山丘区水库溃坝洪水数值模拟研究

秦巧丽，李光吉，石　飞

（山东省水利勘测设计院，山东 济南 250014）

山东省昌乐县利用亚行贷款地下水漏斗区域综合治理示范工程主要建设内容为南寨水库增容，按照亚行的保障政策要求，需要对南寨水库大坝加高后进行风险分析及安全评估。据此，本研究采用Mike 21水动力模块模拟计算分析并运用GIS技术，开展了以南寨水库为实例的山丘区水库溃坝分析，以支持该项目的顺利实施。

1　工程概况

南寨水库设计洪水标准为50年一遇，校核标准为1000年一遇；扩建后，水库总库容1036万m3，兴利库容820万m3，死库容66.1万m3。在满足生态用水的前提下，可拦蓄小丹河径流量249万m3，同时还可调蓄自汶河流域善庄拦河坝年均汛期调水516万m3，在2020规划水平年可向昌乐城区日供水1.77万t，年供水量646万m3。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、放水洞、取水泵站以及桥梁等部分组成。大坝为壤土均质坝，全长1 285 m，坝顶高程118.90 m，防浪墙顶高程119.90 m，坝顶宽7.5 m。

2　溃坝洪水数值模拟

2.1　计算区域

水库溃坝洪水数值模拟以1/10 000昌乐县地形图为基础、以南寨水库扩建设计和指标为依据进行相关的计算。

根据水库增容设计、地形地貌，设计洪水等确定模拟范围上游自南寨水库北侧坝体处，下游至昌乐县城以北，南北向长度约为16.15 km；左侧自昌乐县城边界向东至县城东部边界山区，宽度约为10.8 km，总模拟区域面积为174.42 km2。

2.2　溃口参数的确定

溃坝洪水淹没分析采用二维水动力方程，上游边界条件为溃口处流量过程，下游及左右边界条件为陆地边界。水库溃坝工况为在校核洪水位条件下发生溃坝，溃坝底高程为坝体与坝基结合处。经计算，南寨水库溃口平均宽度为160 m，最大溃坝流量为4 730 m3/s。溃坝流量过程计算成果，见表1。

2.3　溃坝洪水过程数值模拟计算

本次研究重点为模拟溃坝洪水向下游地区的传播状况以及淹没范围的变化，采用丹麦水力研究所开发的MIKE21二维水动力学模型。

1）某时刻模拟计算成果。根据模型计算结果提取南寨水库溃坝后，洪水沿小丹河向下游传播过程中不同时刻的水深分布情况，如图1。

2）洪水淹没范围分析。根据Mike 21模拟计算生成成果，利用ArcGIS技术，采用克里金插值法进行插值得出不同时刻的淹没水深图及相应的等值线图，并将各水深图与昌乐县1/10 000地

表1溃坝流量过程计算成果表形图进行叠加，进而得出各时刻的淹没范围、包括淹没的村镇、道路、铁路等基础设施，该成果对南寨水库下游河道防洪决策具有一定的参考价值。

表1　溃坝流量过程计算成果表

图1　不同时刻洪水水深分布图

根据溃坝洪水模拟过程，南寨水库约60分钟后，洪水将到达昌乐县县城，以此时刻为例对溃坝60 min时的洪水淹没情况进行淹没范围分析。将MIKE21 HD模块的模拟计算的60 min时成果进行提取，并利用ArcGIS技术采用克里金插值法生成该时刻的水深分布等直线图，如图2示。

图2　溃坝60 min时水深等值线图

以图2为基础，将等值线图与昌乐县城1/10 000地形图进行坐标叠加对接，从而生成较为直观的溃坝60 min时的淹没范围图形。

从淹没图上可以直接看出，此刻洪水传播位置距离溃口11.62 km，最大流速为14.3 m3/s，位于距离溃口7.13 km处；最大水深为21.92 m，距离溃口6.78 km；此刻洪水淹没范围达到7.14 km2。

3　推广应用

山东省目前共建有各类水库计6 251座，其中山丘区大中型水库189座、小型水库5 281座，这些水库的建设无疑在当地区域防洪、灌溉等方面发挥了重要的作用，但同时也为区域防洪安全带来一定的风险。因此开展水库溃坝数值模拟研究，进而绘制洪水风险图作为一项有效的非工程措施的战略地位日益突显。因此，本次研究成果不仅仅是山东省亚行贷款项目中的一项重要内容，更是对未来山东省大中型水库洪水风险图的绘制、水库增容工程的设计、水库大坝的安全运行管理、制定区域防洪应急预案等方面都具有重要的参考价值和指导意义。

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