日照水库溃坝洪水影响分析

官庆朔 王莹莹 侯龙潭 薛 霞

(1.青岛市水利勘测设计研究院有限公司，山东 济南 250013；2.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013；3.济南大学，山东 济南 250022)

近年来，超标准突发性强暴雨等极端事件频发，暴雨形成的洪水威胁着大坝安全，一旦大坝失事，洪水冲出，四处奔袭，对其下游的社会经济将造成巨大损失[1-3]。而随着计算机和数值模拟技术的发展，这一过程逐渐可以被人们通过模拟、计算预先得到，进而采取相应的措施进行预防，为大坝安全管理和洪水风险分析提供必不可少的参照及支撑[4]。

1 概述

日照水库位于滨海水系傅疃河中上游，日照市东港区驻地以西16 km处，是多年调节综合利用的大(2)型水库，日照市区主要的防洪枢纽工程和水源地，控制流域面积548 km2，总库容33 569万m3。

日照水库下游傅疃河流经3个区7个乡镇、街道办事处，影响着70个自然村的6.71万人口、17万亩耕地，并保护着204国道、兖石铁路、日兰、沈海高速公路以及部分临港大中型企业的防洪安全。一旦水库发生溃坝，将对下游城镇、村庄、耕地以及人民的财产安全造成重大影响。

本文分析计算了日照水库可能发生的溃坝风险，计算了不同工况下的溃坝流量过程，并基于MIKE21软件建立水动力模拟模型，模拟日照水库发生溃坝时下游洪水演进过程、区域的淹没情况等，研究分析其洪水影响，为工程实践提供理论参考和判断依据。

2 溃坝分析

2.1 溃坝风险分析

水库坝体溃决的可能因素主要包括超标准洪水、工程隐患、地震灾害、上游水库溃坝、上游大体积漂移物的撞击事件、战争与恐怖事件以及其他等因素。根据溃坝过程的时间长短，溃坝可以分为瞬时溃坝和逐渐溃坝；根据溃坝缺口规模大小，溃坝可以分为全部溃坝和局部溃坝[5]。

根据日照水库大坝坝型、结构、筑坝材料、施工质量、坝基及岸坡的地形等条件，工程隐患和可能导致大坝溃决的主要因素，日照水库溃坝形式主要有遇超标准洪水引起的全溃和超设防标准地震或遇恐怖袭击等突发事件引起的局部溃坝。

2.2 溃坝洪水计算

1)根据《水力计算手册》[6]，对超标准洪水引起的全溃时，在坝体瞬时全溃条件下的溃坝最大流量计算公式为：

(1)

其中，Qm为溃坝最大流量，m3/s；g为重力加速度，m/s2；B为坝址处的库面宽，通常以坝长表示，m；H0为坝上游水深(静水头)，m。

2)对坝体局部溃决的坝址溃坝最大流量，计算公式为：

(2)

3)对于泄空时间T，由式(3)计算确定：

(3)

其中，K为经验系数，对于四次抛物线，K取4～5，对于2.5次抛物线，K取3.5。

经计算，对汛期超标准(5000年一遇)洪水引起的瞬时全溃，采用日照水库防浪墙顶高程48.60 m计算，大坝溃坝全长按1 473 m计，溃坝时坝前平均水深23.0 m,最大泄流量150 784 m3/s，总历时3.30 h。

对于汛期超标准(2000年一遇)洪水引起的瞬时局部溃坝，采用日照水库2000年一遇最高洪水位46.04 m计算，溃坝时坝前平均水深20.44 m，溃口宽度440 m，最大泄流量50 996 m3/s，总历时7.84 h。

对于非汛期由地震、恐怖破坏引起的瞬时局部溃坝，采用日照水库目前正常蓄水位43.00 m计算，溃坝时坝前水深17.4 m，溃口长度370 m，最大泄流量35 093 m3/s，溃坝总历时7.76 h(见图1)。

3 洪水影响分析

3.1 计算方法

采用二维水动力模型MIKE21进行洪水模拟计算，模型的数值计算方法采用有限体积法，可以更加详尽和准确的反映溃坝洪水在纵向和横向上各水力要素的变化规律[7]。在模拟过程中，本次主要考虑道路、堤防等构筑物的挡水和导流作用。

3.2 水库下游模型设计

3.2.1网格划分

综合考虑日照水库下游地形、河网分布、堤防高程及完整情况，确定本次模拟区域范围：东侧以海岸线为界，西侧大致以50 m等高线为界，北侧以G1511日兰高速、新石铁路为界，南侧以巨峰河左堤为界，总面积289.2 km2，模型范围共涉及东港区、岚山区、经济开发区等多个区县。模型范围见图2。

采用不规则三角形网格，在地势较为平顺、地形及地物较为简单的区域，网格可以适当加大，以便尽量减少模型的计算时间；在河道、堤防等较为重要的地物附近，可以适当加密网格，以便提高关键区域的模拟精度，本次模型所划分的最大网格面积为5 000 m2，最小网格面积为21 m2，划分网格总计17.64万个，节点8.89万个(见图3)。

为充分考虑计算区域内高于地面的道路、堤防等线状地物对洪水演进的影响，在模型中采用局部加高的方法对道路、堤防进行概化处理[8]。主要包括：1)铁路。区域内涉及的铁路包括兖石铁路、青日连铁路、新石铁路；2)公路。区域内涉及高速公路(G1511日兰高速、G15沈海高速、S7801日照石臼港区疏港高速)、国道(G204国道)、省道(S220，S222，S335，S341，S613)等道路；3)堤防。区域内涉及的堤防主要有傅疃河左右堤、南湖河左右堤、崮河左右堤、川子河左右堤、巨峰河左堤等。线状地物对洪水演进的影响主要体现为其阻水和导流作用，因此，应在模型中准确反映地物顶高程及平面走向。提取高程散点共计69.7万个，模型中地形的插值处理采用自然临近法，散点分布与插值后的地形如图4，图5所示。

3.2.2边界条件

本次计算中，将日照水库大坝设置为流量边界，其长度与上述各工况下计算所得溃口宽度一致，流量采用计算所得溃坝流量过程，将傅疃河、川子河、绣针河入海口设置为水位边界。

计算采用分区糙率。根据《洪水风险图编制导则》[9]，一般需采用实测洪水资料对计算区域的糙率进行分析率定，若该地区不具备率定条件，可根据《水力学计算手册》确定，也可参考采用相似条件地区的糙率。本次计算区域无溃堤洪水演进实测资料，因此采用《水力学计算手册》中的建议值，针对计算区域内的村庄、道路、河流、堤防等不同的地物设置不同的糙率，以此来反映计算区域不同下垫面条件对洪水演进的影响。

3.2.3计算工况及时间设置

模型共设置三种计算工况，即汛期超标准洪水全溃、汛期超标准洪水局溃、非汛期超标准洪水局溃。模拟时间为3 d，根据计算精度要求，模型主时间步长设置为30 s，共8 640步。

3.3 模型验证

为了验证模型计算的稳定性，导出模型在模拟时间内计算区域各个时刻的初始水量、积水量、由开边界出入的水量及其变化情况，以此来得出模型的计算误差。经统计，以上三种计算工况中所累积的最大计算误差为1.72万m3，约为模型参与计算总水量的0.03%，模拟误差满足计算精度要求，说明该模型具有良好的物质质量守恒性，模型运算稳定，计算结果可靠。

3.4 计算成果及分析

3.4.1计算区域最大淹没水深

经模型模拟计算，以上三种工况下，下游淹没情况如图6所示。从图6中可以看出，由于受地形影响，三种工况下溃坝洪水淹没范围差别很小，但淹没水深有较大差距：汛期超标准洪水全溃>汛期超标准洪水局溃>非汛期超标准洪水局溃。同时，溃坝流量越大，淹没水深越大，淹没情况越严重，对下游人民的生命财产安全与公共基础设施等的威胁越大。

3.4.2淹没区域影响分析

由计算结果统计得出，日照水库大坝发生溃决时，下游淹没范围主要涉及水库下游地势较为低洼的区域，具体包括：东港区的后村镇、南湖镇、日照街道、涛雒镇，经济开发区的奎山街道、北京路街道，岚山区的高兴镇等7个乡镇、街道办事处，90个自然村的9.06万人口的安全，以及204国道、兖石铁路、日兰和沈海高速公路与青连高铁等交通干线以及临港大中型企业等防洪重点保护对象。

4 结语

本文以日照市日照水库大坝及其下游区域为研究对象，基于MIKE21建立水动力学模型，通过计算其可能出现的溃坝情况及模拟其下游区域溃坝洪水演进过程和淹没情况，分析得出了下游高风险区域范围。由于地形条件影响，不同流量的三种工况下(汛期超标准洪水全溃、汛期超标准洪水局溃、非汛期超标准洪水局溃)溃坝洪水淹没范围差别较小，而淹没水深差别较大。基于此，本文可为日照水库相关工程建设实践提供较为明确的参考和判断依据，便于日照水库下游影响区域内避险转移安置工作的顺利进行。文中采用的思路及相应的计算方法也可为相关问题和更为复杂的研究提供借鉴。