抽水蓄能电站溃坝过程模拟及应急响应措施研究——以梅州抽水蓄能电站为例

周水兵，金 苗，江廷锋，陈光泽，李东豪

(1.南方电网调峰调频发电有限公司 运行分公司，广州 514400；2.梅州蓄能发电有限公司，广东 梅州 514600；3.南方电网调峰调频发电有限公司 工程建设管理分公司，广州 514400；4.珠江水利委员会 珠江水利科学研究院，广州 510611)

1 概述

目前，大力发展清洁可再生能源成为全球应对环境污染和气候变化的共同选择。抽水蓄能作为经济最优、最具大规模开发条件的一种绿色低碳可再生能源利用方式，在全球范围内得到了广泛应用[1-2]。根据《抽水蓄能中长期发展规划(2021—2035 年)》，从“十四五”开始，未来我国抽水蓄能电站将持续增多。随着近年来气候变化的加剧，极端水文事件发生的概率显著增加，抽水蓄能电站水库溃坝、产生严重安全事故的风险增大。由于溃坝洪水的突发性和极大破坏性，大坝一旦失事溃决，将对下游地区人民群众生命财产和生态环境造成毁灭性影响[3-5]。

正是由于溃坝洪水的巨大危害性，诸多学者对溃坝洪水进行了研究，其中，溃坝洪水过程模拟和应急响应措施研究是溃坝洪水风险分析和防灾减灾的重要手段之一。艾子欣[6]等以红旗水库为例，采用经验公式方法计算溃口形式及流量过程，模拟分析不同溃坝工况下的洪水演进过程，编制洪水风险图，为编制大坝安全管理应急预案提供技术支撑；沈洋等[7]以金牛山水库为例，采用MIKE软件耦合的方法，同时考虑不同水库水位与入库设计洪水组合情况，计算溃坝洪水及其演进过程；宋利祥[8]基于二维浅水方程和Godunnv型有限体积法，建立了适用于不规则计算域和地形上的溃坝洪水二维数学模型，以漳河水库为例进行了溃坝洪水分析，绘制了最大淹没水深、洪水到达时间等洪水风险图。但上述研究均为单库溃坝模拟和风险分析，而在具有上、下水库的抽水蓄能电站中溃坝模拟研究较少[9]。主要是由于受到抽水蓄能电站双库水体轮换、调度利用计划等因素影响，使得电站溃坝时机难控、传递和叠加机理复杂，进而较难进行数值模拟。

为此，文章以梅州抽水蓄能电站为研究对象(以下简称“梅蓄电站”)，结合电站调度计划和电站大坝工程特征，考虑多种潜在溃坝风险，研究适合于双库抽水蓄能电站的溃坝数值模拟方法，并分析溃坝洪水影响，制定科学合理的应急响应措施，旨在提高电站应急响应能力，保障人民群众生命财产安全。

2 研究区概况

梅蓄电站位于梅州市五华县龙村镇黄狮村内，距广州市直线距离210 km，系韩江流域琴江支流先水河上游唯一抽水蓄能电站，控制集雨面积为36.38 km2，上下两库总库容为9 180万m3，装机容量为2 400 MW(见图1)。

梅蓄电站主要功能为发电，由上水库、下水库、输水系统和发电厂房组成，按一等工程、一级建筑物设计，上下库两库大坝设计标准和校核标准均分别为500 a和5 000 a。上下两库通过引水洞连接，为周调节水库，无防洪库容，总库容控制在4 000万～5 000万m3。梅蓄电站上库正常蓄水位为815.50 m，总库容为4 254万m3；主坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝顶高程为820.00 m，坝顶宽度为10.00 m，最大坝高为60.00 m；副坝为均质土坝，设计坝顶高程为820.00 m，坝顶宽度为7.00 m，最大坝高为11.00 m，设有环形堰竖井式溢洪道，堰顶高程为815.50 m。下库正常蓄水位为413.5 m，总库容为4 926万m3；主坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程为419.00 m，最大坝高为85.0 m，坝顶长度为317.5 m。副坝右侧为长约400 m的单薄分水岭，防渗形式采用上墙下幕方式，防渗墙深入强风化花岗岩以下1.0 m。设有表孔溢洪道以及泄放管，溢洪道堰顶高程为413.5 m，正常蓄水位时泄放管泄流能力为67 m3/s。根据工程区域DEM数字高程模型分析结果，上库溃坝后其溃坝水流都将流入下库中。

3 建模理论及方法

溃坝洪水模拟研究主要包括大坝溃决模拟和下游洪水演进计算。其中，大坝溃决模拟包括溃口发展过程模拟和溃口流量过程计算，下游洪水演进计算包括一维河道洪水演算和二维地表洪水演算。通过大坝溃决模拟可获得溃口流量过程，以此作为上边界提供给下游洪水演进模型，最终实现特定水文条件和溃决形式下的溃坝洪水模拟。

3.1 工况设置

抽水蓄能电站溃坝受多类型因素影响，文章综合考虑各溃坝因素影响，并结合梅蓄电站上下水库总库容控制计划，设定多种溃坝场景。溃坝基本假设为：① 非汛期时，假定电站遭遇地震、战争等极端突发事件，坝高大、坝顶长、溃坝影响大的下库混凝土主坝溃决；② 汛期时，假定水库遭遇设计标准或超标准洪水，根据上下水库运行条件不同，考虑上下库连环溃坝和下库单独溃坝。其中，连环溃坝假定上库初始为正常蓄水位815.5 m，竖井式溢洪道堵塞，无法正常下泄，以致库内水位上涨，副坝达最高水位全溃，流入下库后使得下库副坝全溃，造成连环溃坝；下库单独溃坝假定下库初始为正常蓄水位413.5 m，上水库不下泄，下库坝前水位达最高水位时主坝瞬时全溃/副坝全溃。共计设置6种溃坝工况场景(见表1所示)。

3.2 溃口模型

根据溃口形成历时长短，可将溃坝方式分为瞬时溃决和逐渐溃决。混凝土坝主要考虑瞬时溃决由经验公式方法计算溃口流量[10]，而土石坝的溃决过程是一个随溃口宽度和深度增加而逐渐溃决的过程，主要通过基于参数的模型计算方法或基于物理过程的模型计算方法计算，如DAMBR模型、BREACH模型等，相关研究已较为深入[9]。但使用经验公式方法计算混凝土坝瞬时溃决流量时难以考虑不规则溃口形状和下游水位顶托的影响，因此文章采用零维水库耦合二维河道地表网格的方法进行计算。该方法通过特定水库的水位-库容关系曲线对水库进行零维概化，库区下游河道及周围地表则使用全二维模型进行概化，通过修正坝址处二维网格节点底高程概化任意溃口形状，建立零维水库和局部二维模型的耦合关系，使用基于圣维南方程特征线进行求解的HLL近似黎曼算子计算溃口流量大小，以适应上下游不同的水位、流速。

梅蓄电站上下库主坝均为混凝土重力坝，副坝均为均质土坝。文章溃坝工况设置中，下库主坝考虑瞬时全溃，下库副坝坝长较长，考虑逐渐溃决影响，上库副坝坝长较短，考虑瞬时全溃。

计算下库主坝瞬时溃决的溃口流量时，使用零维水库耦合二维河道地表网格的方法进行计算，零维水库为下水库，二维计算区域上游以下库坝址为界，下游以先水河为界，先水河左、右岸两侧淹没区以地势较高的山区坡脚为界，下游采用自由出流边界，零维水库与二维模型上边界进行耦合，模型示意见图2。计算下库副坝逐渐溃决的溃口流量时，则采用常用的BREACH模型进行计算。

图2 零维—二维耦合溃口流量计算模型范围示意

3.3 溃坝洪水演进模型

文中溃坝洪水演进模型为水库下游一维河道和洪泛区二维地表侧向耦合联解模型，用于模拟溃坝洪水在河道中及漫溢至河道两岸农田、村庄后的演进情况。一维河道水流模型采用圣维南方程组作为单一河道非恒定流控制方程，采用有限体积法进行方程离散，运用Riemann求解器计算控制体之间的数值通量以实现模型求解，可解决溃坝水流中干河床、逆坡、复杂流态模拟等问题，适应性强。二维地表洪水演进模型计算采用无结构网格有限体积法，用高性能格式建立适用于不规则计算域和地形上溃坝洪水淹没区浅水流动的数学模型。数值求解方面，运用基于Godunov格式的有限体积法进行控制方程离散求解，详细过程可参考文献[8]。一维、二维模型通过耦合边界的水力连接条件来实现模型联解(见图3)。

图3 一维—二维模型侧向耦合方式示意

文中一维河道模型范围为梅蓄电站下水库坝下、琴江(先水河汇口上)至琴江水口水文站以及五华河城区段，建模总河长为136.4 km，共布设109个断面，断面间距200～1 000 m，采用近期实测断面地形资料。一维模型上边界采用下库溃口流量过程以及相应的琴江干支流洪水过程，下边界采用琴江水口站实测水位流量关系曲线。二维地表模型计算区域上游以梅蓄电站下水库坝址、琴江先水河汇口上游为界，下游以琴江水口水文站为界，干支流两侧淹没区以地势较高的上坡脚为界。采用三角网格进行剖分，以准确拟合任意不规则边界。模型范围面积约为327.2 km2，共计剖分161 037个单元、85 048个节点。基于1∶10 000DEM，对河道两侧可能淹没区的网格进行高程插值。同时，结合土地利用类型数据，按照下垫面情况进行计算区域糙率赋值，糙率范围为0.025～0.1。

将上述一维河道模型与二维地表模型进行侧向耦合，耦合边界共计105个，耦合后的水动力模型可用于模拟梅蓄电站不同溃坝场景下溃坝洪水在河道和河道两岸地表的演进过程，一二维耦合水动力模型示意见图4。

图4 一二维耦合水动力模型示意

3.4 模型计算与结果分析

3.4.1溃口流量模拟结果

非汛期下库主坝瞬时全溃工况，假定梅蓄电站非汛期遭遇地震、战争等极端突发事件，下库主坝在正常蓄水位瞬时全溃，不考虑上库下泄或发电。以F1为例，t=0 h时，库水位最高为413.5 m，对应库区水量为4 264万m3，大坝溃决，由零维-二维耦合计算模型计算得到下库最大溃口流量为42 650 m3/s，溃坝流量过程见图5。

上下库依次溃坝过程中(F2和F3)，假定上库溢洪道堵塞，坝前水位达最高水位时副坝瞬时全溃，受上库溃坝洪水冲击影响，下库达最高水位时副坝逐渐溃决。以F3为例：t=78 h，库水位最高达到416.08 m，对应库区水量为4 723万m3，大坝溃决，使用BREACH模型计算得到下库最大溃口流量为3 082 m3/s，溃坝流量过程见图6。不同溃坝场景下的溃口流量计算结果见表2。

图6 汛期下库主坝逐渐溃决出入库洪水过程(F3)示意

表2 各溃坝工况溃口流量计算结果

3.4.2溃坝洪水演进模拟结果

由上述溃口流量计算模型及水库下游一二维耦合水动力模型，对不同溃坝场景下梅蓄电站溃坝洪水演进过程进行模拟。计算结果表明，溃坝后各特征点的水位过程线总趋势是靠近坝址处波峰陡峭，沿流程逐渐坦化；由于溃坝洪水量级远超河道正常行洪能力，下游两岸地势较陡的河段，地形对河道洪水扩散的约束作用明显，导致河道洪水位涨落幅度大；地势平坦区，溃坝洪水漫过河道向两侧扩散显著，减小了洪水沿河道向下游传播的强度和速度，其水位涨落幅度相对偏小。以5 000 a一遇上下库副坝依次溃坝方案(F3)为例，当发生5 000 a一遇洪水过程时，上库竖井式溢洪道堵塞，无法正常下泄，库内水位上涨，水位达到最高818.40 m时副坝瞬间全溃，瞬时最大溃口流量910 m3/s，受溃口流量的作用，坝前水位迅速下降至最低。而受上水库急速下落的溃坝洪水影响，下库水位最高达到416.08 m，对应库区水量为4 723万m3，下水库最大溃坝流量为3 082 m3/s。下库溃坝后，下游河道各特征点的水位过程见图7，由结果可知，各特征点的水位过程趋势基本一致，在溃坝发生后水位突然上升，且距离水库越近上升幅度越大，模型合理反映了溃坝洪水在河道中的传播过程。先水河、琴江干流水位包络线示意见图8、图9，由图可知，该工况下，先水河中下游地区存在大片淹没，尤其是车前寨、榕溪村、硿下等河道两岸地势较低的村社区域，淹没较大，部分淹没水深达到8 m以上。对于琴江，在河道两岸的河滩地和低洼地区存在一定的淹没情况，主要体现在龙村镇、汕湛高速南北、安流镇、横陂镇以及五华县城下游地区。

图7 特征点的水位过程计算结果(F3)示意

图8 先水河最高水面线成果(F3)示意

图9 琴江最高水面线成果(F3)示意

3.4.3洪水风险分析成果

本模型合理模拟了溃坝洪水传播过程，相关计算结果符合洪水演进规律。依据模型计算结果，各溃坝方案场景下计算结论和洪水影响见表3所示。在此基础上，文章建立了不同溃坝场景下的溃坝风险图，对梅蓄电站溃坝洪水到达时间、淹没水深、淹没范围及洪水影响等过程特征进行预测，以直观展示电站溃坝后工程下游区域受淹没影响情况和洪水灾害程度，评估洪水灾害可能造成的损失，更好地制定防灾减灾应急响应对策和措施，由于篇幅受限，文章不一一列出。

表3 各溃坝方案工况计算结论及洪水影响

当先水河流域发生超标准洪水导致梅蓄电站水库溃坝时，溃坝洪水所影响的区域主要集中在先水河沿河的村庄，遭遇琴江干流洪水后，淹没总面积呈现随溃坝洪水量级、琴江干流洪水增大而增大的趋势，电站下游琴江干支流两岸龙村、河东、水寨、横陂四镇为主要的溃坝洪水受灾区。以F6为例，最大淹没水深风险示意见图10。溃坝洪水总淹没面积为67.36 km2，淹没深度在1 m以上的面积占比达68%，洪水所到之处树木房屋倒塌较多，受淹房屋35 000余栋，受影响人口175 299人，龙村、河东、水寨、横陂四镇中心遭受毁灭性打击，受影响人口分别为31 164人、23 065人、61 291人、44 222人。此外，水库溃坝后，下游G238国道、G325国道、S19兴汕高速、G35济广高速等基础设施严重受损，交通中断，给先水河及琴江干流两岸村庄、基础设施等造成严重后果，对沿岸企业、居民生产生活造成较大影响。

4 应急响应措施

由上述梅蓄电站溃坝洪水计算分析成果可知，梅蓄电站在超标准洪水、地震等极端工况下溃坝后，将严重威胁下游人民群众的生命和财产安全。为减少灾害损失和保障人民群众的生命财产安全，需要因地制宜地采取切实有效的应急响应措施。

1)预先分级，确定应急响应启动条件

根据梅蓄电站上下水库实际运行情况，将可能出现的超标准洪水、重大工程隐患、地震、水库运行管理不当以及战争或恐怖袭击等重大险情，按照险情的严重程度和影响范围，以及可能发生的概率，从高到低分为四级：特别重大(Ⅰ级)、重大(Ⅱ级)、较大(Ⅲ级)和一般(Ⅳ级)，同时确定应急响应的启动条件。

2)事先防范，做好险情监测及预警

梅蓄公司工作人员时刻监视上下水库水位变化和降雨量，同时及时关注梅州市五华县气象台发布的有关强降雨信息，及时准确地进行洪水预报，做好水雨情监测；加强对梅蓄电站大坝及各水工建筑物日常监测和定期巡视检查，及时掌握大坝运行动态。根据预报的洪水量级和地震等级不同，启动不同等级的预警，由电站防汛办公室以各种通讯手段向公众发布相应等级的预警信息，及时上报主管部门及地方政府等。

3)统一指挥，做好组织保障

梅蓄电站成立由应急指挥中心、应急办公室、现场应急处置工作组组成的应急组织机构。发生突发事件时，由应急指挥中心统一指挥应急处置工作，统筹调配人力、物力资源，协调各相关部门开展紧急救援工作。应急办公室负责收集、分析、传递和发布突发事件信息，并确保相关组织部门间联络通畅。现场应急处置工作组以现场处置组为核心，技术支持组、综合后勤保障组及安全监督组各保障小组提供支持，负责落实梅蓄公司应急指挥中心的相关决策和要求，做好现场应急处理和救援工作。

4)应急处置，实施抢险救援

按照梅蓄电站工程险情分级启动相应应急抢险措施。当遭遇超标准洪水或其他重大险情，可能发生水库溃坝时，通过地方防汛抢险指挥部并协调当地政府，根据梅蓄电站溃坝洪水避险转移图，将工程下游沿河两岸处在溃坝洪水危险区内的居民进行转移，按照就近、安全等原则转移到达相应的安置点，重点转移居民区为龙村、河东、水寨、横陂四镇。安置点兼顾行政隶属，以学校、政府单位或地势较高的广场、公园等作为下游群众和企事业单位的主要避护场所，并按照“撤得出、住得下、不挨饿、能救援”的原则进行布置，确保人员安全和基本生活。溃坝事件发生后，及时进行灾后恢复和重建工作，必要时进行损失赔偿[11-14]。

5 结语

文章以梅州抽水蓄能电站为例，对溃坝洪水模拟方法进行研究和分析，采用零维水库耦合二维河道地表网格法进行混凝土坝瞬时溃决流量溃口计算，采用BREACH模型法进行土石坝逐渐溃决溃口流量计算，建立基于Godunov格式有限体积法的一二维耦合的溃坝洪水演进模型，合理模拟了梅蓄电站单库溃坝、上下水库连环溃坝等工况下的洪水演进过程，分析了溃坝洪水风险并绘制洪水风险图，在此基础上制定了科学合理的应急响应措施。文章对抽水蓄能电站多种可能溃坝因素和场景进行了综合考虑，具有一定的推广应用价值，一些溃坝洪水模拟的关键问题的处理对其他类似溃坝过程洪水模拟也具有一定借鉴意义。