出山店水库溃坝洪水数值模拟研究

杨峰 倪玉芳 黄卫 刘金鑫

摘要：溃坝洪水严重威胁下游地区人民的生命财产安全，准确预测溃坝洪水的影响范围至关重要。针对出山店水库的溃坝洪水，应用高精度二维浅水动力学模型模拟洪水在下游河道的演进过程，采用洪水灾害风险指标量化洪水的灾害程度，研究不同溃决情景下溃坝洪水的动力学特性、下游地区淹没范围和受灾程度的变化情况。结果表明：溃坝初始阶段淹没面积增加主要与流量峰值有关，最终淹没面积大小与溃决后水库下泄水量密切相关。

关键词：溃坝洪水;数值模拟;洪水演进;淹没范围;灾害指标;出山店水库

中图分类号：P333.2;TV61

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01. 006

我国是世界上建坝最多的国家，已建、在建30 m以上大坝5 733座。这些大坝在社会经济发展中起到了重要作用，但是溃坝洪水灾害是无情的，一旦大坝失事，将对下游地区人民生命财产和生态环境造成毁灭性破坏。尽管溃坝发生概率极低，但是并非完全不可能（据统计.1954-2005年全国共有3 486座水库垮坝），尤其在极端气候变化环境下，溃坝发生的风险明显增加[1]，因此，提高堤坝溃决洪水的预报水平，建立洪水灾害风险评估系统和制定合理的溃坝洪水应急预案，增强防御溃坝洪水灾害的能力十分必要。采用水动力学模型对水库极端洪水一溃坝洪水及其影响区域开展深入系统的研究，可以为制定有效的洪水风险应急预案提供科学依据[2]。本文对出山店水库溃坝洪水开展系统的二维水动力数值模拟研究，揭示坝址下游河槽逐渐展宽且部分堤防缺失环境下，不同坝前水位、不同溃坝情景溃坝洪水动力学特性及其影响范围。

1 工程背景

出山店水库是淮河干流上游以防洪为主、综合利用的大型水利枢纽工程，控制流域面积2 900 km2，多年平均天然径流量11.13亿m3。大坝分为土坝段（长3 261.00 m）和混凝土坝段（长429.57 m）。坝址以上属山区河流，洪水陡涨陡落。坝址以下两岸地形逐渐开阔，河谷呈U形，河床为中、粗砂覆盖，有少量砾石和卵石，水浅流缓。

2 二维溃坝洪水动力学模型

2.1 控制方程

数学模型的基本控制方程包括水流连续方程和水

本文模型采用基于无结构化网格的有限体积法离散控制方程，采用HLLC近似黎曼算子[3]计算界面通量。模型中设置监测水深hTOL，用于分辨单元（或节点）干湿情况，即当单元（或节点）水深小于hTOL时，单元（或节点）为干，否则为湿;本文取hTOL=1.0x10^-6m。

式（4）中的源项由底坡项和阻力项组成，对于源项的处理得当与否直接影响着模型的稳定性和精度。对于底坡项而言，已经有相当多的研究成果，本文采用

采用一般的顯式方法处理阻力项，在模拟计算时，一旦遇到小水深情况时经常会出现数值不稳定现象，特别是在干湿边界附近，甚至会导致模型崩溃。为了避免这种情况的发生，本文采用全隐式方法处理阻力项，过程如下。

动量方程式（2）和式（3）涉及阻力坡度，本文采用Manning糙率系数n来计算床面的综合阻力。考虑到溃坝洪水会淹没河漫滩，而河漫滩上植被较为丰富，与主河槽存在较大的阻力差异，故将河道糙率划分为主河槽和河漫滩两部分，其中主河槽内取0.025，河漫滩取0.050。为了节约计算时间，提高计算效率，采用多核并行技术OpenMP对程序进行并行处理。定解条件包括初始条件和边界条件。初始条件为下游Sa-遇和20 a一遇洪水。上游边界为坝址处流量过程，下游边界为王家坝闸断面水位一流量关系。

3 计算条件

根据出山店水库大坝特征及入库洪水特性，最有可能出现的坝体溃决情形是极端入库洪水导致土坝部分坝段溃决，从而诱发极端洪水。

本文考虑100 a一遇洪水水位（90.25 m）和正常蓄水位（88 m）条件下土石坝段发生溃坝情况。鉴于水库下游的堤防标准尚未达到50 a一遇标准，并且该水库防洪目的为“按照流域规划，近期出山店水库的兴建可使淮河干流的防洪标准由现状不到10 a一遇提高到近20 a一遇”，因此选用坝址下游5a-遇和20 a一遇两种洪水情况作为初始条件即能满足本次研究的需求，即在溃坝洪水情形下，分别考虑下游同时发生3 850 m3/s和7 620 m3/s两种流量洪水与其叠加的情况（工况汇总情况见表1）。

根据相关研究成果，估计大坝溃口宽度为533 m。土石坝溃决主要为渐进溃决破坏，本研究假设土石坝溃决为渐进溃决，溃口形状为梯形，边坡系数为1.0，溃口底部高程均采用74 m，溃口宽度533 m.溃口发展历时为2h，忽略溃决水位以上大坝结构对溃口发展过程的影响。溃决发展过程中，同时考虑通过水工建筑物下泄的流量。采用溃口处宽顶堰流公式[5]、来流和下泄水量平衡方程、水位库容曲线联合求解，得到坝址处流量过程线（见图1）。

4 计算结果分析

4.1 典型断面洪水过程

为了详细描述溃坝洪水演进过程与特征，且工况2洪水淹没范围最大，因此选取工况2下9个典型断面的洪水过程进行分析（见图2）。

从图2可以看出，洪水经过0.45 h到达杨山寺，在2.16 h达到峰值，峰值流量为35 595 m3/s.到17.48 h流量回落到7 620 m3/s（下游20 a-遇洪水峰值）以下，之后断面流量过程主要受入库流量影响。洪水经过1.57 h到达长台关，在4.1 h达到峰值，峰值流量为33 593 m3/s.到19.68 h流量回落到7 620 m3/s以下。洪水经过2.36 h到达薛庄，在5.23 h达到峰值，峰值流量为25 255 m3/s.到21.4 h流量回落到7 620 m3/s以下。洪水经过4.12 h到达陡沟，在9.23 h达到峰值，峰值流量为17 332 m3/s，到25.83 h流量回落到7 620 m3/s以下。洪水经过5.45 h到达潘店，在12.53h达到峰值，峰值流量为13 801 1113/S.到32.83 h流量回落到7 620 m3/s以下。洪水经过10.15 h到达息县，在25.63 h达到峰值，峰值流量约为10 170 m3/s.到48.00 h流量回落到7 620 m3/s。洪水经过20.20 h到达长陵乡，在36.78 h达到洪水峰值为7 756 m3/s。长陵乡在40.08 h达到峰值7 019 II13/S.这表明溃坝洪水在长陵乡没有形成20 a一遇洪峰，流量峰值主要受入库洪水的影响。踅孜集及以下洪水峰值没有超过7 620 m3/s，这表明溃坝洪水在踅孜集及其下游河段没有形成20 a一遇洪峰，流量峰值主要受入库洪水的影响。从表2和图3可以看出，峰值水位和峰值流量沿程逐渐衰减，且衰减速率越来越小。对比不同断面洪水到达时间和出现峰值时间差可以看出，越往下游，洪水到达时间与出现峰值时间差值越大（见表2和图3），符合一般洪水传播规律。

从计算结果来看，洪水传播到长陵乡时，溃坝洪水的洪峰已经基本坦化，下游的峰值主要受入库洪水的影响。综上所述，在100 a一遇水位下溃坝洪水与下游20 a一遇洪水叠加工况下，溃坝洪水明显影响区域在长陵乡及其上游。究其原因，主要是大坝下游为平原地区，河槽迅速展宽，加上部分区域堤防缺失，因而溃坝洪水波急剧坦化，从而在其下游长陵乡以下河段峰值水位增幅很有限。

选取长台关、息县、淮滨的水位过程进行分析。从表2可以看出，长台关峰值水位为78.14 m，息县峰值水位为43.92 m（保证水位41 m），淮滨峰值水位为36.67 m（保证水位32.8 m）。息县和淮滨峰值水位都超过了保证水位，主要是下游20 a一遇洪水造成水位超过保证水位。

4.2 洪水淹没过程

将二维水动力模拟结果叠加在卫星图片上进行洪水淹没过程分析。图4为不同时刻淹没水深分布情况。从图4（a）中可以看出陡沟以上河段淹没范围集中在河道两侧;陡沟到断面E段淹没范围沿程逐渐扩大;潘店到息县段淹没范围宽度8 - 20 km;息县以下淹没范围先突然减小，然后沿程逐渐增加到长陵乡附近达到最大，淹没范围宽度约为20 km;长陵乡到踅孜集河段河道两岸淹没范围较小，踅孜集到淮滨的左岸淹没范围较大，淮滨以下两岸淹没范围皆较大。对比图4（a）和图4（b）可以看出，淹没范围增加段集中在陡沟到潘店段，陡沟以上河段淹没面积有所减少，淹没水深逐渐减小。对比图4（c）和图4（b）可以看出，息县以上区域淹没面积显著减少，踅孜集以下河段淹没面积变化不大。

为了更加直接地对洪水灾害进行评估，采用英国环境署制定的洪水灾害风险指标[6]量化洪水灾害程度。其中：灾害指标HR =h（1.5+√u2+v2），水深单位为m，流速单位为m/s。根据英国环境署的相应成果，HR<0.75为警告级别，0.75≤HR≤1.25为对老人、小孩和残疾人有危险级别.1.25 2.0为对所有人群都有危险级别。为了简便起见，本研究将HR<0.5视为安全，将HR>1.0视为危险。

图5为不同时刻灾害指标分布情况。从图5（a）可以看出在t=1 h时，虽然初始洪水会导致较大范围被淹没，但是HR>1.0的区域明显小于被淹没区域，这意味着虽然淹没范围很大，但高风险的区域要小得多。HR>1.O的区域主要集中在河道内，杨山寺一陡沟的河道两岸，潘店一息县河道两岸，长陵乡上游、踅孜集一淮滨左岸，淮滨以下河道两岸风险都较低。对比图5（b）与图5（a），灾害指标的增加区域集中在潘店附近，陡沟以上灾害指标减小，但多数区域仍处在高风险范围内。对比图5（c）与图5（b），息县以上灾害指标显著减小，潘店以上河段高风险区域显著减小，灾害指标仍然较大的区域主要集中在息县上游附近、长陵乡上游附近、踅孜集一淮滨左侧。

4.3 不同工况下典型断面洪水过程比较

长台关是出山店水庫下游控制站，因此选用其不同工况条件下的洪水过程进行比较。从图6可以看出，在100 a 一遇洪水位条件下发生溃决时洪水峰值流量较大，分别为工况1峰值流量34 223 m3/s和工况2峰值流量33 593 m3/s。在正常蓄水位条件下溃决洪水峰值流量较小，分别为工况3峰值流量21 133 m3/S和工况4峰值流量18 260 m3/s。4种溃决情景下，工况1峰值流量最大。杨山寺不同工况下流量对比情况与长台关类似（图7）。需要指出的是，工况3和工况4较为特殊，存在两个峰值，分别为溃坝洪水波峰值和水库上游100 a一遇来流洪水波峰值，其中工况3在杨山寺存在两个波峰，在长台关及以下河段，两个洪水波遭遇后发生合并，只存在一个波峰。

图8为不同工况下淹没面积随时间变化情况。从图8中可以看出下游遭遇5a-遇洪水情况下（工况1和工况3）淹没范围随时间都先快速增加然后缓慢增加，到达峰值后逐渐减小。工况1淹没面积比工况3要大，除初始阶段外，两种工况淹没面积变化幅度基本一致。其原因是初始阶段淹没面积增加主要与流量峰值有关，最终淹没面积大小与溃决后水库下泄水量密切相关。工况2由于只有一个洪峰，因此淹没面积也只有一个峰值。与之对应的是，工况4有两个洪峰，淹没面积也有两个峰值。淹没面积大小也与峰值流量正相关。工况2和工况4下泄洪量基本一致，淹没范围的差异主要由洪水峰值流量造成。下游遭遇20 a一遇洪水情况下（工况2和工况4），由于初始流量较大，因此淹没面积大于下游淹没5a一遇洪水情况（工况1和工况3）的淹没面积。但是由于下游遭遇20 a一遇洪水情况下初始面积已经很大，因此淹没范围增加幅度相对下游5a-遇洪水情况（工况1和工况3）小一些。

5 结论

（1）出山店水库坝址下游以平原为主，且堤防体系建设不完善，即使溃坝洪水峰值较小，淹没范围也较大。

（2）通过对不同情景溃坝洪水淹没范围变化过程比较发现，溃坝初始阶段淹没面积增加主要与流量峰值有关，最终淹没面积大小与溃决后水库下泄水量密切相关。

（3）溃决洪水主要影响息县以上河段，而对长陵乡及其下游河段的影响较小。

参考文献：

[1]王珊，梁斌锐，王占军，极端天气气候事件对大坝的致灾影响分析[J].中国农村水利水电，2013（1）：102-104.

[2]ZOPPOU C， ROBERTS S. Numerical Solution of the Two-Dimensional Unsteady Dam Break [J]. AppliedMathematical Modelling， 2000， 24（7） ： 457-475.

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[5]黄明海，金峰，杨文俊，不同河道状况下的堰塞坝溃坝洪水特性研究[J].人民长江，2008，39（22）：66-68.

[6]RAMSBOrITOM D.Flood and Coastal Defence R&D Programme，R&D Outputs： Flood Risks to People（ Phase 2 Project Re-cord， FD2321/TR2） [R] London： Defra and EnvironmentAgency， 2006： 71-74.

（责任编辑 许立新）

收稿日期：2019- 07 - 25

基金项目：河南省水利科技攻关计划项目（GG201803）

作者简介：杨峰（1975-），男，甘肃靖远人，高级工程师，主要从事水库建设管理工作