西苇水库不同标准洪水对下游淹没影响分析

郑言峰，王 猛，卢 岳，赵 宇，于西达

(青岛市水利勘测设计研究院有限公司，山东 济南 250013)

我国处于从控制洪水向洪水管理的转变时期，区域洪水淹没特征涉及洪涝模拟、洪水避难、灾害预警、灾情评估和公众洪水风险意识等方面，是进行洪水管理的科学依据之一[1-2]。目前，基于MIKE 21软件建立的二维水动力模型已成为模拟水库洪水对下游淹没影响的主要方法之一[3-4]。本文以西苇水库为研究对象，建立了基于MIKE 21的二维水动力模型，模拟分析了西苇水库发生不同标准洪水时的淹没范围及最大淹没水深，并进行了分类汇总统计分析，为西苇水库防洪减灾、群众转移提供决策依据。

1 工程概况

西苇水库在山东省济宁市邹城市东城区，位于白马河支流大沙河中段，属淮河流域南四湖水系，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾城区供水等综合利用的大(2)型水利枢纽工程。西苇水库始建于1959年10月，1960年6月基本竣工。2008年西苇水库除险加固工程完成后，水库防洪标准可达到100 a一遇设计，10 000 a一遇洪水校核。水库总库容为1.019 4亿m3，防洪库容为0.531 8亿m3，兴利库容为0.411 1亿m3，死库容为0.076 5亿m3，工程等别为Ⅱ等。但鉴于水库加固后工程未经高水位考验，现状校核防洪标准按1 000 a一遇。水库下游是邹城市区、国家重点保护文物“两孟”、104国道、京沪铁路、兖矿集团六个煤矿和两个电厂(邹县电厂、里彦电厂)等工矿重地，有着极其重要的保护作用，对保障邹城经济发展、促进社会生态平衡起着巨大的促进作用，水库防洪作用非常重要。

2 不同标准洪水分析

2.1 溃坝前不同标准洪水计算

西苇水库水文站设立于1960年6月，具有连续的实测洪峰流量资料。根据流量法，分析计算得到了不同标准的设计洪峰及洪量，计算结果为：100 a一遇设计洪水洪峰流量1 491 m3/s，相应最大72 h洪量为4 096万m3；1 000 a一遇设计洪水洪峰流量2 702 m3/s，相应最大72 h洪量为6 807万m3；10 000 a一遇设计洪水洪峰流量3 755 m3/s，相应最大72 h洪量为9 114万m3(见表1)。

表1 西苇水库不同标准洪水成果表

2.2 溃坝洪水分析计算

西苇水库大坝为土石坝，该坝型溃坝原因主要是洪水漫顶和基础管涌、渗漏，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时，整个时间过程非常短暂，为安全考虑，确定西苇水库溃坝形式为溃决到坝基的横向局部瞬时溃坝，根据《水力计算手册》(第二版)[5]，溃坝水力理论进行计算。溃坝最大流量按照大坝瞬时横向局部一溃到底场合进行计算，采用公式：

其中，B为大坝总长，m；b为溃坝决口平均宽度，m；g为重力加速度,g=9.81 m/s2。经计算，溃坝最大流量为96 808 m3/s。

3 淹没影响分析

3.1 计算方法

根据西苇水库不同标准洪水可能影响区域的地形特点，建立基于MIKE 21的二维水动力模型，采用有限体积法(又称控制体积法)进行数值计算，其基本思路是将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程，其中的未知数是网格点上的因变量的数值。

3.2 模型设置

1)计算范围。根据水库下游地形，考虑到超标准洪水或溃坝洪水可能的淹没范围，本次模型范围选取北侧以日兰高速、沂河左堤为界，南侧以103 m等高线(溢洪闸底板顶高程)为界，西侧以新石铁路、G237、泗河左堤为界，东侧以西苇水库主副坝、103 m等高线、沂河左堤为界。南北向长度约46.3 km，东西向宽度约41.8 km，模拟区域总面积889.6 km2(见图1)。

2)网格划分。选用MIKE 21水动力模型中以三角形网格为基础的非结构网格模型，以适应不规则边界形状的变化。重点区域如深槽、滩地水深变化较大和边界形态变化较大的地方对网格进行加密处理，以更好的表达区域地形条件，适应边界突变引起的水力要素变化；非重点区域使用较大网格，以节省计算时间。计算域内网格划分疏密须过渡均匀，无突变现象。选用的最大网格面积为10 000 m2，网格局部分区域加密，共包含网格19.8万个(见图2)。

3)地形插值。在地形图中提取高程散点109.6万个，生成模拟区域mesh文件(见图3)。

4)边界条件。选择西苇水库溢洪道出口处为上游边界，给定不同标准洪水的泄洪流量。模型下游边界为白马河入南四湖河口处，给定上级湖正常蓄水位34.50 m。

5)糙率设置。本次采用分区糙率，对计算区域内的居民地、道路、耕地、河流等地物设置不同的糙率(见图4)，以反映保护区下垫面对洪水演进的影响。

3.3 淹没分析

根据西苇水库不同标准洪水分析成果，模拟计算下游淹没影响情况。当西苇水库发生溃坝时，下游淹没影响范围最大，包括邹城市的千泉街道办事处、北宿镇、石墙镇、郭里镇、唐村镇、太平镇、钢山街道办事处、凫山街道办事处、中心店镇等镇街；微山县的马坡镇、两城镇、鲁桥镇等镇；曲阜市的陵城镇、小雪街道、息陬镇、尼山镇等镇街；兖州市的兴隆庄街道等镇街，共计129万人左右。不同标准洪水淹没范围见图5～图8，不同标准洪水不同淹没水深时的淹没面积统计汇总表详见表2，表3，不同

表2 西苇水库不同标准洪水不同淹没水深时的淹没面积(区间) km2

表3 西苇水库不同标准洪水不同淹没水深时的淹没面积(累计) km2

标准淹没曲面图及折线图见图9～图12。

根据统计分析，淹没水深为0.0 m～1.0 m时不同标准洪水的淹没面积从21.80 km2～167.10 km2，占各自总淹没面积的比例为72%～53%；淹没水深为1.0 m～2.0 m时不同标准洪水的淹没面积从7.09 km2～87.83 km2，占各自总淹没面积的比例为23%～28%；淹没水深为小于2.0 m时不同标准洪水的淹没面积占各自总淹没面积的比例为95%～81%，大于2.0 m时不同标准洪水的淹没面积所占比例较小。

1 000 a一遇洪水淹没面积基本为100 a一遇洪水淹没面积的3倍，10 000 a一遇洪水淹没面积基本为1 000 a一遇洪水淹没面积的1.3倍，溃坝洪水淹没面积基本为10 000 a一遇洪水淹没面积的2.0倍～2.5倍。

因此，对于西苇水库来说，洪水防控重点在于100 a和10 000 a两个关键洪水标准；当洪水标准超过100 a一遇时，洪水淹没急剧增大；对于土石坝来说，当发生10 000 a一遇洪水时，防控稍有疏漏极易造成水库溃坝，届时不仅水库西南方向的下游两岸遭受重大损失，水库北面及西北方向也将遭受重大损失，因此必须做好10 000 a一遇洪水的应急抢险，避免溃坝发生。此外，当发生超标准洪水时，转移地点至少应高于地面2.0 m以上，以减少淹没损失。

4 结语

本文以西苇水库为研究对象，建立了基于MIKE 21的二维水动力模型，模拟分析了西苇水库发生不同标准洪水时的淹没范围及最大淹没水深，并进行了分类汇总统计分析，结果表明洪水防控重点在于100 a和10 000 a两个关键洪水标准；此外，当发生超标准洪水时，转移地点至少应高于地面2.0 m以上，以减少淹没损失。

随着超标洪水发生概率的增加，水库超标洪水防洪预案的指导意义愈加凸显。本文通过对西苇水库不同标准洪水淹没水深及淹没面积的分析，不仅能提高大坝应急管理水平，也可以为下游河道及城区洪水防御重点提供参考，具有重要的现实意义。