基于MIKE 模型的水庫潰壩洪水數值模擬分析

王宏偉，邱俊楠，何 勇

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

修建大壩、利用水庫攔蓄和調節天然徑流，是防汛抗旱和開發利用水資源的需要。據統計，我國已建成各類水庫98822座，水庫總庫容8953億m3。 其中，大型水庫736座， 總庫容7117億m3， 占全部總庫容的79.5%；中型水庫3954座，總庫容1126億m3，占全部總庫容的12.6%［1］。 大規模的水庫大壩建設對防洪安全、農業灌溉、城市供水、航運交通、水電開發、漁業發展、旅游開發等發揮了重要作用，為社會快速發展提供了堅實的水利保障， 也產生了顯著的經濟社會效益。 但由于洪水超標準、工程質量缺陷、運行管理不當、歷史欠賬較多等原因［2］，大壩潰決事故時有發生，如河南駐馬店板橋水庫、山西東榆林水庫、青海溝后水庫、吉林大河水庫、浙江沈家坑水庫等潰決事故。為了保障大壩下游地區人民生命財產安全，有必要開展潰壩洪水數值模擬， 構建應用廣泛、 計算穩定、可靠性高的MIKE模型［3］，模擬分析某水庫潰壩洪水流量、淹沒面積、淹沒水深、洪水到達時間，為工程設計、工程管理、應急預案編制等提供參考。

研究水庫位于四川省成都市大邑縣境內， 是一座以城鄉供水、防洪保安為主，兼顧灌溉、發電等綜合利用的大（2）型水庫，供水對象為大邑縣城鄉、江河灌區、天府新區等。壩址處多年平均流量14m3/s，多年平均徑流量4.3億m3， 總庫容1.61億m3， 調節庫容1.28億m3。 正常蓄水位691m，死水位640m，設計洪水位691m，校核洪水位695.8m。壩型為瀝青混凝土心墻土石壩，壩頂軸線長282m，壩頂寬度10.0m，壩頂高程697.5m，最大壩高102.5m。 設計洪水為100年一遇，校核洪水為2000年一遇。

1 模型構建

1.1 建模思路

分析淹沒區地形，將河道、防洪堤、阻水型路基、山體等作為淹沒邊界，確定潰壩洪水模擬范圍。結合現場調查和測量， 修正地形數據并轉換高程數據格式。 采用《重點地區洪水風險圖編制項目軟件名錄》推薦、廣泛使用、穩定可靠的MIKE21軟件2014版，對模擬范圍進行非結構網格剖分， 局部復雜地區加密網格，結合地形數據，采用自然鄰近法插值生成地形網格。將潰壩洪水過程作為入流邊界，下游出口處水位作為出流邊界，同時結合遙感影像和地形圖，分類提取用地類型和糙率賦值。 在此基礎上構建MIKE21潰壩洪水數值模型， 模擬和統計分析不同工況下洪水成果。

1.2 模擬范圍

研究水庫下游區域內主要有江河、南河、斜江河及龍門山山脈等。江河在新場鎮出山谷流入平原，又經桑園鎮，于邛崍城區西匯入南河。江河右岸為龍門山南段延伸山系，地勢起伏較大；左岸為平原區，平坦開闊。南河在江河匯入后，流經固驛鎮、牟禮鎮，在棺山塘附近納斜江河。 南河右岸為磨子山、 紅巖子山、墩子山等山體，左岸為平原區，平坦開闊。斜江河位于江河東部、南河北部，發源于大邑縣境內邛崍山雄黃巖東麓，經平原區蘇家鎮、安仁鎮、羊安鎮，于棺山塘附近匯入南河。 分析水庫下游地區水系、地形，并結合1∶50000地形圖、水文匯水計算，確定計算范圍為西至龍門山南段延伸山系，南至磨子山、紅巖子山、墩子山等，北部和東部至斜江河，模擬范圍總面積775.7km2。

1.3 地形數據與網格剖分

地形數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺，空間分辨率為30m。 在模擬范圍內采用非結構三角形網格， 河道外網格最大邊長200m，河道內網格進行加密，網格邊長40m，共生成約20萬個網格。

1.4 邊界條件

入流邊界位于江河水庫回水末端、南河高山頂，多年平均洪峰流量分別為671，1298m3/s。出流邊界位于南河棺山塘，設置為自由出流。

1.5 糙率確定

根據《水力計算手冊》和當地河道治理經驗［4］，河道糙率取0.035，灘地糙率取0.07，農田取0.06，村鎮取0.1。

1.6 計算工況

研究水庫大壩為瀝青混凝土心墻土石壩。 結合國內潰壩事件統計和大壩潰決模型試驗［5］等分析結果，根據《潰壩洪水模擬技術規程》《水利水電工程潰壩洪水模擬技術規程》，設置漫頂全潰、管涌半潰、漫頂半潰3種計算工況，潰壩歷時2h，潰口均為梯形，具體參數如下。

（1）漫頂全潰：壩前水位超過壩頂高程（697.5m），發生漫頂全潰。 潰口頂高697.5m， 底高595m； 頂寬282m，底寬41m。

（2）管涌半潰：壩前水位超過設計洪水位（691m），發生管涌半潰，潰口頂高646.25m，底高595m；頂寬155m，底寬41m。

（3）漫頂半潰：壩前水位超過壩頂高程（697.5m），發生漫頂半潰。 潰口頂高697.5m，底高646.25m；頂寬282m，底寬155m。

2 結果分析

2.1 漫頂全潰計算結果分析

當水庫壩前水位漲至壩頂高程697.5m時， 發生漫頂全潰，潰壩歷時2h。

2.1.1 潰壩流量

壩址處發生潰壩1.5h時流量達到峰值，洪峰流量為22591m3/s，潰壩發生5h后，壩址處流量為698m3/s，與水庫入流基本一致； 南河棺山塘斷面處發生潰壩12h時，流量達到峰值，洪峰流量為4272m3/s，潰壩發生25h后，南河棺山塘斷面處流量為2145m3/s，與上游入流基本一致。

2.1.2 淹沒面積及水深

發生漫頂全潰時，最大淹沒范圍為308km2，淹沒水深在0.1～3.5m之間。 水庫下游“一市九鎮”均被不同程度淹沒，其中三岔鎮、高埂鎮淹沒水深在0.5m以下，新場鎮、王泗鎮、桑園鎮、南君平鄉、前進鎮淹沒水深在0.5～1m之間，邛崍市區、固驛鎮、牟禮鎮淹沒水深在1～1.8m之間。

2.1.3 洪水到達時間

發生漫頂全潰后，新場鎮、桑園鎮洪水到達時間不足2h，王泗鎮、南君平鄉、邛崍市區、三岔鎮、前進鎮、固驛鎮的洪水到達時間為2～4h，高埂鎮洪水到達時間為4～6h，牟禮鎮洪水到達時間超過6h。

2.2 管涌半潰計算結果分析

當水庫壩前水位超過設計洪水位691m時， 發生管涌半潰，潰壩歷時2h。

2.2.1 潰口流量

壩址處發生潰壩1.8h時流量到達峰值， 洪峰流量20165m3/s，潰壩發生5h后，壩址處流量695m3/s，與水庫入流基本一致； 南河棺山塘斷面處發生潰壩12h時流量達到峰值，洪峰流量4104m3/s，潰壩發生25h后，南河棺山塘斷面處流量2049m3/s，與上游入流基本一致。

2.2.2 淹沒面積及水深

發生管涌半潰時，最大淹沒范圍為290km2，淹沒水深在0.1～3.0m之間。 “一市九鎮”均被不同程度淹沒，其中三岔鎮、高埂鎮、王泗鎮、桑園鎮、南君平鄉淹沒水深在0.5m以下， 新場鎮、 前進鎮淹沒水深在0.5～1m之間，邛崍市區、固驛鎮、牟禮鎮淹沒水深在1～1.7m之間。

2.2.3 洪水到達時間

發生管涌半潰后，新場鎮、桑園鎮洪水到達時間不足2h，王泗鎮、南君平鄉、邛崍市區的洪水到達時間為2～4h，三岔鎮、前進鎮、固驛鎮、高埂鎮的洪水到達時間為4～6h，牟禮鎮的洪水到達時間在6h以上。

2.3 漫頂半潰計算結果分析

當水庫壩前水位漲至壩頂高程697.5m時， 發生漫頂半潰，潰壩歷時2h。

2.3.1 潰壩流量

壩址處發生潰壩2h時流量到達峰值， 洪峰流量為14313m3/s，潰壩發生10h后，壩址處流量為700m3/s，與水庫入流基本一致； 南河棺山塘斷面處發生潰壩8.5h時流量達到峰值，洪峰流量為3674m3/s，潰壩發生25h后，南河棺山塘斷面處流量為2070m3/s，與上游入流基本一致。

2.3.2 淹沒面積及水深

發生漫頂半潰時，最大淹沒范圍為227km2，淹沒水深在0.1～2.7m之間，水庫下游“一市九鎮”均被不同程度淹沒，其中三岔鎮、高埂鎮、新場鎮、王泗鎮、桑園鎮、南君平鄉、前進鎮淹沒水深在0.5m以下，邛崍市區淹沒水深在0.5～1m之間，固驛鎮、牟禮鎮淹沒水深在1～1.5m之間。

2.3.3 洪水到達時間

發生漫頂全潰后，新場鎮洪水到達時間不足2h，桑園鎮、王泗鎮、南君平鄉、邛崍市區的洪水到達時間為2～4h，三岔鎮、前進鎮、固驛鎮的洪水到達時間為4～6h，高埂鎮、牟禮鎮的洪水到達時間在6h以上。潰壩洪水主要成果對比如表1。

表1 潰壩洪水主要成果對比

3 結語

以成都市大邑縣內某水庫作為研究對象，采用應用廣泛、穩定可靠的MIKE軟件，構建水庫潰壩洪水數值模型，模擬了漫頂全潰、管涌半潰、漫頂半潰3種計算工況，從洪峰流量、淹沒面積、淹沒水深、淹沒到達時間等方面進行分析，洪水影響由大到小依次為漫頂全潰、管涌半潰、漫頂半潰。 潰壩洪水模擬研究作為非工程措施的重要組成部分， 可提高社會、公眾及水庫管理單位應對突發事件能力，降低大壩運行風險，有利于最大程度保障下游人民群眾生命財產安全， 將水庫洪水災害損失降至最低，同時研究成果也為水庫工程管理、應急管理等提供重要參考依據。