不同长宽比及水深对水库溃坝流量过程的影响分析

2020-05-07康国亮

黑龙江水利科技 2020年2期

康国亮

(辽宁省水资源管理集团，沈阳 110000)

0 前言

利用经验公式进行溃坝洪水计算简单易行，经济实惠，在我国众多中小型水库中应用较广。但此种方法将各种水库溃坝过程都概化为一种简单的过程线形式，只考虑库容及坝前水位情况，没能考虑不同宽深比及水深对溃坝流量的影响。重点分析研究同一库容条件下不同不同宽深比及水深对于溃坝洪水的影响，以提供更加精准的溃坝洪水计算结果。为广大采用经验公式计算溃坝洪水的中小型水库提供参考，以便制定出更加符合实际、更利于保护下游人民生命财产安全的防灾、减灾措施[1-3]。

1 软件适用性

MIKE21是专业的二维自由水面流动模拟系统工程软件包，适用于湖泊、河口、海湾和海岸地区的水力及其相关现象的平面二维仿真模拟。主要用于河口、河流、海洋、水库等地表水体流动、波浪、水环境变化、泥沙运移等二维水利专业工程软件。目前该软件在国内得到了广泛的应用，如碧流河水库下游洪水淹没损失计算、辽河左岸防洪风险图的编制，大连理工大学的王领元利用MIKE21水动力模块对二维溃坝进行了数值模拟，结果较符合实际[4-6]。

2 不同长宽比对溃坝流量影响分析

2.1 研究方案及模型参数选择

应用MIKE21中的Flow Model FM模型进行模拟，对水库进行瞬时溃坝洪水计算。为了方便计算，更直观地得到不同水库形状对于溃坝洪水的影响，在本次研究中,暂时不考虑水库上游来流、风、浪、潮汐、温度、盐度和支流入汇等因素的影响；同时糙率用曼宁值表示，设定为常数M=32m1/3/s；库区水深为10m，下游无水。

在保证同一库容大小、溃口宽度不变情况下，分析库区水深变化对湖泊形和狭长形水库溃坝洪峰流量及峰现时间产生的不同的影响。以湖泊形水库为基础形状，研究水库在长宽比(L/B，B不变)及水深变化时产生的规律，分析长宽比(L/B)和水深变化两因素对水库溃坝洪水的影响程度。具体方案见表1。

表1 不同长宽比及水深计算方案

模型参数：上游库区水深为10m，下游水深为0m；下游出口开边界设为水位常数2m；干水深hdry=0.005m，淹没水深hflood=0.05m，湿水深hwet=0.1m；库区底床摩擦力采用曼宁数表示，设为定值M=32m1/3/s；涡黏系数采用Smagorinsky公式确定，Smagorinsky系数Cs选定为0.28。

2.2 长宽比对水库溃坝流量过程影响

2.2.1 对溃坝峰顶流量及峰现时间的影响

随着长宽比的增长，溃坝峰顶流量及峰现时间的变化规律如表所示，随着长宽比的增长，溃坝峰顶流量值变化不大，基本维持在一定值附近。峰顶流量达到时间变化也不大。说明在同一水库深度情况下，库区长度变化对溃坝峰顶流量及峰现时间的影响不大，见表2。

表2 不同宽深比峰顶流量及达到时间

2.2.2 对流量过程线的分析

随着长宽比的增大，对溃坝流量过程线峰前过程影响不大，不同长宽比时峰前过程线基本重合，峰顶流量及峰现时间亦基本重合。但对峰后过程影响较大。当L/B=1时，峰后流量快速下降。随着L/B值的增大，峰后过程线有明显的下降后又回升的波动，L/B值越大，下降回升后的高流量值持续时间越长，待流量在较高位置下降后，过程基本相同。由于长宽比的增大，库区越狭长，溃坝初期溃口附近水体迅速向下游倾泻，而狭长形水库的水量供应主要从水库上游方向，溃坝负波未到之处的水体是不受影响的，故溃口附近水体迅速下泄后上游库区不能及时大量供应水体，使溃坝流量产生短暂的下降过程。随着溃坝逆行波向上游传递，上游水量会持续向溃口处涌动，从而使流量反弹并持续，直至库区水量减少到一定程度，溃坝流量开始下降至泄空库容，见图1。

图1 不同长宽比流量过程线

3 库区水深变化对水库溃坝流量过程影响

3.1 研究方案及模型参数选择

研究方案：模拟库容相等的L/B=1(长×宽=200m×200m)湖泊形水库与L/B=4(长×宽=400m×100m)狭长形水库在不同水深(10m、20m、30m、40m)、溃口宽度为100m时的溃坝流量过程，对比分析两者随库区水深变化规律及差异。

模型参数：上游库区水深分别为10m、20m、30m、40m，下游水深为0m；下游出口开边界设为水位常数2m；干水深hdry=0.005m，淹没水深hflood=0.05m，湿水深hwet=0.1m；库区底床摩擦力采用曼宁数表示，设为定值M=32m1/3/s；涡黏系数采用Smagorinsky公式确定，Smagorinsky系数Cs选定为0.28。