楊峰 倪玉芳 黃衛(wèi) 劉金鑫

摘要：潰壩洪水嚴重威脅下游地區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全，準確預測潰壩洪水的影響范圍至關重要。針對出山店水庫的潰壩洪水，應用高精度二維淺水動力學模型模擬洪水在下游河道的演進過程，采用洪水災害風險指標量化洪水的災害程度，研究不同潰決情景下潰壩洪水的動力學特性、下游地區(qū)淹沒范圍和受災程度的變化情況。結果表明：潰壩初始階段淹沒面積增加主要與流量峰值有關，最終淹沒面積大小與潰決后水庫下泄水量密切相關。

關鍵詞：潰壩洪水;數(shù)值模擬;洪水演進;淹沒范圍;災害指標;出山店水庫

中圖分類號：P333.2;TV61

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01. 006

我國是世界上建壩最多的國家，已建、在建30 m以上大壩5 733座。這些大壩在社會經(jīng)濟發(fā)展中起到了重要作用，但是潰壩洪水災害是無情的，一旦大壩失事，將對下游地區(qū)人民生命財產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成毀滅性破壞。盡管潰壩發(fā)生概率極低，但是并非完全不可能（據(jù)統(tǒng)計.1954-2005年全國共有3 486座水庫垮壩），尤其在極端氣候變化環(huán)境下，潰壩發(fā)生的風險明顯增加[1]，因此，提高堤壩潰決洪水的預報水平，建立洪水災害風險評估系統(tǒng)和制定合理的潰壩洪水應急預案，增強防御潰壩洪水災害的能力十分必要。采用水動力學模型對水庫極端洪水一潰壩洪水及其影響區(qū)域開展深入系統(tǒng)的研究，可以為制定有效的洪水風險應急預案提供科學依據(jù)[2]。本文對出山店水庫潰壩洪水開展系統(tǒng)的二維水動力數(shù)值模擬研究，揭示壩址下游河槽逐漸展寬且部分堤防缺失環(huán)境下，不同壩前水位、不同潰壩情景潰壩洪水動力學特性及其影響范圍。

1 工程背景

出山店水庫是淮河干流上游以防洪為主、綜合利用的大型水利樞紐工程，控制流域面積2 900 km2，多年平均天然徑流量11.13億m3。大壩分為土壩段（長3 261.00 m）和混凝土壩段（長429.57 m）。壩址以上屬山區(qū)河流，洪水陡漲陡落。壩址以下兩岸地形逐漸開闊，河谷呈U形，河床為中、粗砂覆蓋，有少量礫石和卵石，水淺流緩。

2 二維潰壩洪水動力學模型

2.1 控制方程

數(shù)學模型的基本控制方程包括水流連續(xù)方程和水

本文模型采用基于無結構化網(wǎng)格的有限體積法離散控制方程，采用HLLC近似黎曼算子[3]計算界面通量。模型中設置監(jiān)測水深hTOL，用于分辨單元（或節(jié)點）干濕情況，即當單元（或節(jié)點）水深小于hTOL時，單元（或節(jié)點）為干，否則為濕;本文取hTOL=1.0x10^-6m。

式（4）中的源項由底坡項和阻力項組成，對于源項的處理得當與否直接影響著模型的穩(wěn)定性和精度。對于底坡項而言，已經(jīng)有相當多的研究成果，本文采用

采用一般的顯式方法處理阻力項，在模擬計算時，一旦遇到小水深情況時經(jīng)常會出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象，特別是在干濕邊界附近，甚至會導致模型崩潰。為了避免這種情況的發(fā)生，本文采用全隱式方法處理阻力項，過程如下。

動量方程式（2）和式（3）涉及阻力坡度，本文采用Manning糙率系數(shù)n來計算床面的綜合阻力。考慮到潰壩洪水會淹沒河漫灘，而河漫灘上植被較為豐富，與主河槽存在較大的阻力差異，故將河道糙率劃分為主河槽和河漫灘兩部分，其中主河槽內(nèi)取0.025，河漫灘取0.050。為了節(jié)約計算時間，提高計算效率，采用多核并行技術OpenMP對程序進行并行處理。定解條件包括初始條件和邊界條件。初始條件為下游Sa-遇和20 a一遇洪水。上游邊界為壩址處流量過程，下游邊界為王家壩閘斷面水位一流量關系。

3 計算條件

根據(jù)出山店水庫大壩特征及入庫洪水特性，最有可能出現(xiàn)的壩體潰決情形是極端入庫洪水導致土壩部分壩段潰決，從而誘發(fā)極端洪水。

本文考慮100 a一遇洪水水位（90.25 m）和正常蓄水位（88 m）條件下土石壩段發(fā)生潰壩情況。鑒于水庫下游的堤防標準尚未達到50 a一遇標準，并且該水庫防洪目的為“按照流域規(guī)劃，近期出山店水庫的興建可使淮河干流的防洪標準由現(xiàn)狀不到10 a一遇提高到近20 a一遇”，因此選用壩址下游5a-遇和20 a一遇兩種洪水情況作為初始條件即能滿足本次研究的需求，即在潰壩洪水情形下，分別考慮下游同時發(fā)生3 850 m3/s和7 620 m3/s兩種流量洪水與其疊加的情況（工況匯總情況見表1）。

根據(jù)相關研究成果，估計大壩潰口寬度為533 m。土石壩潰決主要為漸進潰決破壞，本研究假設土石壩潰決為漸進潰決，潰口形狀為梯形，邊坡系數(shù)為1.0，潰口底部高程均采用74 m，潰口寬度533 m.潰口發(fā)展歷時為2h，忽略潰決水位以上大壩結構對潰口發(fā)展過程的影響。潰決發(fā)展過程中，同時考慮通過水工建筑物下泄的流量。采用潰口處寬頂堰流公式[5]、來流和下泄水量平衡方程、水位庫容曲線聯(lián)合求解，得到壩址處流量過程線（見圖1）。

4 計算結果分析

4.1 典型斷面洪水過程

為了詳細描述潰壩洪水演進過程與特征，且工況2洪水淹沒范圍最大，因此選取工況2下9個典型斷面的洪水過程進行分析（見圖2）。

從圖2可以看出，洪水經(jīng)過0.45 h到達楊山寺，在2.16 h達到峰值，峰值流量為35 595 m3/s.到17.48 h流量回落到7 620 m3/s（下游20 a-遇洪水峰值）以下，之后斷面流量過程主要受入庫流量影響。洪水經(jīng)過1.57 h到達長臺關，在4.1 h達到峰值，峰值流量為33 593 m3/s.到19.68 h流量回落到7 620 m3/s以下。洪水經(jīng)過2.36 h到達薛莊，在5.23 h達到峰值，峰值流量為25 255 m3/s.到21.4 h流量回落到7 620 m3/s以下。洪水經(jīng)過4.12 h到達陡溝，在9.23 h達到峰值，峰值流量為17 332 m3/s，到25.83 h流量回落到7 620 m3/s以下。洪水經(jīng)過5.45 h到達潘店，在12.53h達到峰值，峰值流量為13 801 1113/S.到32.83 h流量回落到7 620 m3/s以下。洪水經(jīng)過10.15 h到達息縣，在25.63 h達到峰值，峰值流量約為10 170 m3/s.到48.00 h流量回落到7 620 m3/s。洪水經(jīng)過20.20 h到達長陵鄉(xiāng)，在36.78 h達到洪水峰值為7 756 m3/s。長陵鄉(xiāng)在40.08 h達到峰值7 019 II13/S.這表明潰壩洪水在長陵鄉(xiāng)沒有形成20 a一遇洪峰，流量峰值主要受入庫洪水的影響。踅孜集及以下洪水峰值沒有超過7 620 m3/s，這表明潰壩洪水在踅孜集及其下游河段沒有形成20 a一遇洪峰，流量峰值主要受入庫洪水的影響。從表2和圖3可以看出，峰值水位和峰值流量沿程逐漸衰減，且衰減速率越來越小。對比不同斷面洪水到達時間和出現(xiàn)峰值時間差可以看出，越往下游，洪水到達時間與出現(xiàn)峰值時間差值越大（見表2和圖3），符合一般洪水傳播規(guī)律。

從計算結果來看，洪水傳播到長陵鄉(xiāng)時，潰壩洪水的洪峰已經(jīng)基本坦化，下游的峰值主要受入庫洪水的影響。綜上所述，在100 a一遇水位下潰壩洪水與下游20 a一遇洪水疊加工況下，潰壩洪水明顯影響區(qū)域在長陵鄉(xiāng)及其上游。究其原因，主要是大壩下游為平原地區(qū)，河槽迅速展寬，加上部分區(qū)域堤防缺失，因而潰壩洪水波急劇坦化，從而在其下游長陵鄉(xiāng)以下河段峰值水位增幅很有限。

選取長臺關、息縣、淮濱的水位過程進行分析。從表2可以看出，長臺關峰值水位為78.14 m，息縣峰值水位為43.92 m（保證水位41 m），淮濱峰值水位為36.67 m（保證水位32.8 m）。息縣和淮濱峰值水位都超過了保證水位，主要是下游20 a一遇洪水造成水位超過保證水位。

4.2 洪水淹沒過程

將二維水動力模擬結果疊加在衛(wèi)星圖片上進行洪水淹沒過程分析。圖4為不同時刻淹沒水深分布情況。從圖4（a）中可以看出陡溝以上河段淹沒范圍集中在河道兩側;陡溝到斷面E段淹沒范圍沿程逐漸擴大;潘店到息縣段淹沒范圍寬度8 - 20 km;息縣以下淹沒范圍先突然減小，然后沿程逐漸增加到長陵鄉(xiāng)附近達到最大，淹沒范圍寬度約為20 km;長陵鄉(xiāng)到踅孜集河段河道兩岸淹沒范圍較小，踅孜集到淮濱的左岸淹沒范圍較大，淮濱以下兩岸淹沒范圍皆較大。對比圖4（a）和圖4（b）可以看出，淹沒范圍增加段集中在陡溝到潘店段，陡溝以上河段淹沒面積有所減少，淹沒水深逐漸減小。對比圖4（c）和圖4（b）可以看出，息縣以上區(qū)域淹沒面積顯著減少，踅孜集以下河段淹沒面積變化不大。

為了更加直接地對洪水災害進行評估，采用英國環(huán)境署制定的洪水災害風險指標[6]量化洪水災害程度。其中：災害指標HR =h（1.5+√u2+v2），水深單位為m，流速單位為m/s。根據(jù)英國環(huán)境署的相應成果，HR<0.75為警告級別，0.75≤HR≤1.25為對老人、小孩和殘疾人有危險級別.1.25 2.0為對所有人群都有危險級別。為了簡便起見，本研究將HR<0.5視為安全，將HR>1.0視為危險。

圖5為不同時刻災害指標分布情況。從圖5（a）可以看出在t=1 h時，雖然初始洪水會導致較大范圍被淹沒，但是HR>1.0的區(qū)域明顯小于被淹沒區(qū)域，這意味著雖然淹沒范圍很大，但高風險的區(qū)域要小得多。HR>1.O的區(qū)域主要集中在河道內(nèi)，楊山寺一陡溝的河道兩岸，潘店一息縣河道兩岸，長陵鄉(xiāng)上游、踅孜集一淮濱左岸，淮濱以下河道兩岸風險都較低。對比圖5（b）與圖5（a），災害指標的增加區(qū)域集中在潘店附近，陡溝以上災害指標減小，但多數(shù)區(qū)域仍處在高風險范圍內(nèi)。對比圖5（c）與圖5（b），息縣以上災害指標顯著減小，潘店以上河段高風險區(qū)域顯著減小，災害指標仍然較大的區(qū)域主要集中在息縣上游附近、長陵鄉(xiāng)上游附近、踅孜集一淮濱左側。

4.3 不同工況下典型斷面洪水過程比較

長臺關是出山店水庫下游控制站，因此選用其不同工況條件下的洪水過程進行比較。從圖6可以看出，在100 a 一遇洪水位條件下發(fā)生潰決時洪水峰值流量較大，分別為工況1峰值流量34 223 m3/s和工況2峰值流量33 593 m3/s。在正常蓄水位條件下潰決洪水峰值流量較小，分別為工況3峰值流量21 133 m3/S和工況4峰值流量18 260 m3/s。4種潰決情景下，工況1峰值流量最大。楊山寺不同工況下流量對比情況與長臺關類似（圖7）。需要指出的是，工況3和工況4較為特殊，存在兩個峰值，分別為潰壩洪水波峰值和水庫上游100 a一遇來流洪水波峰值，其中工況3在楊山寺存在兩個波峰，在長臺關及以下河段，兩個洪水波遭遇后發(fā)生合并，只存在一個波峰。

圖8為不同工況下淹沒面積隨時間變化情況。從圖8中可以看出下游遭遇5a-遇洪水情況下（工況1和工況3）淹沒范圍隨時間都先快速增加然后緩慢增加，到達峰值后逐漸減小。工況1淹沒面積比工況3要大，除初始階段外，兩種工況淹沒面積變化幅度基本一致。其原因是初始階段淹沒面積增加主要與流量峰值有關，最終淹沒面積大小與潰決后水庫下泄水量密切相關。工況2由于只有一個洪峰，因此淹沒面積也只有一個峰值。與之對應的是，工況4有兩個洪峰，淹沒面積也有兩個峰值。淹沒面積大小也與峰值流量正相關。工況2和工況4下泄洪量基本一致，淹沒范圍的差異主要由洪水峰值流量造成。下游遭遇20 a一遇洪水情況下（工況2和工況4），由于初始流量較大，因此淹沒面積大于下游淹沒5a一遇洪水情況（工況1和工況3）的淹沒面積。但是由于下游遭遇20 a一遇洪水情況下初始面積已經(jīng)很大，因此淹沒范圍增加幅度相對下游5a-遇洪水情況（工況1和工況3）小一些。

5 結論

（1）出山店水庫壩址下游以平原為主，且堤防體系建設不完善，即使?jié)魏樗逯递^小，淹沒范圍也較大。

（2）通過對不同情景潰壩洪水淹沒范圍變化過程比較發(fā)現(xiàn)，潰壩初始階段淹沒面積增加主要與流量峰值有關，最終淹沒面積大小與潰決后水庫下泄水量密切相關。

（3）潰決洪水主要影響息縣以上河段，而對長陵鄉(xiāng)及其下游河段的影響較小。

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（責任編輯 許立新）

收稿日期：2019- 07 - 25

基金項目：河南省水利科技攻關計劃項目（GG201803）

作者簡介：楊峰（1975-），男，甘肅靖遠人，高級工程師，主要從事水庫建設管理工作