秦巧麗，李光吉，石　飛

（山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250014）

山東省昌樂縣利用亞行貸款地下水漏斗區(qū)域綜合治理示范工程主要建設(shè)內(nèi)容為南寨水庫(kù)增容，按照亞行的保障政策要求，需要對(duì)南寨水庫(kù)大壩加高后進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析及安全評(píng)估。據(jù)此，本研究采用Mike 21水動(dòng)力模塊模擬計(jì)算分析并運(yùn)用GIS技術(shù)，開展了以南寨水庫(kù)為實(shí)例的山丘區(qū)水庫(kù)潰壩分析，以支持該項(xiàng)目的順利實(shí)施。

1　工程概況

南寨水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇；擴(kuò)建后，水庫(kù)總庫(kù)容1036萬m3，興利庫(kù)容820萬m3，死庫(kù)容66.1萬m3。在滿足生態(tài)用水的前提下，可攔蓄小丹河徑流量249萬m3，同時(shí)還可調(diào)蓄自汶河流域善莊攔河壩年均汛期調(diào)水516萬m3，在2020規(guī)劃水平年可向昌樂城區(qū)日供水1.77萬t，年供水量646萬m3。水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道、放水洞、取水泵站以及橋梁等部分組成。大壩為壤土均質(zhì)壩，全長(zhǎng)1 285 m，壩頂高程118.90 m，防浪墻頂高程119.90 m，壩頂寬7.5 m。

2　潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬

2.1　計(jì)算區(qū)域

水庫(kù)潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬以1/10 000昌樂縣地形圖為基礎(chǔ)、以南寨水庫(kù)擴(kuò)建設(shè)計(jì)和指標(biāo)為依據(jù)進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。

根據(jù)水庫(kù)增容設(shè)計(jì)、地形地貌，設(shè)計(jì)洪水等確定模擬范圍上游自南寨水庫(kù)北側(cè)壩體處，下游至昌樂縣城以北，南北向長(zhǎng)度約為16.15 km；左側(cè)自昌樂縣城邊界向東至縣城東部邊界山區(qū)，寬度約為10.8 km，總模擬區(qū)域面積為174.42 km2。

2.2　潰口參數(shù)的確定

潰壩洪水淹沒分析采用二維水動(dòng)力方程，上游邊界條件為潰口處流量過程，下游及左右邊界條件為陸地邊界。水庫(kù)潰壩工況為在校核洪水位條件下發(fā)生潰壩，潰壩底高程為壩體與壩基結(jié)合處。經(jīng)計(jì)算，南寨水庫(kù)潰口平均寬度為160 m，最大潰壩流量為4 730 m3/s。潰壩流量過程計(jì)算成果，見表1。

2.3　潰壩洪水過程數(shù)值模擬計(jì)算

本次研究重點(diǎn)為模擬潰壩洪水向下游地區(qū)的傳播狀況以及淹沒范圍的變化，采用丹麥水力研究所開發(fā)的MIKE21二維水動(dòng)力學(xué)模型。

1）某時(shí)刻模擬計(jì)算成果。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果提取南寨水庫(kù)潰壩后，洪水沿小丹河向下游傳播過程中不同時(shí)刻的水深分布情況，如圖1。

2）洪水淹沒范圍分析。根據(jù)Mike 21模擬計(jì)算生成成果，利用ArcGIS技術(shù)，采用克里金插值法進(jìn)行插值得出不同時(shí)刻的淹沒水深圖及相應(yīng)的等值線圖，并將各水深圖與昌樂縣1/10 000地

表1潰壩流量過程計(jì)算成果表形圖進(jìn)行疊加，進(jìn)而得出各時(shí)刻的淹沒范圍、包括淹沒的村鎮(zhèn)、道路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施，該成果對(duì)南寨水庫(kù)下游河道防洪決策具有一定的參考價(jià)值。

表1　潰壩流量過程計(jì)算成果表

圖1　不同時(shí)刻洪水水深分布圖

根據(jù)潰壩洪水模擬過程，南寨水庫(kù)約60分鐘后，洪水將到達(dá)昌樂縣縣城，以此時(shí)刻為例對(duì)潰壩60 min時(shí)的洪水淹沒情況進(jìn)行淹沒范圍分析。將MIKE21 HD模塊的模擬計(jì)算的60 min時(shí)成果進(jìn)行提取，并利用ArcGIS技術(shù)采用克里金插值法生成該時(shí)刻的水深分布等直線圖，如圖2示。

圖2　潰壩60 min時(shí)水深等值線圖

以圖2為基礎(chǔ)，將等值線圖與昌樂縣城1/10 000地形圖進(jìn)行坐標(biāo)疊加對(duì)接，從而生成較為直觀的潰壩60 min時(shí)的淹沒范圍圖形。

從淹沒圖上可以直接看出，此刻洪水傳播位置距離潰口11.62 km，最大流速為14.3 m3/s，位于距離潰口7.13 km處；最大水深為21.92 m，距離潰口6.78 km；此刻洪水淹沒范圍達(dá)到7.14 km2。

3　推廣應(yīng)用

山東省目前共建有各類水庫(kù)計(jì)6 251座，其中山丘區(qū)大中型水庫(kù)189座、小型水庫(kù)5 281座，這些水庫(kù)的建設(shè)無疑在當(dāng)?shù)貐^(qū)域防洪、灌溉等方面發(fā)揮了重要的作用，但同時(shí)也為區(qū)域防洪安全帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此開展水庫(kù)潰壩數(shù)值模擬研究，進(jìn)而繪制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖作為一項(xiàng)有效的非工程措施的戰(zhàn)略地位日益突顯。因此，本次研究成果不僅僅是山東省亞行貸款項(xiàng)目中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，更是對(duì)未來山東省大中型水庫(kù)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的繪制、水庫(kù)增容工程的設(shè)計(jì)、水庫(kù)大壩的安全運(yùn)行管理、制定區(qū)域防洪應(yīng)急預(yù)案等方面都具有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

[1]謝鑒衡.河流模擬[M].北京電力出版社，1990.

[2]戴明龍，黃燕，李中平.多支流多水庫(kù)潰壩洪水計(jì)算[J].水利水電科技進(jìn)展.

[3]李杰友，吳永強(qiáng)，楊樹灘，等.泉水水庫(kù)潰壩洪水模擬計(jì)算[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002,30（6）：1-5.

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