山丘區水庫潰壩洪水數值模擬研究

秦巧麗，李光吉，石　飛

（山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250014）

山東省昌樂縣利用亞行貸款地下水漏斗區域綜合治理示范工程主要建設內容為南寨水庫增容，按照亞行的保障政策要求，需要對南寨水庫大壩加高后進行風險分析及安全評估。據此，本研究采用Mike 21水動力模塊模擬計算分析并運用GIS技術，開展了以南寨水庫為實例的山丘區水庫潰壩分析，以支持該項目的順利實施。

1　工程概況

南寨水庫設計洪水標準為50年一遇，校核標準為1000年一遇；擴建后，水庫總庫容1036萬m3，興利庫容820萬m3，死庫容66.1萬m3。在滿足生態用水的前提下，可攔蓄小丹河徑流量249萬m3，同時還可調蓄自汶河流域善莊攔河壩年均汛期調水516萬m3，在2020規劃水平年可向昌樂城區日供水1.77萬t，年供水量646萬m3。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、放水洞、取水泵站以及橋梁等部分組成。大壩為壤土均質壩，全長1 285 m，壩頂高程118.90 m，防浪墻頂高程119.90 m，壩頂寬7.5 m。

2　潰壩洪水數值模擬

2.1　計算區域

水庫潰壩洪水數值模擬以1/10 000昌樂縣地形圖為基礎、以南寨水庫擴建設計和指標為依據進行相關的計算。

根據水庫增容設計、地形地貌，設計洪水等確定模擬范圍上游自南寨水庫北側壩體處，下游至昌樂縣城以北，南北向長度約為16.15 km；左側自昌樂縣城邊界向東至縣城東部邊界山區，寬度約為10.8 km，總模擬區域面積為174.42 km2。

2.2　潰口參數的確定

潰壩洪水淹沒分析采用二維水動力方程，上游邊界條件為潰口處流量過程，下游及左右邊界條件為陸地邊界。水庫潰壩工況為在校核洪水位條件下發生潰壩，潰壩底高程為壩體與壩基結合處。經計算，南寨水庫潰口平均寬度為160 m，最大潰壩流量為4 730 m3/s。潰壩流量過程計算成果，見表1。

2.3　潰壩洪水過程數值模擬計算

本次研究重點為模擬潰壩洪水向下游地區的傳播狀況以及淹沒范圍的變化，采用丹麥水力研究所開發的MIKE21二維水動力學模型。

1）某時刻模擬計算成果。根據模型計算結果提取南寨水庫潰壩后，洪水沿小丹河向下游傳播過程中不同時刻的水深分布情況，如圖1。

2）洪水淹沒范圍分析。根據Mike 21模擬計算生成成果，利用ArcGIS技術，采用克里金插值法進行插值得出不同時刻的淹沒水深圖及相應的等值線圖，并將各水深圖與昌樂縣1/10 000地

表1潰壩流量過程計算成果表形圖進行疊加，進而得出各時刻的淹沒范圍、包括淹沒的村鎮、道路、鐵路等基礎設施，該成果對南寨水庫下游河道防洪決策具有一定的參考價值。

表1　潰壩流量過程計算成果表

圖1　不同時刻洪水水深分布圖

根據潰壩洪水模擬過程，南寨水庫約60分鐘后，洪水將到達昌樂縣縣城，以此時刻為例對潰壩60 min時的洪水淹沒情況進行淹沒范圍分析。將MIKE21 HD模塊的模擬計算的60 min時成果進行提取，并利用ArcGIS技術采用克里金插值法生成該時刻的水深分布等直線圖，如圖2示。

圖2　潰壩60 min時水深等值線圖

以圖2為基礎，將等值線圖與昌樂縣城1/10 000地形圖進行坐標疊加對接，從而生成較為直觀的潰壩60 min時的淹沒范圍圖形。

從淹沒圖上可以直接看出，此刻洪水傳播位置距離潰口11.62 km，最大流速為14.3 m3/s，位于距離潰口7.13 km處；最大水深為21.92 m，距離潰口6.78 km；此刻洪水淹沒范圍達到7.14 km2。

3　推廣應用

山東省目前共建有各類水庫計6 251座，其中山丘區大中型水庫189座、小型水庫5 281座，這些水庫的建設無疑在當地區域防洪、灌溉等方面發揮了重要的作用，但同時也為區域防洪安全帶來一定的風險。因此開展水庫潰壩數值模擬研究，進而繪制洪水風險圖作為一項有效的非工程措施的戰略地位日益突顯。因此，本次研究成果不僅僅是山東省亞行貸款項目中的一項重要內容，更是對未來山東省大中型水庫洪水風險圖的繪制、水庫增容工程的設計、水庫大壩的安全運行管理、制定區域防洪應急預案等方面都具有重要的參考價值和指導意義。

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