城市水庫(kù)潰壩耦合極端降雨前后模擬對(duì)比分析

王建有 張曼曼 孫奔博 李振坤

摘 要：以探究城市上游水庫(kù)潰壩耦合極端降雨及僅潰壩兩種工況下洪水災(zāi)害程度的變化為目標(biāo)，確定鄭州市二七區(qū)、中原區(qū)、金水區(qū)及惠濟(jì)區(qū)為研究區(qū)域，結(jié)合芝加哥雨型公式及長(zhǎng)歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式推求設(shè)計(jì)暴雨，依托“７·２０ 鄭州特大暴雨” 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推求研究區(qū)域產(chǎn)匯流特征，建立極端降雨與洪水過(guò)程的響應(yīng)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，以鄭州市二七區(qū)尖崗水庫(kù)為研究對(duì)象，構(gòu)建兩種工況下二維潰壩洪水演進(jìn)模型，對(duì)水情信息進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：相比于僅潰壩，降雨耦合潰壩工況下淹沒(méi)范圍更大，其中增加的淹沒(méi)范圍內(nèi)各點(diǎn)的最大水深、流速、洪水嚴(yán)重性程度均處于較低等級(jí)。在河道兩側(cè)，兩種工況下各等級(jí)水深、流速及洪水嚴(yán)重性淹沒(méi)范圍大致相同；地勢(shì)較低的區(qū)域降雨耦合潰壩工況下淹沒(méi)水深和流速增大較多，易澇點(diǎn)水深增加約０．６ ｍ，選取斷面水面線升高約１ ｍ。

關(guān)鍵詞：城市水庫(kù)；潰壩耦合降雨；極端降雨；淹沒(méi)水深；尖崗水庫(kù)；鄭州市

中圖分類號(hào)：ＴＶ１２２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０５．０１１

引用格式：王建有，張曼曼，孫奔博，等．城市水庫(kù)潰壩耦合極端降雨前后模擬對(duì)比分析［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（５）：６８－７３．

０ 引言

隨著全球氣候變暖趨勢(shì)增強(qiáng)，過(guò)去百年來(lái)氣溫上升了０．９～１．５ ℃，飽和水汽壓隨之增加，極端降雨也呈增多、趨強(qiáng)態(tài)勢(shì)［１］ 。極端降雨是產(chǎn)生洪水的重要因素［２］ ，極大地增強(qiáng)了洪水的災(zāi)害性，甚至導(dǎo)致潰壩。目前我國(guó)已建成各類水庫(kù)大壩９．８８ 萬(wàn)余座，數(shù)量居世界第一［３］ 。１９５４—２０１９ 年我國(guó)潰壩共計(jì)３ ５４１ 座，年均潰壩５３．７ 座［４］ 。潰壩原因主要有大壩質(zhì)量問(wèn)題、洪水漫頂及管理不當(dāng)?shù)龋渲泻樗斦迹担埃ヒ陨希郏担?，如１９６３ 年河北省保定市的劉家臺(tái)水庫(kù)漫頂潰壩［６］ ，１９７５ 年河南省板橋水庫(kù)漫頂潰壩［７］ ，２０１８ 年新疆射月溝水庫(kù)漫頂潰壩［８］ 。

我國(guó)城市化進(jìn)程加快，２０３０ 年城鎮(zhèn)化水平將超過(guò)７０％［９］ ，使得越來(lái)越多的水庫(kù)進(jìn)入城區(qū)。然而，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度跟不上城鎮(zhèn)化發(fā)展步伐，城市硬化面積大幅度提高，下滲減少，糙率降低，導(dǎo)致地表徑流過(guò)程峰高量大，加之排水管網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、排水系統(tǒng)不完善等原因，致使暴雨引發(fā)的內(nèi)澇趨勢(shì)增強(qiáng)，極端降雨下一旦城市上游水庫(kù)發(fā)生潰壩事故，其導(dǎo)致的潰壩洪水與城市內(nèi)澇疊加具有遠(yuǎn)比天然洪水更大的破壞力，影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定［１０］ 。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外有關(guān)水庫(kù)潰壩研究主要集中在潰壩水流理論、潰壩試驗(yàn)、潰壩模擬及下游洪水演進(jìn)等方面［１０］ ，目的是為潰壩洪水災(zāi)害應(yīng)對(duì)提供依據(jù)。通過(guò)計(jì)算潰壩壩址的流量、水位過(guò)程線，并向下游模擬洪水演進(jìn)得到沿程的流量、流速、水位、洪水到達(dá)時(shí)間等水情信息［１１］ ，評(píng)估下游洪水淹沒(méi)損失情況，以便采取措施降低洪水風(fēng)險(xiǎn)。然而，水庫(kù)潰壩原因多是超標(biāo)準(zhǔn)洪水漫壩，降雨是導(dǎo)致洪水的重要因素，降雨同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)澇，目前對(duì)極端降雨下城市水庫(kù)潰壩的研究較少。鑒于此，本文立足于防災(zāi)減災(zāi)的實(shí)際需求，對(duì)僅潰壩和降雨耦合潰壩兩種工況進(jìn)行洪水演進(jìn)數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)比分析潰壩模擬結(jié)果，為城市洪水災(zāi)害防治及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供理論依據(jù)。