“7·20”強(qiáng)降雨影響下的常莊水庫(kù)泄洪風(fēng)險(xiǎn)分析

栗毓敏，李子陽(yáng)，陳 誠(chéng)，陳冠英

（1.鄭州市常莊水庫(kù)管理處，河南 鄭州 450042；2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(kù)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(kù)控制流域面積82 km2，正常蓄水位130.00 m，死水位118.93 m。水庫(kù)按100 a一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水位131.34 m，庫(kù)容1 102萬(wàn)m3；5 000 a 一遇洪水校核，相應(yīng)校核洪水位135.07 m，總庫(kù)容1 708 萬(wàn)m3。水庫(kù)功能以防洪為主，兼顧城市應(yīng)急供水。水庫(kù)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(guó)道及京廣客運(yùn)專(zhuān)線等重要基礎(chǔ)設(shè)施，水庫(kù)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(guó)大陸氣象觀測(cè)記錄歷史極值，最大24 h 雨量696.9 mm 出現(xiàn)在常莊水庫(kù)附近（尖崗站）。“7·20”強(qiáng)降雨影響下常莊水庫(kù)水位、蓄水量快速上升，并產(chǎn)生了較大流量泄洪，對(duì)下游防洪風(fēng)險(xiǎn)帶來(lái)一定影響。尤其下游的南水北調(diào)中線干渠距水庫(kù)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(yùn)行安全。本文通過(guò)“7·20”強(qiáng)降雨期間的庫(kù)水位變化、水庫(kù)調(diào)度方式及水位庫(kù)容泄量關(guān)系等資料，推算“7·20”強(qiáng)降雨產(chǎn)生的入庫(kù)流量及泄水過(guò)程，借助無(wú)人機(jī)航拍獲取下游區(qū)間的地形數(shù)據(jù)，基于二維水動(dòng)力學(xué)模型反演分析“7·20”強(qiáng)降雨期間的水庫(kù)泄洪淹沒(méi)情況；通過(guò)模擬分析獲取水庫(kù)下游至賈峪河倒虹吸處的淹沒(méi)水深、淹沒(méi)時(shí)長(zhǎng)和流速等特征數(shù)據(jù)，據(jù)此分析“7·20”強(qiáng)降雨期間的倒虹吸泄洪安全性，對(duì)常莊水庫(kù)泄洪引起的洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)估，并提出水庫(kù)泄洪風(fēng)險(xiǎn)防御的建議和對(duì)策。

1 “7·20”強(qiáng)降雨期間常莊水庫(kù)泄洪分析

1.1 降雨分析

2021 年7 月20 日前后，鄭州遭遇罕見(jiàn)持續(xù)強(qiáng)降水天氣過(guò)程。根據(jù)河南省水利廳、鄭州氣象局、中央氣象臺(tái)等信息［1］，2021 年7 月17 日8：00 至23 日8：00全市累計(jì)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(diǎn)雨量201.9 mm（鄭州站，7 月20 日16：00—17：00），突破我國(guó)大陸氣象觀測(cè)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(qiáng)降雨產(chǎn)生的小時(shí)降水、單日降水均已突破自1951 年鄭州站建站以來(lái)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(shí)雨量為7 月20 日15：00—16：00的192.1 mm。其中降雨強(qiáng)度集中的7 月20 日8：00至22 日7：00 常莊水庫(kù)降雨逐小時(shí)分布情況見(jiàn)圖1。

圖1 常莊水庫(kù)“7·20”強(qiáng)降雨期間降雨量

1.2 入庫(kù)洪水及泄洪分析

“7·20”強(qiáng)降雨期間常莊水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式如下：7 月19 日8：00 庫(kù)水位開(kāi)始上漲，7 月20 日8：00水位超汛限水位達(dá)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(shí)輸水洞按3 m3／s流量開(kāi)閘泄洪，溢洪道未泄洪；7 月20 日12：30輸水洞閘門(mén)全開(kāi)泄洪；15：20 庫(kù)水位128.94 m，溢洪道閘門(mén)全開(kāi)泄洪；7 月20 日19：10 庫(kù)水位最高達(dá)131.31 m；此后水位逐步回落，20：30 庫(kù)水位130.84 m，水庫(kù)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(qiáng)降雨期間常莊水庫(kù)水位、蓄水量變化過(guò)程線見(jiàn)圖2。

圖2 常莊水庫(kù)“7·20”強(qiáng)降雨期間庫(kù)水位、蓄水量變化過(guò)程線

根據(jù)水庫(kù)水位—泄流量關(guān)系、2020 年水庫(kù)新測(cè)的淤積庫(kù)容曲線及“7·20”期間的水庫(kù)調(diào)度情況記錄，通過(guò)流量平衡推算水庫(kù)入庫(kù)流量及下泄流量見(jiàn)圖3。由計(jì)算可知，“7·20”強(qiáng)降雨產(chǎn)生的最大入庫(kù)流量為816 m3／s，最大24 h 入庫(kù)洪量約為1 765 萬(wàn)m3，最大出庫(kù)流量為550 m3／s。

圖3 常莊水庫(kù)“7·20”強(qiáng)降雨期間入庫(kù)流量與下泄流量變化過(guò)程

2 “7·20”強(qiáng)降雨期間常莊水庫(kù)泄洪淹沒(méi)反演分析

2.1 地形測(cè)量與建模

受城區(qū)建設(shè)影響，水庫(kù)下游地形條件變化較大，采用無(wú)人機(jī)航拍獲取地形數(shù)據(jù)。根據(jù)分析需要，通過(guò)無(wú)人機(jī)拍攝常莊水庫(kù)下游至賈峪河倒虹吸段的多幅圖像，拍攝時(shí)間為2022 年3 月10—11 日，該時(shí)段水庫(kù)通過(guò)輸水洞下泄流量為27 L／s。基于運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)（Structure From Motion，SFM）技術(shù)［2－3］從包含視覺(jué)運(yùn)動(dòng)信息的二維圖像序列中恢復(fù)三維結(jié)構(gòu)，構(gòu)建該區(qū)域地形數(shù)據(jù)，以進(jìn)行常莊水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水下泄的淹沒(méi)分析。

SFM 的基本原理是在相機(jī)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)圖像的特征點(diǎn)匹配，建立不同視角拍攝圖像的場(chǎng)景點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；再根據(jù)多視圖幾何原理，優(yōu)化計(jì)算得到這些場(chǎng)景點(diǎn)的三維坐標(biāo)和相機(jī)的位姿參數(shù)，從而生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

根據(jù)無(wú)人機(jī)拍攝圖像對(duì)常莊水庫(kù)溢洪道和輸水洞兩個(gè)泄洪通道區(qū)域進(jìn)行地形測(cè)量和三維建模，分析所得地形高程如圖4 所示，其中測(cè)量范圍內(nèi)兩條公路橋的橋下地形根據(jù)周?chē)匦巫兓厔?shì)插值獲取。

圖4 常莊水庫(kù)下游分析區(qū)域地形高程

采用三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，對(duì)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(jìn)行了局部加密，網(wǎng)格最小邊長(zhǎng)為5 m，周邊區(qū)域網(wǎng)格最小邊長(zhǎng)設(shè)置為10 m，由此建立有限元計(jì)算模型。

2.2 參數(shù)反演

“7·20”強(qiáng)降雨期間水庫(kù)泄洪下游淹沒(méi)水深缺乏記錄資料，根據(jù)當(dāng)時(shí)下游最大淹沒(méi)水深時(shí)的照片，對(duì)照大壩典型斷面圖，估算下游最大淹沒(méi)高程約為114.50 m。

依據(jù)航測(cè)高精度地形圖，采用MIKE21 水動(dòng)力模型［3－4］，根據(jù)常莊水庫(kù)“7·20”強(qiáng)降雨期間下泄流量過(guò)程進(jìn)行洪水演進(jìn)分析。采用現(xiàn)場(chǎng)照片估算的淹沒(méi)水深，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)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(shù)以及矮小農(nóng)作物，取0.040。計(jì)算常莊水庫(kù)下游至賈峪河倒虹吸區(qū)域最大淹沒(méi)水深，如圖5 所示。根據(jù)模型計(jì)算的最大淹沒(méi)范圍時(shí)的下游最高水位為114.37 m，與現(xiàn)場(chǎng)巡查記錄情況基本吻合。

圖5 “7·20”強(qiáng)降雨期間水庫(kù)下游最大淹沒(méi)水深

3 泄洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

常莊水庫(kù)下游行洪通道賈峪河通過(guò)倒虹吸下穿南水北調(diào)中線干渠，距水庫(kù)溢洪道泄洪閘僅1 150 m。賈峪河倒虹吸100 a 一遇設(shè)計(jì)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(kù)的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a 一遇，相應(yīng)最大泄洪流量565 m3／s，5 000 a 一遇校核，相應(yīng)最大泄洪流量1 500 m3／s。可以看出，賈峪河倒虹吸設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)與常莊水庫(kù)現(xiàn)狀設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)存在不一致的情況。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的不一致，導(dǎo)致常莊水庫(kù)在設(shè)計(jì)洪水下泄時(shí)可能對(duì)南水北調(diào)中線干渠正常運(yùn)行帶來(lái)不利影響。通過(guò)“7·20”強(qiáng)降雨期間常莊水庫(kù)泄洪分析可以看出，水庫(kù)最大下泄流量550 m3／s 已基本達(dá)到倒虹吸校核標(biāo)準(zhǔn)，需對(duì)其在“7·20”強(qiáng)降雨期間的安全泄洪情況進(jìn)行分析。分析思路為：首先分析“7·20”強(qiáng)降雨期間常莊水庫(kù)泄洪引起的下游倒虹吸處的淹沒(méi)水深、流速和淹沒(méi)時(shí)長(zhǎng)，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(méi)水深及時(shí)長(zhǎng)分析

根據(jù)“7·20”強(qiáng)降雨期間的洪水演進(jìn)分析，提取賈峪河倒虹吸處水深及時(shí)長(zhǎng)等特征數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖6 和圖7），結(jié)果表明：20 日19：30 賈峪河倒虹吸處淹沒(méi)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(hù)坡，護(hù)坡護(hù)至114.90 m高程。對(duì)比可見(jiàn)，洪水最大淹沒(méi)范圍已接近渠道坡腳位置，但尚未對(duì)坡腳造成直接沖刷，“7·20”強(qiáng)降雨期間常莊水庫(kù)泄洪未對(duì)賈峪河倒虹吸及該段渠道產(chǎn)生明顯淹沒(méi)影響。

圖6 “7·20”強(qiáng)降雨期間倒虹吸處最大淹沒(méi)水深

圖7 “7·20”強(qiáng)降雨期間倒虹吸處淹沒(méi)歷時(shí)

3.2 倒虹吸泄洪安全分析

圖8 為最大淹沒(méi)水深時(shí)所對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)。在淹沒(méi)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(méi)范圍還處于坡腳漿砌石護(hù)坡保護(hù)范圍，且淹沒(méi)歷時(shí)較短，未對(duì)渠道外坡產(chǎn)生淘刷影響。

圖8 倒虹吸最大淹沒(méi)水深時(shí)的流場(chǎng)

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(qiáng)降雨期間在常莊水庫(kù)產(chǎn)生的最大入庫(kù)流量為816 m3／s（發(fā)生時(shí)間為20 日18：00），經(jīng)水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度最大出庫(kù)流量為550 m3／s（發(fā)生時(shí)間為20 日19：00），接近水庫(kù)100 a一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)的最大泄洪流量（565 m3／s），也與水庫(kù)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(dāng)。

水庫(kù)下游至賈峪河倒虹吸段“7·20”強(qiáng)降雨期間的洪水演進(jìn)分析結(jié)果表明，20 日19：30 賈峪河倒虹吸處淹沒(méi)水深最大，此時(shí)最高水位為114.37 m，洪水最大淹沒(méi)范圍已接近渠道坡腳114.90 m 高程，未對(duì)坡腳造成直接沖刷；在淹沒(méi)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(hù)坡保護(hù)，未對(duì)渠道外坡產(chǎn)生明顯淘刷，這與“7·20”強(qiáng)降雨后的巡查結(jié)果一致。但水庫(kù)最大下泄流量時(shí)倒虹吸入口處已存在較大淹沒(méi)范圍，建議加強(qiáng)對(duì)渠坡的防沖保護(hù)，并設(shè)置必要的視頻監(jiān)控設(shè)施。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)分析了“7·20”強(qiáng)降雨影響下鄭州市常莊水庫(kù)洪水下泄風(fēng)險(xiǎn)。首先通過(guò)水庫(kù)調(diào)度記錄推算了“7·20”強(qiáng)降雨導(dǎo)致的洪水入庫(kù)和泄水過(guò)程，繼而通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)構(gòu)建了水庫(kù)下游分析區(qū)域地形數(shù)據(jù)，借助二維水動(dòng)力學(xué)模型反演分析了“7·20”強(qiáng)降雨期間的水庫(kù)泄洪下游淹沒(méi)情況；通過(guò)模擬分析賈峪河倒虹吸處的淹沒(méi)水深、淹沒(méi)時(shí)長(zhǎng)和流速等特征數(shù)據(jù)，認(rèn)為常莊水庫(kù)“7·20”強(qiáng)降雨期間泄洪未對(duì)下游賈峪河倒虹吸安全產(chǎn)生明顯影響。考慮水庫(kù)最大下泄流量550 m3／s 已基本達(dá)到倒虹吸校核標(biāo)準(zhǔn)，倒虹吸入口處已存在較大淹沒(méi)范圍，建議進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)渠坡的防沖保護(hù)，并設(shè)置必要的監(jiān)測(cè)設(shè)施。