西葦水庫不同標準洪水對下游淹沒影響分析

鄭言峰，王 猛，盧 岳，趙 宇，于西達

(青島市水利勘測設計研究院有限公司，山東 濟南 250013)

我國處于從控制洪水向洪水管理的轉(zhuǎn)變時期，區(qū)域洪水淹沒特征涉及洪澇模擬、洪水避難、災害預警、災情評估和公眾洪水風險意識等方面，是進行洪水管理的科學依據(jù)之一[1-2]。目前，基于MIKE 21軟件建立的二維水動力模型已成為模擬水庫洪水對下游淹沒影響的主要方法之一[3-4]。本文以西葦水庫為研究對象，建立了基于MIKE 21的二維水動力模型，模擬分析了西葦水庫發(fā)生不同標準洪水時的淹沒范圍及最大淹沒水深，并進行了分類匯總統(tǒng)計分析，為西葦水庫防洪減災、群眾轉(zhuǎn)移提供決策依據(jù)。

1 工程概況

西葦水庫在山東省濟寧市鄒城市東城區(qū)，位于白馬河支流大沙河中段，屬淮河流域南四湖水系，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧城區(qū)供水等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程。西葦水庫始建于1959年10月，1960年6月基本竣工。2008年西葦水庫除險加固工程完成后，水庫防洪標準可達到100 a一遇設計，10 000 a一遇洪水校核。水庫總庫容為1.019 4億m3，防洪庫容為0.531 8億m3，興利庫容為0.411 1億m3，死庫容為0.076 5億m3，工程等別為Ⅱ等。但鑒于水庫加固后工程未經(jīng)高水位考驗，現(xiàn)狀校核防洪標準按1 000 a一遇。水庫下游是鄒城市區(qū)、國家重點保護文物“兩孟”、104國道、京滬鐵路、兗礦集團六個煤礦和兩個電廠(鄒縣電廠、里彥電廠)等工礦重地，有著極其重要的保護作用，對保障鄒城經(jīng)濟發(fā)展、促進社會生態(tài)平衡起著巨大的促進作用，水庫防洪作用非常重要。

2 不同標準洪水分析

2.1 潰壩前不同標準洪水計算

西葦水庫水文站設立于1960年6月，具有連續(xù)的實測洪峰流量資料。根據(jù)流量法，分析計算得到了不同標準的設計洪峰及洪量，計算結果為：100 a一遇設計洪水洪峰流量1 491 m3/s，相應最大72 h洪量為4 096萬m3；1 000 a一遇設計洪水洪峰流量2 702 m3/s，相應最大72 h洪量為6 807萬m3；10 000 a一遇設計洪水洪峰流量3 755 m3/s，相應最大72 h洪量為9 114萬m3(見表1)。

表1 西葦水庫不同標準洪水成果表

2.2 潰壩洪水分析計算

西葦水庫大壩為土石壩，該壩型潰壩原因主要是洪水漫頂和基礎管涌、滲漏，由于引起潰壩的水流沖擊能力極強，從決口開始時刻到基本形成穩(wěn)定的潰決斷面時，整個時間過程非常短暫，為安全考慮，確定西葦水庫潰壩形式為潰決到壩基的橫向局部瞬時潰壩，根據(jù)《水力計算手冊》(第二版)[5]，潰壩水力理論進行計算。潰壩最大流量按照大壩瞬時橫向局部一潰到底場合進行計算，采用公式：

其中，B為大壩總長，m；b為潰壩決口平均寬度，m；g為重力加速度,g=9.81 m/s2。經(jīng)計算，潰壩最大流量為96 808 m3/s。

3 淹沒影響分析

3.1 計算方法

根據(jù)西葦水庫不同標準洪水可能影響區(qū)域的地形特點，建立基于MIKE 21的二維水動力模型，采用有限體積法(又稱控制體積法)進行數(shù)值計算，其基本思路是將計算區(qū)域劃分為一系列不重復的控制體積，并使每個網(wǎng)格點周圍有一個控制體積；將待解的微分方程對每一個控制體積積分，便得出一組離散方程，其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點上的因變量的數(shù)值。

3.2 模型設置

1)計算范圍。根據(jù)水庫下游地形，考慮到超標準洪水或潰壩洪水可能的淹沒范圍，本次模型范圍選取北側(cè)以日蘭高速、沂河左堤為界，南側(cè)以103 m等高線(溢洪閘底板頂高程)為界，西側(cè)以新石鐵路、G237、泗河左堤為界，東側(cè)以西葦水庫主副壩、103 m等高線、沂河左堤為界。南北向長度約46.3 km，東西向?qū)挾燃s41.8 km，模擬區(qū)域總面積889.6 km2(見圖1)。

2)網(wǎng)格劃分。選用MIKE 21水動力模型中以三角形網(wǎng)格為基礎的非結構網(wǎng)格模型，以適應不規(guī)則邊界形狀的變化。重點區(qū)域如深槽、灘地水深變化較大和邊界形態(tài)變化較大的地方對網(wǎng)格進行加密處理，以更好的表達區(qū)域地形條件，適應邊界突變引起的水力要素變化；非重點區(qū)域使用較大網(wǎng)格，以節(jié)省計算時間。計算域內(nèi)網(wǎng)格劃分疏密須過渡均勻，無突變現(xiàn)象。選用的最大網(wǎng)格面積為10 000 m2，網(wǎng)格局部分區(qū)域加密，共包含網(wǎng)格19.8萬個(見圖2)。

3)地形插值。在地形圖中提取高程散點109.6萬個，生成模擬區(qū)域mesh文件(見圖3)。

4)邊界條件。選擇西葦水庫溢洪道出口處為上游邊界，給定不同標準洪水的泄洪流量。模型下游邊界為白馬河入南四湖河口處，給定上級湖正常蓄水位34.50 m。

5)糙率設置。本次采用分區(qū)糙率，對計算區(qū)域內(nèi)的居民地、道路、耕地、河流等地物設置不同的糙率(見圖4)，以反映保護區(qū)下墊面對洪水演進的影響。

3.3 淹沒分析

根據(jù)西葦水庫不同標準洪水分析成果，模擬計算下游淹沒影響情況。當西葦水庫發(fā)生潰壩時，下游淹沒影響范圍最大，包括鄒城市的千泉街道辦事處、北宿鎮(zhèn)、石墻鎮(zhèn)、郭里鎮(zhèn)、唐村鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)、鋼山街道辦事處、鳧山街道辦事處、中心店鎮(zhèn)等鎮(zhèn)街；微山縣的馬坡鎮(zhèn)、兩城鎮(zhèn)、魯橋鎮(zhèn)等鎮(zhèn)；曲阜市的陵城鎮(zhèn)、小雪街道、息陬鎮(zhèn)、尼山鎮(zhèn)等鎮(zhèn)街；兗州市的興隆莊街道等鎮(zhèn)街，共計129萬人左右。不同標準洪水淹沒范圍見圖5～圖8，不同標準洪水不同淹沒水深時的淹沒面積統(tǒng)計匯總表詳見表2，表3，不同

表2 西葦水庫不同標準洪水不同淹沒水深時的淹沒面積(區(qū)間) km2

表3 西葦水庫不同標準洪水不同淹沒水深時的淹沒面積(累計) km2

標準淹沒曲面圖及折線圖見圖9～圖12。

根據(jù)統(tǒng)計分析，淹沒水深為0.0 m～1.0 m時不同標準洪水的淹沒面積從21.80 km2～167.10 km2，占各自總淹沒面積的比例為72%～53%；淹沒水深為1.0 m～2.0 m時不同標準洪水的淹沒面積從7.09 km2～87.83 km2，占各自總淹沒面積的比例為23%～28%；淹沒水深為小于2.0 m時不同標準洪水的淹沒面積占各自總淹沒面積的比例為95%～81%，大于2.0 m時不同標準洪水的淹沒面積所占比例較小。

1 000 a一遇洪水淹沒面積基本為100 a一遇洪水淹沒面積的3倍，10 000 a一遇洪水淹沒面積基本為1 000 a一遇洪水淹沒面積的1.3倍，潰壩洪水淹沒面積基本為10 000 a一遇洪水淹沒面積的2.0倍～2.5倍。

因此，對于西葦水庫來說，洪水防控重點在于100 a和10 000 a兩個關鍵洪水標準；當洪水標準超過100 a一遇時，洪水淹沒急劇增大；對于土石壩來說，當發(fā)生10 000 a一遇洪水時，防控稍有疏漏極易造成水庫潰壩，屆時不僅水庫西南方向的下游兩岸遭受重大損失，水庫北面及西北方向也將遭受重大損失，因此必須做好10 000 a一遇洪水的應急搶險，避免潰壩發(fā)生。此外，當發(fā)生超標準洪水時，轉(zhuǎn)移地點至少應高于地面2.0 m以上，以減少淹沒損失。

4 結語

本文以西葦水庫為研究對象，建立了基于MIKE 21的二維水動力模型，模擬分析了西葦水庫發(fā)生不同標準洪水時的淹沒范圍及最大淹沒水深，并進行了分類匯總統(tǒng)計分析，結果表明洪水防控重點在于100 a和10 000 a兩個關鍵洪水標準；此外，當發(fā)生超標準洪水時，轉(zhuǎn)移地點至少應高于地面2.0 m以上，以減少淹沒損失。

隨著超標洪水發(fā)生概率的增加，水庫超標洪水防洪預案的指導意義愈加凸顯。本文通過對西葦水庫不同標準洪水淹沒水深及淹沒面積的分析，不僅能提高大壩應急管理水平，也可以為下游河道及城區(qū)洪水防御重點提供參考，具有重要的現(xiàn)實意義。