水庫標準內及超標準洪水下泄下游淹沒分析

鄧 歡，周 迎，高 波

（山東省水利勘測設計院,山東 濟南 250013）

水庫作為重要的水利工程,在興利除害、防汛減災中發揮重要作用。水庫按照不同標準洪水進行泄洪時,下游可能會出現潰堤或漫堤等險情,造成區域內出現洪水淹沒。為科學的指導防汛搶險及下游群眾避險轉移,為水庫防汛調度提供決策依據,采用科學的分析方法對水庫下游的可能淹沒范圍進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軟件構建了水庫下游三維數學模型,對水庫下游淹沒情況進行分析。

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,發電、供水等結合的大（二）型水庫[2]。

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

2 基礎資料

2.1 地形資料

分析范圍（見圖2）內的1∶10000 地形數據、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 防洪設施

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

3 模型建立

3.1 模擬的范圍

根據青峰嶺水庫下游的地形、沭河及相關支流的分布情況、堤防相應高程、阻水建筑物的尺寸及分布,本次模擬區域北側以水庫大壩為界；南側以日照市境界為界；東西兩側計算范圍取沭河兩側大致5 km為界并結合等高線進行優化。該區域南北向最寬處為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縣,模擬范圍見圖2。

圖2 模擬范圍示意圖

3.2 網格的剖分

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

3.3 模擬中地物處理的體現

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

3.4 模擬中地形插值處理

沭河干流河道內高程由實測地形圖處理后獲得,周邊區域高程點采用山東省國土測繪院近期調繪的1/10000 地理信息數據。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 插值后的局部網格

3.5 糙率選取

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

表1 模擬區域內糙率取值

3.6 邊界條件

定義青峰嶺水庫南側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 模擬結果

依據模型計算結果進行對比分析,青峰嶺水庫按照不同標準進行洪水下泄時,洪水演進的路徑基本一致,但不同標準下泄的淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時等有較大的差異。

4.1 洪水演進過程

以青峰嶺水庫校核洪水標準5000 年一遇洪水標準進行泄洪為例,對下游洪水演進歷程及淹沒情況分時段進行分析。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,基本限制在主河道內。

第20 h：青峰嶺水庫溢洪道下泄流量4320 m3/s。洪水部分漫溢,主要發生在曲坊社區至薛家城子村段,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、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至薛家城子村段東側淹沒范圍變化不大,西側淹沒大范圍擴大、此處涉及村莊多、面積大；何家莊子至前山后村發生漫溢,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,淹沒范圍達到最大。曲坊社區至薛家城子村段往南演進至王家課莊,淹沒范圍進一步擴大；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,淹沒面積繼續減小,淹沒水深繼續降低。

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

4.2 最大流速分布

青峰嶺水庫按5000 年一遇設計標準洪水泄洪時,下游各區域最大流速分布見圖6（a）。

從圖中看出,該標準洪水泄洪時,流速大于0.6 m/s的區域多聚集在溢洪道至岳家村段,最大流速可達3.0 m/s。

4.3 淹沒歷時

青峰嶺水庫按5000 年一遇標準洪水泄洪時,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 不同標準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準泄洪時,5000年一遇洪水相應的淹沒面積與100 年一遇洪水相比,影響范圍在嶠山鎮至小店鎮區域內有所增大,其它區域影響范圍大致相同；同時淹沒水深較大的區域,在高標準洪水較百年一遇標準下泄時顯著增加。

圖7 青峰嶺水庫不同標準泄洪下游淹沒范圍圖

5 高風險區域評估

通過對青峰嶺水庫泄洪時下游區域的淹沒水深、行進流速、淹沒歷時等數據進行分析,識別出青峰嶺水庫下游高風險區域有以下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,局地達到3 m,災情嚴重；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,該處范圍小,涉及村莊5個。

6 結語

本次構建了日照市莒縣青峰嶺水庫下游3 D數學模型,通過比較水庫按照不同標準進行洪水下泄時,下游區域洪水的演進過程、淹沒的范圍、淹沒的水深、行進流速、總計淹沒歷時等數據,得出以下結論：青峰嶺水庫水庫按照100 年一遇及5000 年一遇標準進行洪水下泄時,下游的淹沒區域均比較大,水深均較大。當水庫需要按設計洪水標準以上的洪水標準進行泄洪時,應充分做好淹沒范圍內群眾的轉移避險工作,盡可能的減少人民群眾的生命和財產損失。

本數字模擬方法可為水庫的調度運用及防汛搶險、轉移避險等提供技術支撐。