王宏偉，邱俊楠，何 勇

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

修建大壩、利用水庫攔蓄和調(diào)節(jié)天然徑流，是防汛抗旱和開發(fā)利用水資源的需要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國已建成各類水庫98822座，水庫總庫容8953億m3。 其中，大型水庫736座， 總庫容7117億m3， 占全部總庫容的79.5%；中型水庫3954座，總庫容1126億m3，占全部總庫容的12.6%［1］。 大規(guī)模的水庫大壩建設(shè)對(duì)防洪安全、農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水、航運(yùn)交通、水電開發(fā)、漁業(yè)發(fā)展、旅游開發(fā)等發(fā)揮了重要作用，為社會(huì)快速發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的水利保障， 也產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。 但由于洪水超標(biāo)準(zhǔn)、工程質(zhì)量缺陷、運(yùn)行管理不當(dāng)、歷史欠賬較多等原因［2］，大壩潰決事故時(shí)有發(fā)生，如河南駐馬店板橋水庫、山西東榆林水庫、青海溝后水庫、吉林大河水庫、浙江沈家坑水庫等潰決事故。為了保障大壩下游地區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，有必要開展?jié)魏樗當(dāng)?shù)值模擬， 構(gòu)建應(yīng)用廣泛、 計(jì)算穩(wěn)定、可靠性高的MIKE模型［3］，模擬分析某水庫潰壩洪水流量、淹沒面積、淹沒水深、洪水到達(dá)時(shí)間，為工程設(shè)計(jì)、工程管理、應(yīng)急預(yù)案編制等提供參考。

研究水庫位于四川省成都市大邑縣境內(nèi)， 是一座以城鄉(xiāng)供水、防洪保安為主，兼顧灌溉、發(fā)電等綜合利用的大（2）型水庫，供水對(duì)象為大邑縣城鄉(xiāng)、江河灌區(qū)、天府新區(qū)等。壩址處多年平均流量14m3/s，多年平均徑流量4.3億m3， 總庫容1.61億m3， 調(diào)節(jié)庫容1.28億m3。 正常蓄水位691m，死水位640m，設(shè)計(jì)洪水位691m，校核洪水位695.8m。壩型為瀝青混凝土心墻土石壩，壩頂軸線長282m，壩頂寬度10.0m，壩頂高程697.5m，最大壩高102.5m。 設(shè)計(jì)洪水為100年一遇，校核洪水為2000年一遇。

1 模型構(gòu)建

1.1 建模思路

分析淹沒區(qū)地形，將河道、防洪堤、阻水型路基、山體等作為淹沒邊界，確定潰壩洪水模擬范圍。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和測(cè)量， 修正地形數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換高程數(shù)據(jù)格式。 采用《重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目軟件名錄》推薦、廣泛使用、穩(wěn)定可靠的MIKE21軟件2014版，對(duì)模擬范圍進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分， 局部復(fù)雜地區(qū)加密網(wǎng)格，結(jié)合地形數(shù)據(jù)，采用自然鄰近法插值生成地形網(wǎng)格。將潰壩洪水過程作為入流邊界，下游出口處水位作為出流邊界，同時(shí)結(jié)合遙感影像和地形圖，分類提取用地類型和糙率賦值。 在此基礎(chǔ)上構(gòu)建MIKE21潰壩洪水?dāng)?shù)值模型， 模擬和統(tǒng)計(jì)分析不同工況下洪水成果。

1.2 模擬范圍

研究水庫下游區(qū)域內(nèi)主要有江河、南河、斜江河及龍門山山脈等。江河在新場(chǎng)鎮(zhèn)出山谷流入平原，又經(jīng)桑園鎮(zhèn)，于邛崍城區(qū)西匯入南河。江河右岸為龍門山南段延伸山系，地勢(shì)起伏較大；左岸為平原區(qū)，平坦開闊。南河在江河匯入后，流經(jīng)固驛鎮(zhèn)、牟禮鎮(zhèn)，在棺山塘附近納斜江河。 南河右岸為磨子山、 紅巖子山、墩子山等山體，左岸為平原區(qū)，平坦開闊。斜江河位于江河?xùn)|部、南河北部，發(fā)源于大邑縣境內(nèi)邛崍山雄黃巖東麓，經(jīng)平原區(qū)蘇家鎮(zhèn)、安仁鎮(zhèn)、羊安鎮(zhèn)，于棺山塘附近匯入南河。 分析水庫下游地區(qū)水系、地形，并結(jié)合1∶50000地形圖、水文匯水計(jì)算，確定計(jì)算范圍為西至龍門山南段延伸山系，南至磨子山、紅巖子山、墩子山等，北部和東部至斜江河，模擬范圍總面積775.7km2。

1.3 地形數(shù)據(jù)與網(wǎng)格剖分

地形數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)，空間分辨率為30m。 在模擬范圍內(nèi)采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格， 河道外網(wǎng)格最大邊長200m，河道內(nèi)網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格邊長40m，共生成約20萬個(gè)網(wǎng)格。

1.4 邊界條件

入流邊界位于江河水庫回水末端、南河高山頂，多年平均洪峰流量分別為671，1298m3/s。出流邊界位于南河棺山塘，設(shè)置為自由出流。

1.5 糙率確定

根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》和當(dāng)?shù)睾拥乐卫斫?jīng)驗(yàn)［4］，河道糙率取0.035，灘地糙率取0.07，農(nóng)田取0.06，村鎮(zhèn)取0.1。

1.6 計(jì)算工況

研究水庫大壩為瀝青混凝土心墻土石壩。 結(jié)合國內(nèi)潰壩事件統(tǒng)計(jì)和大壩潰決模型試驗(yàn)［5］等分析結(jié)果，根據(jù)《潰壩洪水模擬技術(shù)規(guī)程》《水利水電工程潰壩洪水模擬技術(shù)規(guī)程》，設(shè)置漫頂全潰、管涌半潰、漫頂半潰3種計(jì)算工況，潰壩歷時(shí)2h，潰口均為梯形，具體參數(shù)如下。

（1）漫頂全潰：壩前水位超過壩頂高程（697.5m），發(fā)生漫頂全潰。 潰口頂高697.5m， 底高595m； 頂寬282m，底寬41m。

（2）管涌半潰：壩前水位超過設(shè)計(jì)洪水位（691m），發(fā)生管涌半潰，潰口頂高646.25m，底高595m；頂寬155m，底寬41m。

（3）漫頂半潰：壩前水位超過壩頂高程（697.5m），發(fā)生漫頂半潰。 潰口頂高697.5m，底高646.25m；頂寬282m，底寬155m。

2 結(jié)果分析

2.1 漫頂全潰計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)水庫壩前水位漲至壩頂高程697.5m時(shí)， 發(fā)生漫頂全潰，潰壩歷時(shí)2h。

2.1.1 潰壩流量

壩址處發(fā)生潰壩1.5h時(shí)流量達(dá)到峰值，洪峰流量為22591m3/s，潰壩發(fā)生5h后，壩址處流量為698m3/s，與水庫入流基本一致； 南河棺山塘斷面處發(fā)生潰壩12h時(shí)，流量達(dá)到峰值，洪峰流量為4272m3/s，潰壩發(fā)生25h后，南河棺山塘斷面處流量為2145m3/s，與上游入流基本一致。

2.1.2 淹沒面積及水深

發(fā)生漫頂全潰時(shí)，最大淹沒范圍為308km2，淹沒水深在0.1～3.5m之間。 水庫下游“一市九鎮(zhèn)”均被不同程度淹沒，其中三岔鎮(zhèn)、高埂鎮(zhèn)淹沒水深在0.5m以下，新場(chǎng)鎮(zhèn)、王泗鎮(zhèn)、桑園鎮(zhèn)、南君平鄉(xiāng)、前進(jìn)鎮(zhèn)淹沒水深在0.5～1m之間，邛崍市區(qū)、固驛鎮(zhèn)、牟禮鎮(zhèn)淹沒水深在1～1.8m之間。

2.1.3 洪水到達(dá)時(shí)間

發(fā)生漫頂全潰后，新場(chǎng)鎮(zhèn)、桑園鎮(zhèn)洪水到達(dá)時(shí)間不足2h，王泗鎮(zhèn)、南君平鄉(xiāng)、邛崍市區(qū)、三岔鎮(zhèn)、前進(jìn)鎮(zhèn)、固驛鎮(zhèn)的洪水到達(dá)時(shí)間為2～4h，高埂鎮(zhèn)洪水到達(dá)時(shí)間為4～6h，牟禮鎮(zhèn)洪水到達(dá)時(shí)間超過6h。

2.2 管涌半潰計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)水庫壩前水位超過設(shè)計(jì)洪水位691m時(shí)， 發(fā)生管涌半潰，潰壩歷時(shí)2h。

2.2.1 潰口流量

壩址處發(fā)生潰壩1.8h時(shí)流量到達(dá)峰值， 洪峰流量20165m3/s，潰壩發(fā)生5h后，壩址處流量695m3/s，與水庫入流基本一致； 南河棺山塘斷面處發(fā)生潰壩12h時(shí)流量達(dá)到峰值，洪峰流量4104m3/s，潰壩發(fā)生25h后，南河棺山塘斷面處流量2049m3/s，與上游入流基本一致。

2.2.2 淹沒面積及水深

發(fā)生管涌半潰時(shí)，最大淹沒范圍為290km2，淹沒水深在0.1～3.0m之間。 “一市九鎮(zhèn)”均被不同程度淹沒，其中三岔鎮(zhèn)、高埂鎮(zhèn)、王泗鎮(zhèn)、桑園鎮(zhèn)、南君平鄉(xiāng)淹沒水深在0.5m以下， 新場(chǎng)鎮(zhèn)、 前進(jìn)鎮(zhèn)淹沒水深在0.5～1m之間，邛崍市區(qū)、固驛鎮(zhèn)、牟禮鎮(zhèn)淹沒水深在1～1.7m之間。

2.2.3 洪水到達(dá)時(shí)間

發(fā)生管涌半潰后，新場(chǎng)鎮(zhèn)、桑園鎮(zhèn)洪水到達(dá)時(shí)間不足2h，王泗鎮(zhèn)、南君平鄉(xiāng)、邛崍市區(qū)的洪水到達(dá)時(shí)間為2～4h，三岔鎮(zhèn)、前進(jìn)鎮(zhèn)、固驛鎮(zhèn)、高埂鎮(zhèn)的洪水到達(dá)時(shí)間為4～6h，牟禮鎮(zhèn)的洪水到達(dá)時(shí)間在6h以上。

2.3 漫頂半潰計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)水庫壩前水位漲至壩頂高程697.5m時(shí)， 發(fā)生漫頂半潰，潰壩歷時(shí)2h。

2.3.1 潰壩流量

壩址處發(fā)生潰壩2h時(shí)流量到達(dá)峰值， 洪峰流量為14313m3/s，潰壩發(fā)生10h后，壩址處流量為700m3/s，與水庫入流基本一致； 南河棺山塘斷面處發(fā)生潰壩8.5h時(shí)流量達(dá)到峰值，洪峰流量為3674m3/s，潰壩發(fā)生25h后，南河棺山塘斷面處流量為2070m3/s，與上游入流基本一致。

2.3.2 淹沒面積及水深

發(fā)生漫頂半潰時(shí)，最大淹沒范圍為227km2，淹沒水深在0.1～2.7m之間，水庫下游“一市九鎮(zhèn)”均被不同程度淹沒，其中三岔鎮(zhèn)、高埂鎮(zhèn)、新場(chǎng)鎮(zhèn)、王泗鎮(zhèn)、桑園鎮(zhèn)、南君平鄉(xiāng)、前進(jìn)鎮(zhèn)淹沒水深在0.5m以下，邛崍市區(qū)淹沒水深在0.5～1m之間，固驛鎮(zhèn)、牟禮鎮(zhèn)淹沒水深在1～1.5m之間。

2.3.3 洪水到達(dá)時(shí)間

發(fā)生漫頂全潰后，新場(chǎng)鎮(zhèn)洪水到達(dá)時(shí)間不足2h，桑園鎮(zhèn)、王泗鎮(zhèn)、南君平鄉(xiāng)、邛崍市區(qū)的洪水到達(dá)時(shí)間為2～4h，三岔鎮(zhèn)、前進(jìn)鎮(zhèn)、固驛鎮(zhèn)的洪水到達(dá)時(shí)間為4～6h，高埂鎮(zhèn)、牟禮鎮(zhèn)的洪水到達(dá)時(shí)間在6h以上。潰壩洪水主要成果對(duì)比如表1。

表1 潰壩洪水主要成果對(duì)比

3 結(jié)語

以成都市大邑縣內(nèi)某水庫作為研究對(duì)象，采用應(yīng)用廣泛、穩(wěn)定可靠的MIKE軟件，構(gòu)建水庫潰壩洪水?dāng)?shù)值模型，模擬了漫頂全潰、管涌半潰、漫頂半潰3種計(jì)算工況，從洪峰流量、淹沒面積、淹沒水深、淹沒到達(dá)時(shí)間等方面進(jìn)行分析，洪水影響由大到小依次為漫頂全潰、管涌半潰、漫頂半潰。 潰壩洪水模擬研究作為非工程措施的重要組成部分， 可提高社會(huì)、公眾及水庫管理單位應(yīng)對(duì)突發(fā)事件能力，降低大壩運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，有利于最大程度保障下游人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全， 將水庫洪水災(zāi)害損失降至最低，同時(shí)研究成果也為水庫工程管理、應(yīng)急管理等提供重要參考依據(jù)。