較大。當(dāng)水庫需要按設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)以上的洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行泄洪時,應(yīng)充分做好淹沒范圍內(nèi)群眾的轉(zhuǎn)移避險工作,盡可能的減少人民群眾的生命和財產(chǎn)損失。

本數(shù)字模擬方法可為水庫的調(diào)度運用及防汛搶險、轉(zhuǎn)移避險等提供技術(shù)支撐。