城市水库溃坝耦合极端降雨前后模拟对比分析

王建有 张曼曼 孙奔博 李振坤

摘 要：以探究城市上游水库溃坝耦合极端降雨及仅溃坝两种工况下洪水灾害程度的变化为目标，确定郑州市二七区、中原区、金水区及惠济区为研究区域，结合芝加哥雨型公式及长历时暴雨强度公式推求设计暴雨，依托“７·２０ 郑州特大暴雨” 实测数据推求研究区域产汇流特征，建立极端降雨与洪水过程的响应关系。在此基础上，以郑州市二七区尖岗水库为研究对象，构建两种工况下二维溃坝洪水演进模型，对水情信息进行对比分析。结果表明：相比于仅溃坝，降雨耦合溃坝工况下淹没范围更大，其中增加的淹没范围内各点的最大水深、流速、洪水严重性程度均处于较低等级。在河道两侧，两种工况下各等级水深、流速及洪水严重性淹没范围大致相同；地势较低的区域降雨耦合溃坝工况下淹没水深和流速增大较多，易涝点水深增加约０．６ ｍ，选取断面水面线升高约１ ｍ。

关键词：城市水库；溃坝耦合降雨；极端降雨；淹没水深；尖岗水库；郑州市

中图分类号：ＴＶ１２２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０５．０１１

引用格式：王建有，张曼曼，孙奔博，等．城市水库溃坝耦合极端降雨前后模拟对比分析［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（５）：６８－７３．

０ 引言

随着全球气候变暖趋势增强，过去百年来气温上升了０．９～１．５ ℃，饱和水汽压随之增加，极端降雨也呈增多、趋强态势［１］ 。极端降雨是产生洪水的重要因素［２］ ，极大地增强了洪水的灾害性，甚至导致溃坝。目前我国已建成各类水库大坝９．８８ 万余座，数量居世界第一［３］ 。１９５４—２０１９ 年我国溃坝共计３ ５４１ 座，年均溃坝５３．７ 座［４］ 。溃坝原因主要有大坝质量问题、洪水漫顶及管理不当等，其中洪水漫顶占５０％以上［５］ ，如１９６３ 年河北省保定市的刘家台水库漫顶溃坝［６］ ，１９７５ 年河南省板桥水库漫顶溃坝［７］ ，２０１８ 年新疆射月沟水库漫顶溃坝［８］ 。

我国城市化进程加快，２０３０ 年城镇化水平将超过７０％［９］ ，使得越来越多的水库进入城区。然而，城市基础设施建设速度跟不上城镇化发展步伐，城市硬化面积大幅度提高，下渗减少，糙率降低，导致地表径流过程峰高量大，加之排水管网建设标准低、排水系统不完善等原因，致使暴雨引发的内涝趋势增强，极端降雨下一旦城市上游水库发生溃坝事故，其导致的溃坝洪水与城市内涝叠加具有远比天然洪水更大的破坏力，影响经济发展和社会稳定［１０］ 。

当前国内外有关水库溃坝研究主要集中在溃坝水流理论、溃坝试验、溃坝模拟及下游洪水演进等方面［１０］ ，目的是为溃坝洪水灾害应对提供依据。通过计算溃坝坝址的流量、水位过程线，并向下游模拟洪水演进得到沿程的流量、流速、水位、洪水到达时间等水情信息［１１］ ，评估下游洪水淹没损失情况，以便采取措施降低洪水风险。然而，水库溃坝原因多是超标准洪水漫坝，降雨是导致洪水的重要因素，降雨同时也会产生内涝，目前对极端降雨下城市水库溃坝的研究较少。鉴于此，本文立足于防灾减灾的实际需求，对仅溃坝和降雨耦合溃坝两种工况进行洪水演进数值模拟，通过对比分析溃坝模拟结果，为城市洪水灾害防治及风险评估提供理论依据。