彩山水库溃坝洪水影响分析

官庆朔，姜钧耀，吴先敏，王成民，薛 霞

（1.青岛市水利勘测设计研究院有限公司，山东济南250013；2.山东省水利勘测设计院，山东 济南250013；3.日照水库管理中心，山东 日照276800；4.济南大学，山东 济南250022）

1 概述

彩山水库位于山东省泰安市岱岳区内，距城区约40 km，在大汶河北支牟汶河支流淘河上游，属黄河流域大汶河水系。彩山水库控制流域面积37.5 km2，水库始建于1959年，1978年扩建成中型水库，2009年进行了除险加固，2010年除险加固后竣工验收，是一座以防洪为主、兼顾灌溉等综合利用的中型水库。下游保护对象有水库下游0.3 km处的京沪高速公路和1.0 km处的S103公路（泰新公路），保护农田1 466 hm2，人口2.13万人，涉及化马湾、角峪、徂徕镇3个乡镇10个村庄，水库设计灌溉面积2 346 hm2，有效灌溉面积1 940 hm2。一旦水库发生溃坝，将对下游城镇、村庄、耕地以人民的财产安全造成重大影响。

因此，本文基于MIKE21软件建立水动力模拟模型，模拟水库发生溃坝时下游洪水演进过程、区域的淹没情况等，研究分析其洪水影响，为工程实践提供理论参考和判断依据。

2 溃坝分析

结合工程实际，可能导致水库大坝溃决的主要因素有超标准洪水、工程隐患、地震灾害、上游水库溃坝、上游大体积漂移物的撞击事件、战争及恐怖事件和其它等因素[1]。水库的溃决形式一般从规模上分为全溃和局部溃决，从时间上分为瞬时溃和逐渐溃。

彩山水库大坝为土石坝，由于引起溃坝的水流冲击能力极强，从决口开始时刻到基本形成稳定的溃决断面，整个时间过程非常短暂，为安全考虑可按瞬时溃坝处理，且对于军事上的或人为的破坏，任何坝型都可考虑全部瞬时溃决，因此确定彩山水库溃坝形式为溃决到坝基的横向局部瞬时溃坝[2]。

在溃决原因和溃决形式确定的基础上，溃口形态和溃口流量特征决定着溃坝洪水的破坏[3]。根据《水力计算手册》大坝瞬时横向局部一溃到底的公式计算相关参数[4]。

1）溃坝决口长度计算：

式中：b——溃坝决口平均宽度，m；k——与坝体土质有关的系数，根据彩山水库筑坝材料k取1.3；W——溃坝时蓄水量，万m3；B——溃坝时坝顶长度，m；H0——溃坝时坝前水深，m。经计算，溃坝决口长度为218.50 m。

2）溃坝最大流量计算：

式中：B——坝长，m；b——溃坝决口平均宽度，m；g——重力加速度，g=9.81 m/s2。经计算，溃坝最大流量为21 193 m3/s。

3）决口处水深计算：

经计算，决口处水深14.69 m。

4）决口处流速计算：

经计算，决口处流速为6.6 m/s。

5）坝址流量过程线：

采用四次抛物线式的概化流量过程线如图1所示。

图1 彩山水库瞬时局溃流量过程

3 洪水影响分析

3.1 计算方法

采用二维水动力模型MIKE21进行洪水模拟计算，以满足洪水演进分析计算的需求。模拟过程中，主要考虑堤防、铁路、公路等构筑物的挡水和导流作用。模型的数值计算方法采用有限体积法。

3.2 模型设置

3.2.1 计算区域网格划分

计算区域以彩山水库大坝与淘河流域200 m等高线以内围成的闭合区域为边界，面积为42.40 km2。采用不规则三角形网格，综合考虑分区面积、模拟精度、计算时间及软件性能等因素，共划分网格2.26万个，节点1.17万个。地形插值采用自然临近法，共提取高程散点21.3万个，插值后的局部地形如图2所示。

图2 计算区域插值后的地形图

为充分考虑计算区域内高于地面0.5 m以上的线状地物（堤防、公路、铁路路基、阻水建筑物等）对洪水演进的影响，采用局部加高的方法对堤防、道路进行概化处理，以体现其阻水及导流作用[5]。计算区域高于地面0.5 m以上的线状地物主要为公路。计算区域内涉及的道路有：高速公路，北京—上海高速；国道、省道，枣庄—徐州、济南—临沂；县道，泰安—新泰、茌家庄—孙家瞳。线状地物对洪水演进的影响主要体现为其阻水和导流作用，因此，应在模型中准确反映地物顶高程及平面走向。

3.2.2 边界条件

此次计算中，将彩山水库溃口设置为流量边界，将淘河入大汶河口处大汶河平均水位设置为水位边界。综合该区域下垫面情况、气候及实测资料，模型中采用的蒸发与下渗值取为8 mm/d。为了体现区域最大淹没风险，蒸发与下渗起始时间设置为第6天。

计算采用分区糙率。根据《洪水风险图编制导则》[6]，糙率取值一般应利用实测洪水资料进行率定，无实测资料的地区可根据《水力学计算手册》确定，或参考采用相似条件地区的糙率。该地区缺少溃堤洪水演进实测资料，故采用《水力学计算手册》中的建议值，对计算区域内的村庄、道路、耕地、河流等地物设置不同的糙率，以反映计算区域下垫面对洪水演进的影响。

3.2.3 其他

模拟起止时间为2020-08-10T0:00—2020-8-20T0:00，共计10 d。主时间步长15 s，共31 680步。时间积分与空间离散方式采用高阶。由于模拟过程中，计算区域干湿边界变化频繁，为避免模型计算的不稳定，采用“干湿判别”来确定计算区域由于水位变化产生的动边界。

3.3 模型验证

为了验证模型可靠性，输出各个时刻计算区域的积水量、为模型稳定而设置的初始水量、由模型开边界流入或流出计算区域的水量、降雨及蒸发水量等，以此分析模型计算误差。经分析，该方案计算误差为8.21×10-7m3，模拟误差满足计算精度要求，具有良好的物质质量守恒性，满足水量平衡，模型运算稳定，计算结果可靠。

3.4 计算结果及分析

3.4.1 洪水演进

计算区域溃坝洪水演进具体过程如下：

1）溃坝开始。溃水自淘河支流上游，彩山水库坝肩2/5坝长处附近瞬间溃出，沿淘河支流演进。开始阶段，由于北京-上海高速公路的阻碍，溃水集聚在公路和坝址之间，但随着溃堤洪水不断涌出，部分洪水沿河道进入淘河干流，流至入大汶河河口处。由于地形的原因，在山与山之间的低洼处、山沟里存在一定的积水。溃水开始集聚在泰安市岱岳区化马湾乡沙沟村处，最大积水深度在5 m以上，随着溃水随河道流出，沿河蔓延至下长安村、河东村，再至泰安市岱岳区徂徕镇泉上村、乔家庄等村庄。

2）溃堤后1～2 h。溃水逐渐减少，聚集在上游的洪水也随河道流向下游，在入大汶河河口低洼处形成大量的积水。在泰安市岱岳区化马湾乡沙沟村处的积水逐渐减少，在岱岳区徂徕镇苏家庄处附近有大量的积水。

3）溃堤后2～24 h。无溃水溢出，集聚在上游的积水随河道流向下游，在下游地势低洼处形成较大的水面。除在泰安市岱岳区化马湾乡沙沟村处有轻微积水，其余溃水基本不蔓延至村庄。

4）溃堤后1～10 d。计算区域内洪水随着流入大汶河和蒸发下渗作用逐渐消退，积水主要集中在山间、河道及河道周边低洼地处。

3.4.2 流速分析

溃口最大流量出现在发生溃决时，为21 193 m3/s，最大流速出现在溃口下游525 m处，为6.75 m/s；至溃口下游730 m处流速降至0.4 m/s左右，1.1 km处降至0.3 m/s，1.3 km处降至0.1 m/s，方向沿溃口向外呈放射状。洪水在平面上演进时，流速一般在0.4～0.5 m/s之间。

3.4.3 淹没影响分析

根据计算成果，计算区域水深大于0.05 m时的最大淹没面积为3.75 km2，占计算区域总面积的8.2%。洪水退水以后，洪泛区尚有部分洪水无法排出，此时，水深大于0.05 m的淹没面积为1.28 km2，占总面积的2.8%。水库溃坝时，洪水淹没范围包括下游3个乡镇10个村庄及京沪高速公路、泰新公路等。

3.5 风险评价

根据以上模拟结果及分析，彩山水库发生溃坝时，水库下游的高风险区有以下几处：

1）距离溃口较近的区域，如岱岳区化马湾乡城前村等，该处距离溃口较近，洪水流速较大，撤离时间短，洪水穿村而过，村民生命财产安全将受到严重威胁；

2）位于洪水流经道路线上，主要受北京-上海高速公路阻碍影响，该区域地势低洼，距离溃口相对较近，撤离时间短，洪水威胁较大；

3）位于淘河下游入大汶河口处两侧低洼处，涝水及溃堤洪水通过河网或在研究区域的演进，最终蓄积在该区域，导致该区域淹没历时长，淹没水深大。

4 结语

基于MIKE21建立的水动力模拟模型，计算彩山水库大坝溃坝情况及模拟下游区域洪水演进过程、淹没历时、淹没情况等，可以分析得出下游高风险区域范围，主要包括距离溃口较近、地势低洼和淹没历时及淹没水深较大的区域。基于此，可以预测水库大坝发生溃决后溃坝洪水对下游的影响，为水库及下游地区制定防洪规划和转移方案提供较为明确的参考和判断依据，便于影响区域内避险转移安置工作的顺利进行，进而减少溃坝洪水对下游地区造成的人口及经济损失。另外，文中采用的数值模拟计算方法也可为相关问题及其复杂研究提供借鉴。