水库标准内及超标准洪水下泄下游淹没分析

邓 欢，周 迎，高 波

（山东省水利勘测设计院,山东 济南 250013）

水库作为重要的水利工程,在兴利除害、防汛减灾中发挥重要作用。水库按照不同标准洪水进行泄洪时,下游可能会出现溃堤或漫堤等险情,造成区域内出现洪水淹没。为科学的指导防汛抢险及下游群众避险转移,为水库防汛调度提供决策依据,采用科学的分析方法对水库下游的可能淹没范围进行洪水淹没分析是有必要的[1]。本次以山东省日照市莒县青峰岭水库为例,采用MIKE软件构建了水库下游三维数学模型,对水库下游淹没情况进行分析。

1 工程概况

青峰岭水库位于日照市莒县县城西北30 km处,主坝位于洛河、棋山二镇交界处的东卢家岔河村。水库于1960 年建成,是一座防洪、灌溉为主,发电、供水等结合的大（二）型水库[2]。

青峰岭水库下游为沭河干流,沭河保护人口54.5 万人,保护耕地48.4 万亩。沂沭泗河洪水东调南下续建工程实施完成后,沭河的浔河口～汤河口河段防洪标准已达到20 年一遇,汤河口以下至新沂河河段防洪标准可达到50 年一遇。沭河中下游防洪保护区防洪条件得到较大改善。但沭河上游（浔河口以上段）未进行过系统治理,目前堤防断面不足,险工险段较多,防洪标准偏低[3]。

2 基础资料

2.1 地形资料

分析范围（见图2）内的1∶10000 地形数据、沭河条带图等资料。

2.2 水文成果

青峰岭水库100 年一遇,5000 年一遇泄洪过程线,见图1。

图1 青峰岭水库泄洪过程线

2.3 防洪设施

本次淹没分析范围内防洪设施主要包括现状的桥梁、坝、闸（考虑其尺寸及调度运用方式）,沭河及相关支流的河道堤防（主要考虑其堤顶高程）。

3 模型建立

3.1 模拟的范围

根据青峰岭水库下游的地形、沭河及相关支流的分布情况、堤防相应高程、阻水建筑物的尺寸及分布,本次模拟区域北侧以水库大坝为界；南侧以日照市境界为界；东西两侧计算范围取沭河两侧大致5 km为界并结合等高线进行优化。该区域南北向最宽处为52.3 km,东西向最宽处为15.7 km,总面积603.5 km2,共涉及日照市莒县、五莲县,临沂市莒南县等多个区县,模拟范围见图2。

图2 模拟范围示意图

3.2 网格的剖分

采用Triangular网格对模拟区域进行有限元划分,在地势平坦、高程变化不大的区域, 为缩短模拟时间适当加大了网格间距;在重要的地物附近,对网格进行加密以提高模拟精度。本次模拟采用的网格平均面积为5000 m2,共划分网格28.8万个。

3.3 模拟中地物处理的体现

模型充分考虑模拟范围内高出地面1.0 m的线状地物,如堤防、铁路、公路等,并在网格模型中体现,以体现其阻水和导流作用。

3.4 模拟中地形插值处理

沭河干流河道内高程由实测地形图处理后获得,周边区域高程点采用山东省国土测绘院近期调绘的1/10000 地理信息数据。插值后的地形见图3及图4。

图3 插值后的地形三维视图

图4 插值后的局部网格

3.5 糙率选取

为反映下垫面类型对洪水演进的影响,对模拟区域内的河槽、居民地、道路、耕地等各类下垫面分别设置不同的糙率数,本地区缺少糙率实测资料,故采用《水力计算手册》中的糙率建议值[4],见表1。

表1 模拟区域内糙率取值

3.6 边界条件

定义青峰岭水库南侧溢洪道出口为流量入口边界,泄洪流量过程见图1。给定沭河支流浔河处6月~9月多年平均水位为出口边界。

3.7 方案汇总

各工况组合见表2。

表2 计算方案汇总

4 模拟结果

依据模型计算结果进行对比分析,青峰岭水库按照不同标准进行洪水下泄时,洪水演进的路径基本一致,但不同标准下泄的淹没范围、淹没水深、淹没历时等有较大的差异。

4.1 洪水演进过程

以青峰岭水库校核洪水标准5000 年一遇洪水标准进行泄洪为例,对下游洪水演进历程及淹没情况分时段进行分析。各时段淹没范围及淹没水深见图5。

图5 水库5000年一遇泄洪洪水演进过程

第10 h：青峰岭水库溢洪道下泄流量541 m3/s。洪水在沭河主槽中演进,基本限制在主河道内。

第20 h：青峰岭水库溢洪道下泄流量4320 m3/s。洪水部分漫溢,主要发生在曲坊社区至薛家城子村段,从南至北淹没后站家岔河村、水由村、西地村、章庄村、曲坊社区、岔河村等。

第30 h：青峰岭水库溢洪道下泄流量3860 m3/s,洪水部分漫溢,上阶段所述曲坊社区至薛家城子村段东侧淹没范围变化不大,西侧淹没大范围扩大、此处涉及村庄多、面积大；何家庄子至前山后村发生漫溢,但此处淹没村庄较少。

第40 h：青峰岭水库溢洪道下泄流量2320 m3/s,淹没范围达到最大。曲坊社区至薛家城子村段往南演进至王家课庄,淹没范围进一步扩大；何家庄子至前山后村段淹没范围变化不大。

第50 h：青峰岭水库溢洪道下泄流量967 m3/s,淹没面积逐渐减小,淹没水深逐渐降低。

第60 h：青峰岭水库溢洪道下泄流量909 m3/s,淹没面积继续减小,淹没水深继续降低。

第70 h：青峰岭水库溢洪道下泄流量186 m3/s,泄洪过程趋于结束,淹没面积继续减小,淹没水深继续降低。

4.2 最大流速分布

青峰岭水库按5000 年一遇设计标准洪水泄洪时,下游各区域最大流速分布见图6（a）。

从图中看出,该标准洪水泄洪时,流速大于0.6 m/s的区域多聚集在溢洪道至岳家村段,最大流速可达3.0 m/s。

4.3 淹没历时

青峰岭水库按5000 年一遇标准洪水泄洪时,下游淹没历时见图6（b）。

图6 最大流速及淹没历时分布（5000a一遇）

4.4 不同标准洪水下泄淹没情况对比

由图7可以看出,青峰岭水库按不同标准泄洪时,5000年一遇洪水相应的淹没面积与100 年一遇洪水相比,影响范围在峤山镇至小店镇区域内有所增大,其它区域影响范围大致相同；同时淹没水深较大的区域,在高标准洪水较百年一遇标准下泄时显著增加。

图7 青峰岭水库不同标准泄洪下游淹没范围图

5 高风险区域评估

通过对青峰岭水库泄洪时下游区域的淹没水深、行进流速、淹没历时等数据进行分析,识别出青峰岭水库下游高风险区域有以下3 处：其中一处位于沭河章村-柳河村段两岸,该部分地势平坦、无有效挡水建筑物,东西跨度大,淹没范围广,涉及村庄40 余个,淹没深度集中于0.5 m~1.5 m,局地达到3 m,灾情严重；一处位于西旺疃村-金墩村,该处范围小,涉及村庄4个；一处位于卢家孟堰村-公书社区,该处范围小,涉及村庄5个。

6 结语

本次构建了日照市莒县青峰岭水库下游3 D数学模型,通过比较水库按照不同标准进行洪水下泄时,下游区域洪水的演进过程、淹没的范围、淹没的水深、行进流速、总计淹没历时等数据,得出以下结论：青峰岭水库水库按照100 年一遇及5000 年一遇标准进行洪水下泄时,下游的淹没区域均比较大,水深均较大。当水库需要按设计洪水标准以上的洪水标准进行泄洪时,应充分做好淹没范围内群众的转移避险工作,尽可能的减少人民群众的生命和财产损失。

本数字模拟方法可为水库的调度运用及防汛抢险、转移避险等提供技术支撑。