落全富,安莉娜

(1.杭州市青山水庫管理處,浙江 臨安 311305;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

青山水庫是一座以防洪為主,兼有灌溉、供水、發(fā)電等功能的綜合利用的大型水庫,總庫容2.13億m3。水庫校核標(biāo)準(zhǔn)P=0.01%,校核洪水位36.87 m(吳凇高程,下同);設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為P=1%,設(shè)計(jì)洪水位為34.40m;移民標(biāo)準(zhǔn)為P=5%,移民水位為33.00m;土地淹沒賠償標(biāo)準(zhǔn)為P=20%,水位為31.70m。隨著社會(huì)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,洪水災(zāi)害所造成的損失越來越大,洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究已經(jīng)成為災(zāi)害研究中的一個(gè)重要內(nèi)容。青山水庫作為東苕溪上游骨干防洪控制工程,擔(dān)負(fù)著保護(hù)西險(xiǎn)大塘、杭州市及下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重任,其主要防護(hù)對(duì)象為杭嘉湖東部平原,包括省會(huì)杭州市錢塘江北岸地區(qū),如何建立高效的防洪安全保障體系,制定切實(shí)有效的防洪減災(zāi)措施,是擺在人們面前的一項(xiàng)既艱巨又重要的使命。

2 青山水庫潰壩洪水模擬[1].

2.1 青山水庫主壩潰壩流量計(jì)算

2.1.1 最終潰口寬度經(jīng)驗(yàn)公式

參考中國(guó)水利水電科學(xué)研究院陸吉康經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

Hb為潰決水深(水庫潰決時(shí)刻水位-壩址斷面平均底高程),m;

Vr為水庫有效下瀉庫容,m3;

Bm為最終潰口的平均寬度,m;

K為修正系數(shù),對(duì)于漫頂造成的潰決K=1;

對(duì)于管涌造成的潰決K=1/4。潰口寬度,這里指平均寬度為梯形潰口上下寬度的平均值。

2.1.2 潰決時(shí)間

原則上,按線性速度擴(kuò)展,按照以下公式確定:

當(dāng)t=0 B=B0為初始寬度(m),一般可取5～20m;

當(dāng)t＞TfB=Bm潰口不再發(fā)展;

Tf=0.002 45kVr0.53Hb(-0.90)為潰口發(fā)展時(shí)間(h);

K一般在1.0至(Hb+15.3)/Hb之間變化。

參考相關(guān)資料和文獻(xiàn)(我國(guó)板橋水庫潰壩時(shí)間歷時(shí)1.5 h,青海溝后大壩為砂礫石面板壩,潰決歷時(shí)1.7 h;美國(guó)Teton土壩潰決歷時(shí)為1.25 h),結(jié)合上述潰壩相關(guān)公式確定青山水庫主壩潰壩的主要參數(shù)。水庫遭遇100 a一遇、1000a一遇、10 000 a一遇洪水情況下進(jìn)行全潰的潰決時(shí)間見表1。

表1 青山水庫主壩潰壩潰決時(shí)間表

2.1.3 最大潰決流量

參考相關(guān)文獻(xiàn)[2-5].,最大潰壩流量計(jì)算公式采用如下公式:

式中 Qm、g、B、bm、H0分別表示大壩潰決最大流量(m3/s)、重力加速度(m/s2)、壩長(zhǎng)(m)、最終潰口寬度(m)、潰決水深(m)。

2.1.4 潰壩流量過程線

設(shè)基流為零(基流較 Qmax小很多,可忽略不計(jì),也可算完以后加上),假設(shè)洪峰已經(jīng)求出,為 Qmax(m3/s);潰決洪量已經(jīng)求出,為 W(m3);洪水歷時(shí)為 Tn(s),待求,則t時(shí)刻流量Q的公式:

當(dāng) t=0 時(shí),Q=Qmax;當(dāng) t=Tn時(shí),Q=0。

故有

潰決洪量W表達(dá)為:

將(5)代入(6)可得:

將(8)代入(5),可得洪水過程線的公式為:

根據(jù)上述公式,計(jì)算出青山水庫主壩潰壩的相關(guān)參數(shù)見表2。壩址處潰壩流量過程線見圖1。

表2 青山主壩潰壩洪水計(jì)算方案主要參數(shù)表

圖1 青山水庫主壩潰壩壩址處潰壩流量過程曲線圖

2.2 潰壩洪水對(duì)下游的淹沒計(jì)算

2.2.1 潰壩洪水?dāng)?shù)學(xué)模型[5-8].

本次研究潰壩洪水流量對(duì)其下游的影響,采用目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用相當(dāng)廣泛的MIKE21軟件的水動(dòng)力模塊進(jìn)行模擬?？刂品匠倘缦?

式中 x、y、t分別為空間、時(shí)間坐標(biāo);Z為水位,m;h為水深,m;u、v分別為垂線平均流速在x和y方向的分量,m/s;M、N分別為單寬流量在x、y方向的分量,m2/s;M=hu,N=hv;n為曼寧糙率系數(shù);c為謝才系數(shù),為紊動(dòng)黏性系數(shù);g為重力加速度。

模型采用的數(shù)值方法是矩形交錯(cuò)網(wǎng)格上的ADI法,具體離散用半隱式,求解用追趕法,交錯(cuò)網(wǎng)格上各物理量的布置如圖2所示,其中;Z、h、u、v分別處于不同的網(wǎng)格點(diǎn)上。

圖2 交錯(cuò)網(wǎng)格示意圖

2.2.2 計(jì)算參數(shù)

(1)計(jì)算范圍。由于青山水庫主壩潰壩洪水影響范圍未知,為了能夠完全囊括潰壩洪水對(duì)下游的影響范圍,本次計(jì)算范圍包括主要轄區(qū)為臨安的青山鎮(zhèn)、杭州的余杭區(qū)、西湖區(qū)、拱墅區(qū)、上城區(qū)、濱江區(qū)、下城區(qū)、江干區(qū)、湖州的德清縣。

(2)計(jì)算地形。計(jì)算地形采用浙江省測(cè)繪局測(cè)量的1∶10 000地形。

(3)網(wǎng)格劃分。由于計(jì)算區(qū)域的地形為1∶10 000地形,而這些地區(qū)河網(wǎng)交錯(cuò)復(fù)雜,河寬較小,本次計(jì)算中未能考慮平原河網(wǎng)。計(jì)算中用矩形網(wǎng)格進(jìn)行離散,每個(gè)單元邊長(zhǎng)為50m,共布置矩形單元1.2×106個(gè),節(jié)點(diǎn)1 202 199個(gè)。

(4)河道概化。由于青山水庫下游河網(wǎng)復(fù)雜,河寬較小,青山水庫主壩潰壩對(duì)下游淹沒影響的計(jì)算中只考慮青山水庫下游主要河流,其中余杭區(qū)余杭鎮(zhèn)以上稱南苕溪;余杭鎮(zhèn)以下河段稱東苕溪。

(5)初始條件。即迭代計(jì)算開始時(shí)刻洪泛區(qū)各點(diǎn)的流速(u,v)和水深(h)的分布,淹沒區(qū)域取初值為0(即干底處理)。

(6)邊界條件。本次研究中上邊界為青山水庫主壩在設(shè)計(jì)洪水分別為100 a一遇、1000 a一遇和10 000 a一遇情況下的潰壩洪水流量過程與潰壩時(shí)候以后的入庫洪水流量過程之和。下游邊界為動(dòng)邊界,平原邊界和水域邊界作為自由出流處理。

(7)糙率率定。糙率十分復(fù)雜,與多種因素有關(guān),如淹沒區(qū)域地形地貌、植被、土壤、水位高低、阻水建筑物的密度與走向。同時(shí),淹沒區(qū)域也缺乏實(shí)測(cè)糙率資料,目前多采用經(jīng)驗(yàn)估值,由于淹沒區(qū)域經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá),人類活動(dòng)對(duì)糙率的影響很大,參考美國(guó)水土保持部在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的不同植被條件不同阻滯水程度的糙率分析成果和國(guó)內(nèi)相關(guān)研究成果,分析淹沒區(qū)汛期植被類型、淹沒特點(diǎn),在東苕溪河道內(nèi)取糙率0.02,淹沒區(qū)域綜合選取糙率范圍為0.035～0.040。

2.3 洪水淹沒范圍分析

青山水庫潰壩對(duì)下游的影響范圍指不同頻率洪水潰壩后可能涉及的范圍,計(jì)算表明潰壩后主要淹沒的是杭州市余杭區(qū),此外,杭州市西湖區(qū)也受到影響。青山水庫主壩潰壩1 h流速分布圖和等值線圖及淹沒范圍見圖3～5,潰壩洪水最大淹沒水深見表3。

圖3 青山水庫主壩潰壩淹沒范圍圖(10 000 a一遇)

圖4 青山水庫主壩潰壩1 h流速場(chǎng)圖(10 000 a一遇)

圖5 青山水庫主壩潰壩1 h水深等值線圖 (10 000 a一遇)

表3 青山水庫主壩潰壩后洪水最大淹沒水深及范圍表

3 結(jié) 論

以青山水庫保護(hù)范圍作為研究區(qū)域,建立了青山水庫潰壩洪水模型,并計(jì)算了不同洪水頻率下最大可能淹沒范圍、淹沒水深、流速、歷時(shí)、到達(dá)時(shí)間等風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的空間分布,為潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)管理提供了科學(xué)依據(jù)。由計(jì)算結(jié)果得出,當(dāng)發(fā)生潰壩洪水時(shí),防護(hù)區(qū)將遭受非常嚴(yán)重的災(zāi)害,潰壩后主要淹沒的是杭州市余杭區(qū),此外,杭州市西湖區(qū)也受到影響。

[1].安莉娜.洪水風(fēng)險(xiǎn)圖試點(diǎn)項(xiàng)目—青山水庫、東苕溪西險(xiǎn)大塘洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制水利計(jì)算技術(shù)報(bào)告 [R]..杭州:浙江省水利河口研究院,2007.

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