落全富,安莉娜

(1.杭州市青山水庫管理處,浙江 臨安 311305;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

青山水庫是一座以防洪為主,兼有灌溉、供水、發(fā)電等功能的綜合利用的大型水庫,總庫容2.13億m3。水庫校核標準P=0.01%,校核洪水位36.87 m(吳凇高程,下同);設(shè)計標準為P=1%,設(shè)計洪水位為34.40m;移民標準為P=5%,移民水位為33.00m;土地淹沒賠償標準為P=20%,水位為31.70m。隨著社會和國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展,洪水災(zāi)害所造成的損失越來越大,洪水災(zāi)害風(fēng)險研究已經(jīng)成為災(zāi)害研究中的一個重要內(nèi)容。青山水庫作為東苕溪上游骨干防洪控制工程,擔(dān)負著保護西險大塘、杭州市及下游人民生命財產(chǎn)安全的重任,其主要防護對象為杭嘉湖東部平原,包括省會杭州市錢塘江北岸地區(qū),如何建立高效的防洪安全保障體系,制定切實有效的防洪減災(zāi)措施,是擺在人們面前的一項既艱巨又重要的使命。

2 青山水庫潰壩洪水模擬[1].

2.1 青山水庫主壩潰壩流量計算

2.1.1 最終潰口寬度經(jīng)驗公式

參考中國水利水電科學(xué)研究院陸吉康經(jīng)驗公式計算。

Hb為潰決水深(水庫潰決時刻水位-壩址斷面平均底高程),m;

Vr為水庫有效下瀉庫容,m3;

Bm為最終潰口的平均寬度,m;

K為修正系數(shù),對于漫頂造成的潰決K=1;

對于管涌造成的潰決K=1/4。潰口寬度,這里指平均寬度為梯形潰口上下寬度的平均值。

2.1.2 潰決時間

原則上,按線性速度擴展,按照以下公式確定:

當(dāng)t=0 B=B0為初始寬度(m),一般可取5～20m;

當(dāng)t＞TfB=Bm潰口不再發(fā)展;

Tf=0.002 45kVr0.53Hb(-0.90)為潰口發(fā)展時間(h);

K一般在1.0至(Hb+15.3)/Hb之間變化。

參考相關(guān)資料和文獻(我國板橋水庫潰壩時間歷時1.5 h,青海溝后大壩為砂礫石面板壩,潰決歷時1.7 h;美國Teton土壩潰決歷時為1.25 h),結(jié)合上述潰壩相關(guān)公式確定青山水庫主壩潰壩的主要參數(shù)。水庫遭遇100 a一遇、1000a一遇、10 000 a一遇洪水情況下進行全潰的潰決時間見表1。

表1 青山水庫主壩潰壩潰決時間表

2.1.3 最大潰決流量

參考相關(guān)文獻[2-5].,最大潰壩流量計算公式采用如下公式:

式中 Qm、g、B、bm、H0分別表示大壩潰決最大流量(m3/s)、重力加速度(m/s2)、壩長(m)、最終潰口寬度(m)、潰決水深(m)。

2.1.4 潰壩流量過程線

設(shè)基流為零(基流較 Qmax小很多,可忽略不計,也可算完以后加上),假設(shè)洪峰已經(jīng)求出,為 Qmax(m3/s);潰決洪量已經(jīng)求出,為 W(m3);洪水歷時為 Tn(s),待求,則t時刻流量Q的公式:

當(dāng) t=0 時,Q=Qmax;當(dāng) t=Tn時,Q=0。

故有

潰決洪量W表達為:

將(5)代入(6)可得:

將(8)代入(5),可得洪水過程線的公式為:

根據(jù)上述公式,計算出青山水庫主壩潰壩的相關(guān)參數(shù)見表2。壩址處潰壩流量過程線見圖1。

表2 青山主壩潰壩洪水計算方案主要參數(shù)表

圖1 青山水庫主壩潰壩壩址處潰壩流量過程曲線圖

2.2 潰壩洪水對下游的淹沒計算

2.2.1 潰壩洪水?dāng)?shù)學(xué)模型[5-8].

本次研究潰壩洪水流量對其下游的影響,采用目前國內(nèi)外應(yīng)用相當(dāng)廣泛的MIKE21軟件的水動力模塊進行模擬。控制方程如下:

式中 x、y、t分別為空間、時間坐標;Z為水位,m;h為水深,m;u、v分別為垂線平均流速在x和y方向的分量,m/s;M、N分別為單寬流量在x、y方向的分量,m2/s;M=hu,N=hv;n為曼寧糙率系數(shù);c為謝才系數(shù),為紊動黏性系數(shù);g為重力加速度。

模型采用的數(shù)值方法是矩形交錯網(wǎng)格上的ADI法,具體離散用半隱式,求解用追趕法,交錯網(wǎng)格上各物理量的布置如圖2所示,其中;Z、h、u、v分別處于不同的網(wǎng)格點上。

圖2 交錯網(wǎng)格示意圖

2.2.2 計算參數(shù)

(1)計算范圍。由于青山水庫主壩潰壩洪水影響范圍未知,為了能夠完全囊括潰壩洪水對下游的影響范圍,本次計算范圍包括主要轄區(qū)為臨安的青山鎮(zhèn)、杭州的余杭區(qū)、西湖區(qū)、拱墅區(qū)、上城區(qū)、濱江區(qū)、下城區(qū)、江干區(qū)、湖州的德清縣。

(2)計算地形。計算地形采用浙江省測繪局測量的1∶10 000地形。

(3)網(wǎng)格劃分。由于計算區(qū)域的地形為1∶10 000地形,而這些地區(qū)河網(wǎng)交錯復(fù)雜,河寬較小,本次計算中未能考慮平原河網(wǎng)。計算中用矩形網(wǎng)格進行離散,每個單元邊長為50m,共布置矩形單元1.2×106個,節(jié)點1 202 199個。

(4)河道概化。由于青山水庫下游河網(wǎng)復(fù)雜,河寬較小,青山水庫主壩潰壩對下游淹沒影響的計算中只考慮青山水庫下游主要河流,其中余杭區(qū)余杭鎮(zhèn)以上稱南苕溪;余杭鎮(zhèn)以下河段稱東苕溪。

(5)初始條件。即迭代計算開始時刻洪泛區(qū)各點的流速(u,v)和水深(h)的分布,淹沒區(qū)域取初值為0(即干底處理)。

(6)邊界條件。本次研究中上邊界為青山水庫主壩在設(shè)計洪水分別為100 a一遇、1000 a一遇和10 000 a一遇情況下的潰壩洪水流量過程與潰壩時候以后的入庫洪水流量過程之和。下游邊界為動邊界,平原邊界和水域邊界作為自由出流處理。

(7)糙率率定。糙率十分復(fù)雜,與多種因素有關(guān),如淹沒區(qū)域地形地貌、植被、土壤、水位高低、阻水建筑物的密度與走向。同時,淹沒區(qū)域也缺乏實測糙率資料,目前多采用經(jīng)驗估值,由于淹沒區(qū)域經(jīng)濟較為發(fā)達,人類活動對糙率的影響很大,參考美國水土保持部在試驗基礎(chǔ)上提出的不同植被條件不同阻滯水程度的糙率分析成果和國內(nèi)相關(guān)研究成果,分析淹沒區(qū)汛期植被類型、淹沒特點,在東苕溪河道內(nèi)取糙率0.02,淹沒區(qū)域綜合選取糙率范圍為0.035～0.040。

2.3 洪水淹沒范圍分析

青山水庫潰壩對下游的影響范圍指不同頻率洪水潰壩后可能涉及的范圍,計算表明潰壩后主要淹沒的是杭州市余杭區(qū),此外,杭州市西湖區(qū)也受到影響。青山水庫主壩潰壩1 h流速分布圖和等值線圖及淹沒范圍見圖3～5,潰壩洪水最大淹沒水深見表3。

圖3 青山水庫主壩潰壩淹沒范圍圖(10 000 a一遇)

圖4 青山水庫主壩潰壩1 h流速場圖(10 000 a一遇)

圖5 青山水庫主壩潰壩1 h水深等值線圖 (10 000 a一遇)

表3 青山水庫主壩潰壩后洪水最大淹沒水深及范圍表

3 結(jié) 論

以青山水庫保護范圍作為研究區(qū)域,建立了青山水庫潰壩洪水模型,并計算了不同洪水頻率下最大可能淹沒范圍、淹沒水深、流速、歷時、到達時間等風(fēng)險指標的空間分布,為潰壩洪水風(fēng)險管理提供了科學(xué)依據(jù)。由計算結(jié)果得出,當(dāng)發(fā)生潰壩洪水時,防護區(qū)將遭受非常嚴重的災(zāi)害,潰壩后主要淹沒的是杭州市余杭區(qū),此外,杭州市西湖區(qū)也受到影響。

[1].安莉娜.洪水風(fēng)險圖試點項目—青山水庫、東苕溪西險大塘洪水風(fēng)險圖編制水利計算技術(shù)報告 [R]..杭州:浙江省水利河口研究院,2007.

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