基于MIKE,模型的水库溃坝洪水数值模拟分析
时间：2023-03-09 23:55:01 来源：千叶帆 本文已影响人
王宏伟，邱俊楠，何 勇
（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）
修建大坝、利用水库拦蓄和调节天然径流，是防汛抗旱和开发利用水资源的需要。据统计，我国已建成各类水库98822座，水库总库容8953亿m3。
其中，大型水库736座， 总库容7117亿m3， 占全部总库容的79.5%；
中型水库3954座，总库容1126亿m3，占全部总库容的12.6%［1］。
大规模的水库大坝建设对防洪安全、农业灌溉、城市供水、航运交通、水电开发、渔业发展、旅游开发等发挥了重要作用，为社会快速发展提供了坚实的水利保障， 也产生了显著的经济社会效益。
但由于洪水超标准、工程质量缺陷、运行管理不当、历史欠账较多等原因［2］，大坝溃决事故时有发生，如河南驻马店板桥水库、山西东榆林水库、青海沟后水库、吉林大河水库、浙江沈家坑水库等溃决事故。为了保障大坝下游地区人民生命财产安全，有必要开展溃坝洪水数值模拟， 构建应用广泛、 计算稳定、可靠性高的MIKE模型［3］，模拟分析某水库溃坝洪水流量、淹没面积、淹没水深、洪水到达时间，为工程设计、工程管理、应急预案编制等提供参考。
研究水库位于四川省成都市大邑县境内， 是一座以城乡供水、防洪保安为主，兼顾灌溉、发电等综合利用的大（2）型水库，供水对象为大邑县城乡、江河灌区、天府新区等。坝址处多年平均流量14m3/s，多年平均径流量4.3亿m3， 总库容1.61亿m3， 调节库容1.28亿m3。
正常蓄水位691m，死水位640m，设计洪水位691m，校核洪水位695.8m。坝型为沥青混凝土心墙土石坝，坝顶轴线长282m，坝顶宽度10.0m，坝顶高程697.5m，最大坝高102.5m。
设计洪水为100年一遇，校核洪水为2000年一遇。
1.1 建模思路
分析淹没区地形，将河道、防洪堤、阻水型路基、山体等作为淹没边界，确定溃坝洪水模拟范围。结合现场调查和测量， 修正地形数据并转换高程数据格式。
采用《重点地区洪水风险图编制项目软件名录》推荐、广泛使用、稳定可靠的MIKE21软件2014版，对模拟范围进行非结构网格剖分， 局部复杂地区加密网格，结合地形数据，采用自然邻近法插值生成地形网格。将溃坝洪水过程作为入流边界，下游出口处水位作为出流边界，同时结合遥感影像和地形图，分类提取用地类型和糙率赋值。
在此基础上构建MIKE21溃坝洪水数值模型， 模拟和统计分析不同工况下洪水成果。
1.2 模拟范围
研究水库下游区域内主要有江河、南河、斜江河及龙门山山脉等。江河在新场镇出山谷流入平原，又经桑园镇，于邛崃城区西汇入南河。江河右岸为龙门山南段延伸山系，地势起伏较大；
左岸为平原区，平坦开阔。南河在江河汇入后，流经固驿镇、牟礼镇，在棺山塘附近纳斜江河。
南河右岸为磨子山、 红岩子山、墩子山等山体，左岸为平原区，平坦开阔。斜江河位于江河东部、南河北部，发源于大邑县境内邛崃山雄黄岩东麓，经平原区苏家镇、安仁镇、羊安镇，于棺山塘附近汇入南河。
分析水库下游地区水系、地形，并结合1∶50000地形图、水文汇水计算，确定计算范围为西至龙门山南段延伸山系，南至磨子山、红岩子山、墩子山等，北部和东部至斜江河，模拟范围总面积775.7km2。
1.3 地形数据与网格剖分
地形数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台，空间分辨率为30m。
在模拟范围内采用非结构三角形网格， 河道外网格最大边长200m，河道内网格进行加密，网格边长40m，共生成约20万个网格。
1.4 边界条件
入流边界位于江河水库回水末端、南河高山顶，多年平均洪峰流量分别为671，1298m3/s。出流边界位于南河棺山塘，设置为自由出流。
1.5 糙率确定
根据《水力计算手册》和当地河道治理经验［4］，河道糙率取0.035，滩地糙率取0.07，农田取0.06，村镇取0.1。
1.6 计算工况
研究水库大坝为沥青混凝土心墙土石坝。
结合国内溃坝事件统计和大坝溃决模型试验［5］等分析结果，根据《溃坝洪水模拟技术规程》《水利水电工程溃坝洪水模拟技术规程》，设置漫顶全溃、管涌半溃、漫顶半溃3种计算工况，溃坝历时2h，溃口均为梯形，具体参数如下。
（1）漫顶全溃：坝前水位超过坝顶高程（697.5m），发生漫顶全溃。
溃口顶高697.5m， 底高595m；
顶宽282m，底宽41m。
（2）管涌半溃：坝前水位超过设计洪水位（691m），发生管涌半溃，溃口顶高646.25m，底高595m；
顶宽155m，底宽41m。
（3）漫顶半溃：坝前水位超过坝顶高程（697.5m），发生漫顶半溃。
溃口顶高697.5m，底高646.25m；
顶宽282m，底宽155m。
2.1 漫顶全溃计算结果分析
当水库坝前水位涨至坝顶高程697.5m时， 发生漫顶全溃，溃坝历时2h。
2.1.1 溃坝流量
坝址处发生溃坝1.5h时流量达到峰值，洪峰流量为22591m3/s，溃坝发生5h后，坝址处流量为698m3/s，与水库入流基本一致；
南河棺山塘断面处发生溃坝12h时，流量达到峰值，洪峰流量为4272m3/s，溃坝发生25h后，南河棺山塘断面处流量为2145m3/s，与上游入流基本一致。
2.1.2 淹没面积及水深
发生漫顶全溃时，最大淹没范围为308km2，淹没水深在0.1～3.5m之间。
水库下游“一市九镇”均被不同程度淹没，其中三岔镇、高埂镇淹没水深在0.5m以下，新场镇、王泗镇、桑园镇、南君平乡、前进镇淹没水深在0.5～1m之间，邛崃市区、固驿镇、牟礼镇淹没水深在1～1.8m之间。
2.1.3 洪水到达时间
发生漫顶全溃后，新场镇、桑园镇洪水到达时间不足2h，王泗镇、南君平乡、邛崃市区、三岔镇、前进镇、固驿镇的洪水到达时间为2～4h，高埂镇洪水到达时间为4～6h，牟礼镇洪水到达时间超过6h。
2.2 管涌半溃计算结果分析
当水库坝前水位超过设计洪水位691m时， 发生管涌半溃，溃坝历时2h。
2.2.1 溃口流量
坝址处发生溃坝1.8h时流量到达峰值， 洪峰流量20165m3/s，溃坝发生5h后，坝址处流量695m3/s，与水库入流基本一致；
南河棺山塘断面处发生溃坝12h时流量达到峰值，洪峰流量4104m3/s，溃坝发生25h后，南河棺山塘断面处流量2049m3/s，与上游入流基本一致。
2.2.2 淹没面积及水深
发生管涌半溃时，最大淹没范围为290km2，淹没水深在0.1～3.0m之间。
“一市九镇”均被不同程度淹没，其中三岔镇、高埂镇、王泗镇、桑园镇、南君平乡淹没水深在0.5m以下， 新场镇、 前进镇淹没水深在0.5～1m之间，邛崃市区、固驿镇、牟礼镇淹没水深在1～1.7m之间。
2.2.3 洪水到达时间
发生管涌半溃后，新场镇、桑园镇洪水到达时间不足2h，王泗镇、南君平乡、邛崃市区的洪水到达时间为2～4h，三岔镇、前进镇、固驿镇、高埂镇的洪水到达时间为4～6h，牟礼镇的洪水到达时间在6h以上。
2.3 漫顶半溃计算结果分析
当水库坝前水位涨至坝顶高程697.5m时， 发生漫顶半溃，溃坝历时2h。
2.3.1 溃坝流量
坝址处发生溃坝2h时流量到达峰值， 洪峰流量为14313m3/s，溃坝发生10h后，坝址处流量为700m3/s，与水库入流基本一致；
南河棺山塘断面处发生溃坝8.5h时流量达到峰值，洪峰流量为3674m3/s，溃坝发生25h后，南河棺山塘断面处流量为2070m3/s，与上游入流基本一致。
2.3.2 淹没面积及水深
发生漫顶半溃时，最大淹没范围为227km2，淹没水深在0.1～2.7m之间，水库下游“一市九镇”均被不同程度淹没，其中三岔镇、高埂镇、新场镇、王泗镇、桑园镇、南君平乡、前进镇淹没水深在0.5m以下，邛崃市区淹没水深在0.5～1m之间，固驿镇、牟礼镇淹没水深在1～1.5m之间。
2.3.3 洪水到达时间
发生漫顶全溃后，新场镇洪水到达时间不足2h，桑园镇、王泗镇、南君平乡、邛崃市区的洪水到达时间为2～4h，三岔镇、前进镇、固驿镇的洪水到达时间为4～6h，高埂镇、牟礼镇的洪水到达时间在6h以上。溃坝洪水主要成果对比如表1。
表1 溃坝洪水主要成果对比
以成都市大邑县内某水库作为研究对象，采用应用广泛、稳定可靠的MIKE软件，构建水库溃坝洪水数值模型，模拟了漫顶全溃、管涌半溃、漫顶半溃3种计算工况，从洪峰流量、淹没面积、淹没水深、淹没到达时间等方面进行分析，洪水影响由大到小依次为漫顶全溃、管涌半溃、漫顶半溃。
溃坝洪水模拟研究作为非工程措施的重要组成部分， 可提高社会、公众及水库管理单位应对突发事件能力，降低大坝运行风险，有利于最大程度保障下游人民群众生命财产安全， 将水库洪水灾害损失降至最低，同时研究成果也为水库工程管理、应急管理等提供重要参考依据。
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