李志平，张永胜，沙瑞华

(水利部松辽水利委员会，吉林 长春 130021)

1 问题的提出

察尔森水库是一座以防洪、灌溉为主，结合发电、养鱼等综合利用的大型水利枢纽工程，水库控制流域面积为7 780 km2。随着国民经济的迅速发展，洪水灾害所造成的损失越来越大，洪水灾害风险研究已成为灾害研究中的一个重要内容。察尔森水库作为洮儿河干流上唯一的控制性工程，担负着下游内蒙古自治区和吉林省6个旗县市的14.2万hm2农田、32.4万hm2草原、200多万人口的生命财产安全和平齐、白阿、长白、通让4条铁路安全的重任，如何建立高效的防洪安全保障体系，制定切实有效的防洪减灾措施，是摆在人们面前的一项既艰巨又重要的使命。借助国家防汛抗旱指挥部办公室开展洪水风险图试点的契机，对察尔森水库的溃坝洪水进行了模拟，模拟了水库大坝溃决后保护区内洪水的演进过程和淹没范围，为察尔森水库防洪风险管理提供了重要依据。

2 溃坝洪水模拟

2.1 溃决特征

根据察尔森水库的大坝坝型、坝长、筑坝材料等因素分析，确定大坝的溃决形式为渐溃，失事主要形式为漫顶和管涌，口门形态为梯形。

2.1.1 最终溃口的平均宽度及溃决历时

最终溃口的平均宽度及溃决历时参考《洪水风险图编制导则》中的水电科学研究院陆吉康经验公式计算：

式中：Bm——最终溃口的平均宽度，m；Tf——溃决历时，h；K——修正系数；Vr——水库有效下泄库容，m3/s；Hb——溃决有效高度，m。

最终溃口的平均宽度及溃决历时成果见表1。

表1 溃口宽度及溃决历时计算表

2.1.2 溃决最大流量

目前国内有关溃坝洪水计算的经验公式较多，但缺乏完全确定的模拟方法，本次计算时按照不同溃决方式采用不同的经验公式做了比较，各种经验公式计算结果差别较大，最后采用在统计已有土石坝的资料基础上得到的经验表达式：

式中：QP——溃决最大流量，m3/s；HW——溃口高度，m；VW——可泄库容m3；g——重力加速度，m/s2。

公式的计算参数中，溃口高度取最大坝高，可泄库容取溃决水位时的相应库容12.53×108m3，计算得溃决最大流量为52 000 m3/s。

2.2 溃坝洪水向下游演进

溃坝洪水向下游的演进过程与溃坝形式、溃决最大流量、区间蓄水量、下游水位等有关，尚无统一的推求方法。本次洪水演进分别采用了一维非恒定流数值模型、经验公式法、马斯京根法进行分析。经分析一般的非恒定流计算模型不能很好地模拟水库溃坝洪水的演进，经验公式法同考虑溃坝洪水传播速度与调蓄能力变化后的马斯京根法成果差别不大，因此对察尔森水库溃坝洪水向下游演进采用经验公式法分析计算。

察尔森水库下游镇西水文站以下为平缓冲积平原地区，溃坝洪水演进至镇西水文站下游约20 km后从两岸跑水，跑水后的水流走向较为复杂，可分为三大部分：一部分洪水沿洮儿河河道经三顶召分洪后汇入月亮泡水库；第二部分右岸洪水沿洮儿河堤防顺低洼地势同三顶召分洪洪水汇合后汇入查干泡；第三部分左岸洪水沿低洼地带在月亮泡水库以北形成蓄水区并逐渐流入月亮泡水库。根据水库溃坝洪水向下游演进及下游地区跑水情况，分成察尔森水库—跑水口洪水、跑水口以下河道洪水、左岸洪水、右岸洪水四部分进行分析。

2.2.1 跑水口位置分析确定

察尔森水库以下至镇西水文站为浅山丘陵区，镇西水文站以下约20 km逐渐向平原转化，地形呈喇叭口形状，再以下则为平原地区。水库溃坝后，沿程水位迅速增加，由于受河道地形条件限制，溃坝洪水在察尔森～镇西水文站区间冲破或淹没堤防后仍将沿河谷传播，不会大面积扩散，出镇西水文站后顺地势向两岸逐渐扩散，水位逐渐降低，流速减小，堤防开始露出水面，水流分成河道、左岸、右岸三部分向下游演进。本次分析，跑水口位置按堤顶高程高于控制断面计算最高水位时的位置，即堤防露出水面位置确定，按照上述原则推算，分水口位置位于水库下游距坝址距离约95 km，即在镇西水文站下游20 km附近，处于洮儿河由山丘区刚进入平原区的入口河段。

2.2.2 跑水口分流比分析

溃坝洪水出镇西水文站后顺地势向两岸逐渐扩散，演进至跑水口断面时，水面宽度从镇西水文站附近河段的约5 km增加到21 km，水位逐渐降低，洮儿河堤防开始露出水面，溃坝洪水开始向两岸跑水。经分析计算确定跑水口分流原则为：流量小于2 900 m3/s时从河道下泄，大于2 900 m3/s时扣除河道过流按左岸分流69%、右岸分流31%的比例向两岸分配，进而将跑水口断面流量过程线分割成河道、左岸、右岸流量过程线。按照上述原则对溃坝洪水演进到跑水口处流量过程线进行分割，其中：河道流量为2 900 m3/s，左岸分洪洪峰流量为8 256 m3/s，右岸分洪洪峰流量为3 709 m3/s。

2.2.3 察尔森水库～跑水口洪水演进

察尔森水库至跑水口距离约为95 km，区间有支流归流河汇入，由于溃坝洪水峰高量大，因此对溃坝洪水的分析不考虑区间洪水。

1）流量计算。采用里斯特万经验公式：

式中：Qlm——当溃决最大流量演进至距坝址为L处时，在该处出现的最大流量，m3/s；W——水库溃坝时的库容，m3；Qm——坝址处的溃坝最大流量，m3/s；L——下游断面距坝址距离，m；V——河道洪水期断面最大平均流速，在有资料的地区可采用历史上的最大值，如无资料，一般山区可采用3.0～5.0 m/s，半山区可采用2.0～3.0 m/s，平原区可采用1.0～2.0 m/s；K——经验系数，山区K=1.1～1.5，半山区K=1.0，平原区 K=0.8～0.9。

2）溃坝洪水传播时间和流量过程线。采用黄河水利委员会水利科学研究所根据试验确定的经验公式。

①洪水起涨时间计算公式为

式中：L——下游断面距坝址距离，m；H0——坝上游水深，m；W——水库可泄总水量，m3；h0——溃坝洪水到达前下游计算断面平均水深，即与基流相应的平均水深，m；K1——经验系数，等于（0.65～0.75）×10-3；T1——洪水起涨时间，s；hm——最大流量时的平均水深，m；K2——经验系数，等于0.8～1.2；T2——最大流量到达时间，s。

③下游断面流量过程线计算公式

求得洪水起涨时间和最大流量到达时间后，根据基流流量、溃坝最大流量,将流量过程概化为三角形，时间T3由下式确定：

②最大流量到达时间计算公式为

式中：Qlm——计算断面处最大流量，m3/s；W——水库可泄总水量，m3。

根据上述4个公式算出水库下游各断面的溃坝洪水流量过程线，再用曼宁公式计算各断面的水力要素，最后得出溃坝后下游各断面的计算成果。

2.2.4 跑水口以下河道洪水

本次进行溃坝洪水分析时，跑水口处河道洪峰流量2 900 m3/s，即与1998年大洪水时镇西水文站洪峰流量相同。虽然河道洪峰流量仍超过现状堤防的设计标准，但同1998年大洪水比较，洪峰流量相同的情况下洮儿河堤防过流能力已比1998年时有了较大提高，如果水库溃坝后进行有效的抢险工作，可以保住洮儿河国堤不决口，因此对跑水口以下河道洪水按不冲毁堤防考虑，河道洪水经三顶召分洪后可以安全汇入月亮泡水库。

2.2.5 左岸洪水

洪水从跑水口向两岸跑水后，由于洮儿河下游地形复杂，有山前坡地，平原及沼泽湿地等，不能再采用洪水在河谷中的演进计算方法，跑水后的洪水采用水文学分析方法。左岸洪水从跑水口跑水后，顺地势流经约78 km后，至月亮泡水库以北形成蓄水区域，左岸水流流经区域淹没平均水深约1.7 m，淹没宽度在4.8～20 km之间。

2.2.6 右岸洪水

右岸洪水从跑水口跑水后，沿地势流经约70 km后，至洮南市下游同三顶召分洪洪水汇合，流入查干泡后泄入嫩江。分析时同样采用水文学分析方法，右岸水流流经区域淹没平均水深约1.4 m，淹没宽度在4～18 km之间。

2.3 洪水淹没范围

计算表明察尔森水库溃坝洪水淹没范围涉及乌兰浩特市、白城市洮北区、洮南市等3个城区及270个村屯，淹没面积5 695 km2，淹没区内人口745 799人，淹没耕地919 km2。淹没范围见表2。

3 结论

以察尔森水库保护范围作为研究区域，对察尔森水库溃坝洪水进行了模拟，得出了水库溃坝后的淹没范围、淹没水深、淹没历时、到达时间等风险指标的空间分布，同时通过确定的淹没范围内影响的城区及村屯，按照方便就近的原则选择了安全撤离路线和安置点，为察尔森水库的溃坝洪水风险管理提供了科学依据。由计算结果得知，当发生溃坝洪水时，下游防护区将遭受非常严重的灾害，溃坝后主要淹没的是内蒙古自治区的乌兰浩特市和吉林省的白城市洮北区、洮南市。

表2 察尔森水库溃坝洪水淹没范围及人口统计成果表