“7·20”强降雨影响下的常庄水库泄洪风险分析

栗毓敏，李子阳，陈 诚，陈冠英

（1.郑州市常庄水库管理处，河南 郑州 450042；2.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；3.水利部 大坝安全管理中心，江苏 南京 210029）

0 引言

常庄水库位于郑州市市区西南，淮河流域颖河水系贾鲁河支流贾峪河上，水库控制流域面积82 km2，正常蓄水位130.00 m，死水位118.93 m。水库按100 a一遇洪水设计，相应设计洪水位131.34 m，库容1 102万m3；5 000 a 一遇洪水校核，相应校核洪水位135.07 m，总库容1 708 万m3。水库功能以防洪为主，兼顾城市应急供水。水库下游为郑州市区，有南水北调中线干渠、京广和陇海两大铁路干线、连霍高速、310 国道及京广客运专线等重要基础设施，水库地理位置十分重要。

2021 年郑州遭遇“7·20”特大暴雨袭击，其中最大1 h 降雨量201.9 mm，突破我国大陆气象观测记录历史极值，最大24 h 雨量696.9 mm 出现在常庄水库附近（尖岗站）。“7·20”强降雨影响下常庄水库水位、蓄水量快速上升，并产生了较大流量泄洪，对下游防洪风险带来一定影响。尤其下游的南水北调中线干渠距水库溢洪道泄洪闸仅1 150 m，该处贾峪河倒虹吸段的安全泄洪直接关系干渠的运行安全。本文通过“7·20”强降雨期间的库水位变化、水库调度方式及水位库容泄量关系等资料，推算“7·20”强降雨产生的入库流量及泄水过程，借助无人机航拍获取下游区间的地形数据，基于二维水动力学模型反演分析“7·20”强降雨期间的水库泄洪淹没情况；通过模拟分析获取水库下游至贾峪河倒虹吸处的淹没水深、淹没时长和流速等特征数据，据此分析“7·20”强降雨期间的倒虹吸泄洪安全性，对常庄水库泄洪引起的洪水风险进行综合评估，并提出水库泄洪风险防御的建议和对策。

1 “7·20”强降雨期间常庄水库泄洪分析

1.1 降雨分析

2021 年7 月20 日前后，郑州遭遇罕见持续强降水天气过程。根据河南省水利厅、郑州气象局、中央气象台等信息［1］，2021 年7 月17 日8：00 至23 日8：00全市累计平均降水量约为530 mm，7 月20 日最大单日降雨量624.1 mm（郑州站）。其中1 h 最大点雨量201.9 mm（郑州站，7 月20 日16：00—17：00），突破我国大陆气象观测记录历史极值（198.5 mm，1975 年8月5 日河南林庄）；24 h 最大雨量696.9 mm（尖岗站）是郑州市年均降水量640.8 mm 的1.08 倍。“7·20”强降雨产生的小时降水、单日降水均已突破自1951 年郑州站建站以来的历史记录。

根据常庄水文站记录，7 月20 日前后降雨量分别为：7 月19 日138.3 mm，7 月20 日672.9 mm，7 月21日58.0 mm，最大小时雨量为7 月20 日15：00—16：00的192.1 mm。其中降雨强度集中的7 月20 日8：00至22 日7：00 常庄水库降雨逐小时分布情况见图1。

图1 常庄水库“7·20”强降雨期间降雨量

1.2 入库洪水及泄洪分析

“7·20”强降雨期间常庄水库调度运行方式如下：7 月19 日8：00 库水位开始上涨，7 月20 日8：00水位超汛限水位达127.50 m（汛限水位127.49 m），7月20 日10：30 水位上涨至127.83 m 时输水洞按3 m3／s流量开闸泄洪，溢洪道未泄洪；7 月20 日12：30输水洞闸门全开泄洪；15：20 库水位128.94 m，溢洪道闸门全开泄洪；7 月20 日19：10 库水位最高达131.31 m；此后水位逐步回落，20：30 库水位130.84 m，水库压减泄流量100 m3／s，7 月21 日01：00 溢洪道增加泄流量100 m3／s；至7 月22 日23：00 水位降至汛限水位以下。“7·20”强降雨期间常庄水库水位、蓄水量变化过程线见图2。

图2 常庄水库“7·20”强降雨期间库水位、蓄水量变化过程线

根据水库水位—泄流量关系、2020 年水库新测的淤积库容曲线及“7·20”期间的水库调度情况记录，通过流量平衡推算水库入库流量及下泄流量见图3。由计算可知，“7·20”强降雨产生的最大入库流量为816 m3／s，最大24 h 入库洪量约为1 765 万m3，最大出库流量为550 m3／s。

图3 常庄水库“7·20”强降雨期间入库流量与下泄流量变化过程

2 “7·20”强降雨期间常庄水库泄洪淹没反演分析

2.1 地形测量与建模

受城区建设影响，水库下游地形条件变化较大，采用无人机航拍获取地形数据。根据分析需要，通过无人机拍摄常庄水库下游至贾峪河倒虹吸段的多幅图像，拍摄时间为2022 年3 月10—11 日，该时段水库通过输水洞下泄流量为27 L／s。基于运动恢复结构（Structure From Motion，SFM）技术［2－3］从包含视觉运动信息的二维图像序列中恢复三维结构，构建该区域地形数据，以进行常庄水库设计洪水下泄的淹没分析。

SFM 的基本原理是在相机模型的基础上，通过图像的特征点匹配，建立不同视角拍摄图像的场景点之间的对应关系；再根据多视图几何原理，优化计算得到这些场景点的三维坐标和相机的位姿参数，从而生成三维点云数据。

根据无人机拍摄图像对常庄水库溢洪道和输水洞两个泄洪通道区域进行地形测量和三维建模，分析所得地形高程如图4 所示，其中测量范围内两条公路桥的桥下地形根据周围地形变化趋势插值获取。

图4 常庄水库下游分析区域地形高程

采用三角形网格对计算区域进行划分，对溢洪道、输水洞、下游河道、南水北调中线渠道附近网格进行了局部加密，网格最小边长为5 m，周边区域网格最小边长设置为10 m，由此建立有限元计算模型。

2.2 参数反演

“7·20”强降雨期间水库泄洪下游淹没水深缺乏记录资料，根据当时下游最大淹没水深时的照片，对照大坝典型断面图，估算下游最大淹没高程约为114.50 m。

依据航测高精度地形图，采用MIKE21 水动力模型［3－4］，根据常庄水库“7·20”强降雨期间下泄流量过程进行洪水演进分析。采用现场照片估算的淹没水深，对模型参数进行率定，糙率分区域赋值：下游河道裸露，石块杂草较多，取0.035；溢洪道以及输水道为整齐排列的石块并用灰浆勾缝，取0.020；周边地区主要是土和砂质，有稀疏杂草、杂树以及矮小农作物，取0.040。计算常庄水库下游至贾峪河倒虹吸区域最大淹没水深，如图5 所示。根据模型计算的最大淹没范围时的下游最高水位为114.37 m，与现场巡查记录情况基本吻合。

图5 “7·20”强降雨期间水库下游最大淹没水深

3 泄洪风险评估

常庄水库下游行洪通道贾峪河通过倒虹吸下穿南水北调中线干渠，距水库溢洪道泄洪闸仅1 150 m。贾峪河倒虹吸100 a 一遇设计洪峰流量为425 m3／s，300 a一遇校核洪峰流量为556 m3／s；而常庄水库的设计防洪标准为100 a 一遇，相应最大泄洪流量565 m3／s，5 000 a 一遇校核，相应最大泄洪流量1 500 m3／s。可以看出，贾峪河倒虹吸设计防洪标准与常庄水库现状设计洪水标准存在不一致的情况。设计标准的不一致，导致常庄水库在设计洪水下泄时可能对南水北调中线干渠正常运行带来不利影响。通过“7·20”强降雨期间常庄水库泄洪分析可以看出，水库最大下泄流量550 m3／s 已基本达到倒虹吸校核标准，需对其在“7·20”强降雨期间的安全泄洪情况进行分析。分析思路为：首先分析“7·20”强降雨期间常庄水库泄洪引起的下游倒虹吸处的淹没水深、流速和淹没时长，再以此为边界条件分析倒虹吸处的泄洪安全状况。

3.1 倒虹吸淹没水深及时长分析

根据“7·20”强降雨期间的洪水演进分析，提取贾峪河倒虹吸处水深及时长等特征数据（见图6 和图7），结果表明：20 日19：30 贾峪河倒虹吸处淹没水深最大，为7.9 m，最高水位为114.37 m；该段贾峪河倒虹吸顶高程为114.90 m，渠顶高程为121.265 m，渠道外坡在洪水位以下采用浆砌石护坡，护坡护至114.90 m高程。对比可见，洪水最大淹没范围已接近渠道坡脚位置，但尚未对坡脚造成直接冲刷，“7·20”强降雨期间常庄水库泄洪未对贾峪河倒虹吸及该段渠道产生明显淹没影响。

图6 “7·20”强降雨期间倒虹吸处最大淹没水深

图7 “7·20”强降雨期间倒虹吸处淹没历时

3.2 倒虹吸泄洪安全分析

图8 为最大淹没水深时所对应的流场。在淹没水流下出现明显回流区且水流流速较大，渠道外坡处最大流速为2.56 m／s；但淹没范围还处于坡脚浆砌石护坡保护范围，且淹没历时较短，未对渠道外坡产生淘刷影响。

图8 倒虹吸最大淹没水深时的流场

3.3 泄洪安全综合分析

从分析结果可以看出，郑州“7·20”强降雨期间在常庄水库产生的最大入库流量为816 m3／s（发生时间为20 日18：00），经水库运行调度最大出库流量为550 m3／s（发生时间为20 日19：00），接近水库100 a一遇设计洪水标准的最大泄洪流量（565 m3／s），也与水库下游南水北调中线贾峪河倒虹吸300 a 一遇校核洪峰流量（556 m3／s）相当。

水库下游至贾峪河倒虹吸段“7·20”强降雨期间的洪水演进分析结果表明，20 日19：30 贾峪河倒虹吸处淹没水深最大，此时最高水位为114.37 m，洪水最大淹没范围已接近渠道坡脚114.90 m 高程，未对坡脚造成直接冲刷；在淹没水流下渠道坡脚外坡出现明显回流，最大流速为2.56 m／s，因坡脚有浆砌石护坡保护，未对渠道外坡产生明显淘刷，这与“7·20”强降雨后的巡查结果一致。但水库最大下泄流量时倒虹吸入口处已存在较大淹没范围，建议加强对渠坡的防冲保护，并设置必要的视频监控设施。

4 结束语

系统分析了“7·20”强降雨影响下郑州市常庄水库洪水下泄风险。首先通过水库调度记录推算了“7·20”强降雨导致的洪水入库和泄水过程，继而通过无人机航拍技术构建了水库下游分析区域地形数据，借助二维水动力学模型反演分析了“7·20”强降雨期间的水库泄洪下游淹没情况；通过模拟分析贾峪河倒虹吸处的淹没水深、淹没时长和流速等特征数据，认为常庄水库“7·20”强降雨期间泄洪未对下游贾峪河倒虹吸安全产生明显影响。考虑水库最大下泄流量550 m3／s 已基本达到倒虹吸校核标准，倒虹吸入口处已存在较大淹没范围，建议进一步加强对渠坡的防冲保护，并设置必要的监测设施。