基于水库溃坝洪水特征量的淹没危险性研究.pdf

:/.:/第 卷 增 人民珠江 年 月 收稿日期:作者简介:罗德河()男硕士工程师主要从事水利工程防灾减灾、安全评价等方面研究 :.基于水库溃坝洪水特征量的淹没危险性研究罗德河李玉起史文杰(珠江水利委员会珠江水利科学研究院广东 广州)摘要:水库大坝防护着下游人民的生命财产安全预先掌握下游淹没范围和受灾区的危险程度对下游防灾减灾至关重要 溃坝洪水的淹没水深、流速、到达时间等洪水特征量是下游致灾严重程度的关键性影响因素利用 模拟均质土坝的二维溃坝及洪水演进获得下游淹没区的淹没水深、流速及洪水到达时间等洪水特征量采用层次分析法计算淹没水深及流速的权重并考虑洪水到达时间对致灾的影响构建淹没区的危险度指标将淹没区划分为高风险、中风险、低风险并绘制洪水淹没风险图 研究成果可作为分区制定应急转移方案的依据为应急决策和减灾提供技术支撑关键字:溃坝模拟洪水特征量危险度洪水风险图中图分类号:.文献标志码:文章编号:()近年来极端天气频发部分流域雨情、汛情、旱情历史罕见水库大坝作为水利枢纽的重要组成部分在防洪、供水、灌溉、发电等功能中发挥了重要的作用而中国.万多座的各类水库中有.万座水库存在病险主要为小型水库 年中国部分地区发生严重洪涝灾害有 座水库出现漫坝、溃坝等重大险情其中河南郑州“”特大暴雨期间常庄水库(中型水库)发生多处管涌郭家咀水库(小()型)发生漫坝导致下游坝坡大范围冲刷垮塌所幸未发生决口溃坝 根据 座溃坝数量的统计大坝发生溃决大部分是多种原因共同导致的结果包括漫顶、质量问题、管理不当等其中漫顶导致溃坝占比.为溃坝发生的主要原因而漫顶因超标准洪水、泄流能力不足等导致随着除险加固工程实施及运行管护能力提高中国大坝溃坝事件明显减少 据统计中国自 年有溃坝记录以来至 年共发生溃坝事件 座而 年中国发生水库溃坝 座年均溃坝率为.溃坝率已明显降低然而水库一旦发生溃坝对下游的损失是巨大的因此建立每座水库的洪水淹没风险图尤为重要 国内外对水库溃坝模拟已有不少研究成果班华珍通过 模拟不同方案的溃决过程分析演进规律和淹没特征并运用灾害系统理论分析溃坝洪水风险孙锐娇等模拟了不同工况下各计算断面最高水位及对应时间以此分析受灾区经济损失贺娟等建立一维溃坝洪水演进模型对淹没范围及流速进行分析赵雪莹等用溃坝数学模型模拟了洪水演进获得下游风险区水位变化过程并分析溃坝洪水对下游影响洪水淹没风险图的研究主要为模型模拟结果的直观应用而进行深层次的分析研究较少本文考虑溃坝洪水淹没水深、流速及洪水到达时间的影响构建危险度指标并依此绘制由低风险、中风险、高风险区域组成的洪水淹没风险图为下游危险区实行分区管理和应急转移提供技术支撑 研究方法.二维溃坝模型计算原理 可用于一维、二维水动力学模型分析其中一维模型已有大量的研究成果二维水动力人民珠江 年增刊 学模型为近期新增其模型精度高适用于溃坝洪水的淹没分析本文采用该软件进行模拟分析 二维水动力模型的原理是浅水方程其基本假定是水深尺度远小于另 个平面尺度连续方程、动量方程计算公式见式()、():()()式中 水位 水深 流速/单宽流量/水平方向运动黏度/河床底部糙率 科里奥利系数 垂直方向单位矢量 提供了多种溃口参数计算模型根据大坝的特征参数预测溃口本次模拟采用()回归方程溃口参数计算见式()、():.().()式中 溃口平均宽度 常数(漫顶为.管涌为.)溃坝时水库库容 最终溃口高度 溃口形成时间.洪水淹没危险度溃坝洪水演进过程中影响下游危险程度的洪水特征量主要包括淹没水深、流速、洪水到达时间等本文基于以上特征参数定义洪水淹没危险度见式():()()式中 洪水淹没危险度 淹没水深 流速 淹 没 水 深 危 险 权 重 流速危险权重 洪水到达时间折减系数由于淹没水深与流速数值及物理意义上存在差异采用转换函数赋值法分别将淹没水深与流速进行归一化处理计算见式()、():()()()()式中、系数、淹没水深和流速最大值经处理后、值在 区间内发生溃坝时洪水到达下游的时间对应急抢险、人员转移等起到关键作用根据王立辉研究成果洪水到达时间小于 时可划分为危险区洪水到达时间大于 时可划分为轻灾区 本文将洪水到达时间作为下游危害程度的折减系数当洪水到达时间小于 时危险性极高取.当洪水到达时间大于 时危险性减轻取.当洪水到达时间介于 时不进行折减取.对于淹没水深及流速危险性权重、采用层次分析法确定几何平均法计算权重见式():()()()按照洪水演进过程对下游造成危害的影响程度在对淹没水深及流速重要性程度赋值时取淹没水深比流速稍重要即标度取 则可计算得到淹没水深的危险性权重 为.流速的危险性权重为.溃坝淹没风险分析.工程概况共成水库位于新兴县太平镇共成圩附近、新兴江大南河支流共成河上游距新兴县城 是一座以防洪、供水、灌溉为主兼有发电和水产养殖等综合效益的中型水库保护下游 万亩农田、县城及附近圩镇共 万人口及三茂铁路、新肇公路等的人民生命财产安全 水库集雨面积为 设计洪水标准为 年一遇校核洪水标准为 年一遇总库容 万 大坝为均质土坝坝顶轴线长 坝顶宽 最大坝高 水库的水位 库容关系曲线及校核洪水工况的洪水过程线见图、.洪水淹没分析溃坝洪水淹没分析建模的地形数据采用 分辨率 上游勾绘出水库并输入库容曲线下人民珠江 年增刊 游淹没范围根据地形地貌尽可能涵盖所有的淹没区域可进行多次试算 根据洪水演进情况溃坝模拟时长取 图 水位 库容曲线图 洪水过程线(.)模拟考虑漫顶后溃坝(溃坝后无洪水输入)、大坝漫顶后遭遇校核洪水过程 种情况 其中校核洪水工况洪峰流量为 /日入库洪水总量为 万 为验证模型计算的准确性通过计算水库总水量(含入库流量)与出库水量的相对误差判别模拟结果是否满足水量平衡条件 计算结果见表 模拟的 种工况相对误差均在 之内基本满足水量平衡条件表 溃坝模拟水量平衡验证计算工况水库总水量/万 坝址过流水量/万 相对误差/漫顶溃坝无洪水输入 .漫顶溃坝遭遇校核洪水 .根据 模拟分析结果得到各工况对应的淹没水深图、流速图及洪水到达时间图其中淹没水深及流速采用前述归一化公式处理计算结果见图)工况 淹没水深危险值)工况 流速危险值)工况 到达时间图 不同工况溃坝洪水淹没水深及流速危险值、洪水到达时间人民珠江 年增刊)工况 淹没水深危险值)工况 流速危险值)工况 到达时间续图 不同工况溃坝洪水淹没水深及流速危险值、洪水到达时间.淹没风险图绘制根据前述方法可计算出不同区域的危险度定义危险度 .为高风险区、危险度 .为低风险区危险度 介于.为中风险区则可求得不同区域所属的风险区并绘制洪水淹没风险见图)工况)工况 图 洪水淹没风险可以得到:本文绘制的洪水淹没风险图直观地展示下游淹没区所受影响的危险程度所模拟的 种工况淹没范围变化较小其中工况 在淹没区下游淹没范围有所扩大淹没区的中、上游危险度分区变化不大而在淹没区下游工况 的中风险区域面积有所扩大人民珠江 年增刊 结语本文利用 软件模拟了水库溃坝的洪水特征参数通过对淹没水深、流速、洪水到达时间对下游淹没区危险性影响的分析提出洪水淹没危险度的计算方法根据各区域计算的风险度划分为低风险、中风险及高风险区并依此绘制洪水淹没风险图 根据本文提出的方法绘制的淹没风险图可以清晰地得到各区域的危险程度为下游可能的受灾区分区制定应急转移方案提供依据为应急决策和减灾提供技术支撑参考文献:解家毕孙东亚.全国水库溃坝统计及溃坝原因分析.水利水电技术():.张建云杨正华蒋金平.水库大坝病险和溃坝研究与警示.北京:科学出版社.班华珍.土石坝水库溃决模拟及洪水风险研究.南宁:广西大学.孙锐娇杜伟超谢谟文.基于 与 的水库溃坝风险分析.测绘地理信息():.贺娟王晓松.基于 及 的溃坝洪水分析.水利水运工程学报():.赵雪莹王昭升盛金保.梯级水库溃坝洪水模拟.人民长江():.宁聪傅志敏王志刚.模型在二维溃坝洪水研究中的应用.水利水运工程学报():.刘希林王小丹.云南省泥石流风险区划.水土保持学报():.王立辉.溃坝水流数值模拟与溃坝风险分析研究.南京:南京水利科学研究院.(责任编辑:程 茜)(上接第 页).黎磊张笑辰秦海明等.食块茎水鸟及水位对沙湖沉水植物冬芽分布的影响.生态学杂志():.杨诚康玉辉高健等.外来种福寿螺()对 种沉水植物的牧食偏好及水体理化因子的响应.湖泊科学():.杨诚.克氏原螯虾和福寿螺对沉水植物生长及水体理化因子的影响研究.武汉:湖北工业大学.孙健贺锋张义等.草鱼对不同种类沉水植物的摄食研究.水生生物学报():.马顷.水绵和刚毛藻的生态适应性及其干扰作用对四种沉水植物的影响.新乡:河南师范大学.张璐.刚毛藻对沉水植物、蓝藻生长及沉积物营养迁移影响研究.武汉:武汉理工大学./.叶春于海婵宋祥甫等.底泥对沉水植物生长和群落结构的影响.环境科学研宄():.(责任编辑:高天扬)