“7·20”強降雨影響下的常莊水庫泄洪風險分析

栗毓敏，李子陽，陳 誠，陳冠英

（1.鄭州市常莊水庫管理處，河南 鄭州 450042；2.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；3.水利部 大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029）

0 引言

常莊水庫位于鄭州市市區(qū)西南，淮河流域穎河水系賈魯河支流賈峪河上，水庫控制流域面積82 km2，正常蓄水位130.00 m，死水位118.93 m。水庫按100 a一遇洪水設(shè)計，相應設(shè)計洪水位131.34 m，庫容1 102萬m3；5 000 a 一遇洪水校核，相應校核洪水位135.07 m，總庫容1 708 萬m3。水庫功能以防洪為主，兼顧城市應急供水。水庫下游為鄭州市區(qū)，有南水北調(diào)中線干渠、京廣和隴海兩大鐵路干線、連霍高速、310 國道及京廣客運專線等重要基礎(chǔ)設(shè)施，水庫地理位置十分重要。

2021 年鄭州遭遇“7·20”特大暴雨襲擊，其中最大1 h 降雨量201.9 mm，突破我國大陸氣象觀測記錄歷史極值，最大24 h 雨量696.9 mm 出現(xiàn)在常莊水庫附近（尖崗站）。“7·20”強降雨影響下常莊水庫水位、蓄水量快速上升，并產(chǎn)生了較大流量泄洪，對下游防洪風險帶來一定影響。尤其下游的南水北調(diào)中線干渠距水庫溢洪道泄洪閘僅1 150 m，該處賈峪河倒虹吸段的安全泄洪直接關(guān)系干渠的運行安全。本文通過“7·20”強降雨期間的庫水位變化、水庫調(diào)度方式及水位庫容泄量關(guān)系等資料，推算“7·20”強降雨產(chǎn)生的入庫流量及泄水過程，借助無人機航拍獲取下游區(qū)間的地形數(shù)據(jù)，基于二維水動力學模型反演分析“7·20”強降雨期間的水庫泄洪淹沒情況；通過模擬分析獲取水庫下游至賈峪河倒虹吸處的淹沒水深、淹沒時長和流速等特征數(shù)據(jù)，據(jù)此分析“7·20”強降雨期間的倒虹吸泄洪安全性，對常莊水庫泄洪引起的洪水風險進行綜合評估，并提出水庫泄洪風險防御的建議和對策。

1 “7·20”強降雨期間常莊水庫泄洪分析

1.1 降雨分析

2021 年7 月20 日前后，鄭州遭遇罕見持續(xù)強降水天氣過程。根據(jù)河南省水利廳、鄭州氣象局、中央氣象臺等信息［1］，2021 年7 月17 日8：00 至23 日8：00全市累計平均降水量約為530 mm，7 月20 日最大單日降雨量624.1 mm（鄭州站）。其中1 h 最大點雨量201.9 mm（鄭州站，7 月20 日16：00—17：00），突破我國大陸氣象觀測記錄歷史極值（198.5 mm，1975 年8月5 日河南林莊）；24 h 最大雨量696.9 mm（尖崗站）是鄭州市年均降水量640.8 mm 的1.08 倍。“7·20”強降雨產(chǎn)生的小時降水、單日降水均已突破自1951 年鄭州站建站以來的歷史記錄。

根據(jù)常莊水文站記錄，7 月20 日前后降雨量分別為：7 月19 日138.3 mm，7 月20 日672.9 mm，7 月21日58.0 mm，最大小時雨量為7 月20 日15：00—16：00的192.1 mm。其中降雨強度集中的7 月20 日8：00至22 日7：00 常莊水庫降雨逐小時分布情況見圖1。

圖1 常莊水庫“7·20”強降雨期間降雨量

1.2 入庫洪水及泄洪分析

“7·20”強降雨期間常莊水庫調(diào)度運行方式如下：7 月19 日8：00 庫水位開始上漲，7 月20 日8：00水位超汛限水位達127.50 m（汛限水位127.49 m），7月20 日10：30 水位上漲至127.83 m 時輸水洞按3 m3／s流量開閘泄洪，溢洪道未泄洪；7 月20 日12：30輸水洞閘門全開泄洪；15：20 庫水位128.94 m，溢洪道閘門全開泄洪；7 月20 日19：10 庫水位最高達131.31 m；此后水位逐步回落，20：30 庫水位130.84 m，水庫壓減泄流量100 m3／s，7 月21 日01：00 溢洪道增加泄流量100 m3／s；至7 月22 日23：00 水位降至汛限水位以下。“7·20”強降雨期間常莊水庫水位、蓄水量變化過程線見圖2。

圖2 常莊水庫“7·20”強降雨期間庫水位、蓄水量變化過程線

根據(jù)水庫水位—泄流量關(guān)系、2020 年水庫新測的淤積庫容曲線及“7·20”期間的水庫調(diào)度情況記錄，通過流量平衡推算水庫入庫流量及下泄流量見圖3。由計算可知，“7·20”強降雨產(chǎn)生的最大入庫流量為816 m3／s，最大24 h 入庫洪量約為1 765 萬m3，最大出庫流量為550 m3／s。

圖3 常莊水庫“7·20”強降雨期間入庫流量與下泄流量變化過程

2 “7·20”強降雨期間常莊水庫泄洪淹沒反演分析

2.1 地形測量與建模

受城區(qū)建設(shè)影響，水庫下游地形條件變化較大，采用無人機航拍獲取地形數(shù)據(jù)。根據(jù)分析需要，通過無人機拍攝常莊水庫下游至賈峪河倒虹吸段的多幅圖像，拍攝時間為2022 年3 月10—11 日，該時段水庫通過輸水洞下泄流量為27 L／s。基于運動恢復結(jié)構(gòu)（Structure From Motion，SFM）技術(shù)［2－3］從包含視覺運動信息的二維圖像序列中恢復三維結(jié)構(gòu)，構(gòu)建該區(qū)域地形數(shù)據(jù)，以進行常莊水庫設(shè)計洪水下泄的淹沒分析。

SFM 的基本原理是在相機模型的基礎(chǔ)上，通過圖像的特征點匹配，建立不同視角拍攝圖像的場景點之間的對應關(guān)系；再根據(jù)多視圖幾何原理，優(yōu)化計算得到這些場景點的三維坐標和相機的位姿參數(shù)，從而生成三維點云數(shù)據(jù)。

根據(jù)無人機拍攝圖像對常莊水庫溢洪道和輸水洞兩個泄洪通道區(qū)域進行地形測量和三維建模，分析所得地形高程如圖4 所示，其中測量范圍內(nèi)兩條公路橋的橋下地形根據(jù)周圍地形變化趨勢插值獲取。

圖4 常莊水庫下游分析區(qū)域地形高程

采用三角形網(wǎng)格對計算區(qū)域進行劃分，對溢洪道、輸水洞、下游河道、南水北調(diào)中線渠道附近網(wǎng)格進行了局部加密，網(wǎng)格最小邊長為5 m，周邊區(qū)域網(wǎng)格最小邊長設(shè)置為10 m，由此建立有限元計算模型。

2.2 參數(shù)反演

“7·20”強降雨期間水庫泄洪下游淹沒水深缺乏記錄資料，根據(jù)當時下游最大淹沒水深時的照片，對照大壩典型斷面圖，估算下游最大淹沒高程約為114.50 m。

依據(jù)航測高精度地形圖，采用MIKE21 水動力模型［3－4］，根據(jù)常莊水庫“7·20”強降雨期間下泄流量過程進行洪水演進分析。采用現(xiàn)場照片估算的淹沒水深，對模型參數(shù)進行率定，糙率分區(qū)域賦值：下游河道裸露，石塊雜草較多，取0.035；溢洪道以及輸水道為整齊排列的石塊并用灰漿勾縫，取0.020；周邊地區(qū)主要是土和砂質(zhì)，有稀疏雜草、雜樹以及矮小農(nóng)作物，取0.040。計算常莊水庫下游至賈峪河倒虹吸區(qū)域最大淹沒水深，如圖5 所示。根據(jù)模型計算的最大淹沒范圍時的下游最高水位為114.37 m，與現(xiàn)場巡查記錄情況基本吻合。

圖5 “7·20”強降雨期間水庫下游最大淹沒水深

3 泄洪風險評估

常莊水庫下游行洪通道賈峪河通過倒虹吸下穿南水北調(diào)中線干渠，距水庫溢洪道泄洪閘僅1 150 m。賈峪河倒虹吸100 a 一遇設(shè)計洪峰流量為425 m3／s，300 a一遇校核洪峰流量為556 m3／s；而常莊水庫的設(shè)計防洪標準為100 a 一遇，相應最大泄洪流量565 m3／s，5 000 a 一遇校核，相應最大泄洪流量1 500 m3／s。可以看出，賈峪河倒虹吸設(shè)計防洪標準與常莊水庫現(xiàn)狀設(shè)計洪水標準存在不一致的情況。設(shè)計標準的不一致，導致常莊水庫在設(shè)計洪水下泄時可能對南水北調(diào)中線干渠正常運行帶來不利影響。通過“7·20”強降雨期間常莊水庫泄洪分析可以看出，水庫最大下泄流量550 m3／s 已基本達到倒虹吸校核標準，需對其在“7·20”強降雨期間的安全泄洪情況進行分析。分析思路為：首先分析“7·20”強降雨期間常莊水庫泄洪引起的下游倒虹吸處的淹沒水深、流速和淹沒時長，再以此為邊界條件分析倒虹吸處的泄洪安全狀況。

3.1 倒虹吸淹沒水深及時長分析

根據(jù)“7·20”強降雨期間的洪水演進分析，提取賈峪河倒虹吸處水深及時長等特征數(shù)據(jù)（見圖6 和圖7），結(jié)果表明：20 日19：30 賈峪河倒虹吸處淹沒水深最大，為7.9 m，最高水位為114.37 m；該段賈峪河倒虹吸頂高程為114.90 m，渠頂高程為121.265 m，渠道外坡在洪水位以下采用漿砌石護坡，護坡護至114.90 m高程。對比可見，洪水最大淹沒范圍已接近渠道坡腳位置，但尚未對坡腳造成直接沖刷，“7·20”強降雨期間常莊水庫泄洪未對賈峪河倒虹吸及該段渠道產(chǎn)生明顯淹沒影響。

圖6 “7·20”強降雨期間倒虹吸處最大淹沒水深

圖7 “7·20”強降雨期間倒虹吸處淹沒歷時

3.2 倒虹吸泄洪安全分析

圖8 為最大淹沒水深時所對應的流場。在淹沒水流下出現(xiàn)明顯回流區(qū)且水流流速較大，渠道外坡處最大流速為2.56 m／s；但淹沒范圍還處于坡腳漿砌石護坡保護范圍，且淹沒歷時較短，未對渠道外坡產(chǎn)生淘刷影響。

圖8 倒虹吸最大淹沒水深時的流場

3.3 泄洪安全綜合分析

從分析結(jié)果可以看出，鄭州“7·20”強降雨期間在常莊水庫產(chǎn)生的最大入庫流量為816 m3／s（發(fā)生時間為20 日18：00），經(jīng)水庫運行調(diào)度最大出庫流量為550 m3／s（發(fā)生時間為20 日19：00），接近水庫100 a一遇設(shè)計洪水標準的最大泄洪流量（565 m3／s），也與水庫下游南水北調(diào)中線賈峪河倒虹吸300 a 一遇校核洪峰流量（556 m3／s）相當。

水庫下游至賈峪河倒虹吸段“7·20”強降雨期間的洪水演進分析結(jié)果表明，20 日19：30 賈峪河倒虹吸處淹沒水深最大，此時最高水位為114.37 m，洪水最大淹沒范圍已接近渠道坡腳114.90 m 高程，未對坡腳造成直接沖刷；在淹沒水流下渠道坡腳外坡出現(xiàn)明顯回流，最大流速為2.56 m／s，因坡腳有漿砌石護坡保護，未對渠道外坡產(chǎn)生明顯淘刷，這與“7·20”強降雨后的巡查結(jié)果一致。但水庫最大下泄流量時倒虹吸入口處已存在較大淹沒范圍，建議加強對渠坡的防沖保護，并設(shè)置必要的視頻監(jiān)控設(shè)施。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)分析了“7·20”強降雨影響下鄭州市常莊水庫洪水下泄風險。首先通過水庫調(diào)度記錄推算了“7·20”強降雨導致的洪水入庫和泄水過程，繼而通過無人機航拍技術(shù)構(gòu)建了水庫下游分析區(qū)域地形數(shù)據(jù)，借助二維水動力學模型反演分析了“7·20”強降雨期間的水庫泄洪下游淹沒情況；通過模擬分析賈峪河倒虹吸處的淹沒水深、淹沒時長和流速等特征數(shù)據(jù)，認為常莊水庫“7·20”強降雨期間泄洪未對下游賈峪河倒虹吸安全產(chǎn)生明顯影響。考慮水庫最大下泄流量550 m3／s 已基本達到倒虹吸校核標準，倒虹吸入口處已存在較大淹沒范圍，建議進一步加強對渠坡的防沖保護，并設(shè)置必要的監(jiān)測設(shè)施。