王 揚(yáng)，黃本勝，倪培桐，陳丕翔，董 志

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510635； 2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510635； 3.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510635)

1 研究背景

韓江南北堤防洪保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目為廣東省2013年洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目的重點(diǎn)任務(wù)之一，洪水分析模型是分析獲取洪水演進(jìn)及淹沒信息的重要手段，為洪水風(fēng)險(xiǎn)圖制作提供洪水特征等量化依據(jù)[1-2]。

目前，洪水分析計(jì)算模型主要有一維水流模型、二維水流模型及在兩者基礎(chǔ)上耦合的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于研究不同計(jì)算區(qū)域的洪水問題(如河道洪水及潰堤洪水)，利用一、二維耦合模型可以充分發(fā)揮各自模型的優(yōu)勢(shì)，提高模型的計(jì)算效率和精度[3]。近年來，一、二維耦合模型的研究有了較大的發(fā)展。國(guó)外方面，Lin等[4]通過利用一維ISIS模型和二維DIVAST模型對(duì)Greenwith港口漫堤洪水進(jìn)行了模擬；Liang等[5]采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)進(jìn)行一、二維模型的耦合；Dushmanta 等[6]將有限差分法的耦合模型成功應(yīng)用于湄公河的洪水模擬；Bohorquez等[7]利用一維和二維水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)冰河潰壩洪水進(jìn)行了重演；Fernández-Nieto 等[8]利用疊加原理對(duì)一維與二維進(jìn)行了耦合計(jì)算。國(guó)內(nèi)方面，李云等[9]通過一維、二維洪水嵌套模型模擬了淮河臨淮崗段潰壩洪水演進(jìn)過程；黃金池等[10]利用一、二維耦合模型研究了土石壩潰壩情況下的洪水演進(jìn)情況；李大鳴等[11-12]和范玉等[13]采用具有旁側(cè)出流的河網(wǎng)獨(dú)立計(jì)算的一、二維嵌套銜接模式，建立了洪水演進(jìn)數(shù)值仿真系統(tǒng)；苑希民等[14-15]利用一、二維耦合數(shù)學(xué)模型，借助干濕水深理論對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了防洪保護(hù)區(qū)多源洪水運(yùn)動(dòng)的耦合模擬；劉海嬌[16]通過建立河道與潰壩洪水偶聯(lián)的水力學(xué)模型，模擬了淮河流域谷堆圩保護(hù)區(qū)洪水演進(jìn)過程。

通過建立一、二維耦合的潰壩洪水?dāng)?shù)值模型，模擬韓江南北堤潰堤洪水在保護(hù)區(qū)內(nèi)演進(jìn)的情況，分析探討了韓江南北堤樁號(hào)1+720 m處堤防瞬潰后潰口流量水位關(guān)系、保護(hù)區(qū)內(nèi)主要城鎮(zhèn)特征點(diǎn)水深和流速變化以及保護(hù)區(qū)內(nèi)洪水演進(jìn)情況。

2 研究區(qū)概況

韓江南北堤從潮州市湘橋區(qū)的竹竿山腳起，順干流南下，沿西溪右岸，經(jīng)梅溪至汕頭市金平區(qū)岐山的梅溪橋閘止，總長(zhǎng)度42.9 km。韓江南北堤防洪保護(hù)區(qū)北為山丘，東臨韓江南北堤，西靠揭陽市炮臺(tái)海堤和地都海堤，北至汕頭市的牛田洋海堤和梅溪河右岸堤防。韓江南北堤保護(hù)區(qū)內(nèi)水系主要分為韓江水系和榕江水系。研究區(qū)域位置見圖1。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 一、二維耦合數(shù)值模型

一、二維耦合數(shù)值模型的計(jì)算區(qū)域包括韓江、榕江及韓江南北堤保護(hù)區(qū)。一維模型計(jì)算斷面間距控制在500 ～1 500 m以內(nèi)，對(duì)于河寬較小的河段，斷面間距適當(dāng)縮小，使計(jì)算斷面間距與河寬相匹配，河道形態(tài)變化顯著的河段及建有工程(橋、閘、壩、堰等)的位置其斷面適當(dāng)加密。

保護(hù)區(qū)內(nèi)的陸域采用平面二維模型概化。二維模型覆蓋范圍根據(jù)《廣東省洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目2013年度實(shí)施方案》以及韓江河道管理局編制的《韓江下游南北堤志》確定。模型采用不規(guī)則網(wǎng)格，最大網(wǎng)格面積不超過0.1 km2，重要地區(qū)、地形變化較大部分的計(jì)算網(wǎng)格適當(dāng)加密，網(wǎng)格尺寸控制在100～200 m。當(dāng)二維模型范圍高于地面的線狀地物(包括公路、廣梅汕鐵路路基等)時(shí)，將其作為擋水或?qū)Я鹘ㄖ锾幚?。?dāng)泛濫洪水達(dá)到其頂高程時(shí)，線狀地物過流按堰流模式考慮。

對(duì)于一維模型與二維模型的耦合處理，水流以側(cè)向堰流的形式從一維河道流向二維洪泛區(qū)，耦合連接是把河道的計(jì)算水位點(diǎn)與二維網(wǎng)格單元相連，一、二維連接僅考慮質(zhì)量守恒，不保證動(dòng)量守恒。一、二維耦合洪水?dāng)?shù)值模型最終覆蓋的區(qū)域范圍如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域及潰口、特征點(diǎn)、水文測(cè)站布置圖

3.2 模型的率定和參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)有的韓江三角洲下游河道洪水資料，采用“97.8”洪水潮安站、安揭引韓、東鳳引韓3個(gè)水文站點(diǎn)的水位過程及水頭東、水頭西、上滘、梅溪口、南社、石版下、東里7個(gè)斷面的洪峰流量進(jìn)行模型參數(shù)的率定。

表1為韓江三角洲各河道水文測(cè)驗(yàn)斷面洪峰流量率定結(jié)果。由表1可見，除上滘(外沙河)、南社(新津河)、東里(北溪)3個(gè)測(cè)驗(yàn)斷面的洪峰流量計(jì)算誤差超過10%，韓江三角洲其余河道水文測(cè)驗(yàn)斷面的洪峰流量計(jì)算誤差均小于5%。利用“97.8”洪水資料率定得到的韓江三角洲的糙率大致在0.029～0.061之間。

防洪保護(hù)區(qū)的糙率則根據(jù)不同的下墊面類型進(jìn)行選取，保護(hù)區(qū)內(nèi)糙率大致在0.012～0.08之間。圖2為韓江三角洲發(fā)生“97.8”洪水時(shí)各水文測(cè)站實(shí)測(cè)與計(jì)算的水位過程對(duì)比，結(jié)果表明，計(jì)算水位與實(shí)際洪水最大水位誤差在0.01 m以內(nèi)。

就協(xié)商主體而言，它涵蓋從中央到基層、從組織到個(gè)人多個(gè)層面、多種形式。其具體主體包括各黨派、政府機(jī)構(gòu)、人民團(tuán)體、社會(huì)組織和普通群眾等。凡是利益相關(guān)方都能夠參與協(xié)商過程，而不論其組織性質(zhì)、個(gè)人身份。協(xié)商主體的廣泛性不僅有效地保障了各階層群眾對(duì)國(guó)家和社會(huì)層面政治生活、經(jīng)濟(jì)生活、社會(huì)生活、文化生活的知情權(quán)、參與權(quán)、表達(dá)權(quán)、監(jiān)督權(quán)，而且有利于增進(jìn)統(tǒng)一戰(zhàn)線的團(tuán)結(jié)和共識(shí)。協(xié)商民主是大眾參與協(xié)商的機(jī)制，是推動(dòng)共識(shí)形成的過程。協(xié)商主體與統(tǒng)一戰(zhàn)線同盟者具有重合性。協(xié)商越充分，統(tǒng)一戰(zhàn)線凝聚社會(huì)力量的功能就發(fā)揮得越充分。

表1 韓江三角洲各河道水文測(cè)驗(yàn)斷面洪峰

3.3 潰口設(shè)置方案

通過實(shí)地調(diào)研，結(jié)合當(dāng)?shù)胤姥粗笓]部門及有關(guān)地方專家意見，本次潰口設(shè)置于韓江南北堤樁號(hào)1

+720處(見圖1)。潰口潰決方式按瞬潰處理，潰口最終底高程為背河側(cè)地面高程。計(jì)算的水文條件采用韓江發(fā)生200一遇的洪水遭遇外海多年平均天文潮。潰口的寬度初步采用《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則》中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

Bb=1.9(log10B)4.8+20

(1)

式中：Bb為潰口寬，m；B為河寬，m。

潰口寬度計(jì)算方案組合及計(jì)算結(jié)果見表2。

4 結(jié)果與討論

4.1 潰口流量水位過程分析

圖3為潰口流量與水位變化過程線。由圖3可見，韓江南北堤樁號(hào)1+720 m處堤防在外江洪峰水位對(duì)應(yīng)時(shí)刻(t=120 h時(shí)刻)潰決，潰堤峰值流量為10 190 m3/s，潰堤時(shí)外江水位為17.82 m，隨著外江水位降低，潰口進(jìn)入保護(hù)區(qū)的流量逐漸減小，在t=219 h時(shí)刻，外江水位基本與潰口處保護(hù)區(qū)內(nèi)水位相等，此時(shí)潰口由外江進(jìn)入保護(hù)區(qū)內(nèi)的水量基本為0。

圖2 各站點(diǎn)實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位比較(“97.8”洪水)

韓江潮安站洪峰流量/(m3·s-1)相應(yīng)設(shè)計(jì)頻率赤坎站/(m3·s-1)東橋園站/(m3·s-1)保護(hù)區(qū)內(nèi)暴雨/mm媽嶼站日最高潮位/m潰口方案潰堤樁號(hào)/m潰口寬度/m19500200年一遇5481450145.01.251+720300

圖3 潰口流量與水位變化過程線

4.2 淹沒水深和流速分析

為探討洪水演進(jìn)過程中對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)各城鎮(zhèn)和居民區(qū)的影響規(guī)律，選取了洪水演進(jìn)過程中影響較大的城鎮(zhèn)特征點(diǎn)來分析淹沒水深和洪水流速的變化。保護(hù)區(qū)內(nèi)主要城鎮(zhèn)特征點(diǎn)位置見圖1，特征點(diǎn)的水深和流速變化過程見圖4～5。

由圖4可知，堤防潰決后，洪水歷時(shí)5 h到達(dá)離潰口較近的湘橋區(qū)等城鎮(zhèn)，金石鎮(zhèn)、炮臺(tái)鎮(zhèn)、地都鎮(zhèn)、彩塘鎮(zhèn)距潰口較遠(yuǎn)，洪水歷時(shí)20 h以上才能抵達(dá)，其中金平區(qū)洪水前鋒到達(dá)時(shí)間最長(zhǎng)，為58 h。云路鎮(zhèn)、登崗鎮(zhèn)和湘橋區(qū)由于地勢(shì)較低，最大淹沒水深普遍在2 m以上，并且在洪水消退后，仍有0.9 m左右的積水。

圖4 保護(hù)區(qū)內(nèi)各特征點(diǎn)水深變化圖

圖5 保護(hù)區(qū)內(nèi)各特征點(diǎn)流速變化圖

4.3 洪水演進(jìn)過程分析

韓江南北堤樁號(hào)1+720 m處潰堤后(潰口寬度為300m)6、12、24、48、72、96 h的洪水演進(jìn)情況見圖6。

潰堤后6 h，洪水前鋒西南側(cè)到達(dá)登崗圍，東南側(cè)已經(jīng)到達(dá)浮洋鎮(zhèn)。此時(shí)楓溪鎮(zhèn)最大淹沒水深超過3.0 m，保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒面積91.06 km2。潰堤后12 h，洪水前鋒沿西南方向抵達(dá)榕江，南側(cè)洪水順地勢(shì)而下到達(dá)中離溪，東南側(cè)洪水沿廣梅汕鐵路東側(cè)南下到達(dá)龍湖鎮(zhèn)。其中楓溪鎮(zhèn)、鳳塘鎮(zhèn)最大淹沒水深超過2.5 m，保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒面積148.92 km2。潰堤后24 h，洪水前鋒西南側(cè)已經(jīng)到達(dá)炮臺(tái)鎮(zhèn)，東南側(cè)沿廣梅汕鐵路到達(dá)彩塘鎮(zhèn)附近。此時(shí)楓溪鎮(zhèn)、鳳塘鎮(zhèn)及浮洋鎮(zhèn)最大淹沒水深超過2.5 m，保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒面積208.5 km2。

潰決后48 h，西南側(cè)洪水沿榕江北堤南下，前鋒漫過地都鎮(zhèn)向牛田洋海堤推進(jìn)，東南側(cè)洪水前鋒到達(dá)大港河及外砂鎮(zhèn)。此時(shí)楓溪鎮(zhèn)、鳳塘鎮(zhèn)、浮洋鎮(zhèn)的最大淹沒水深超過2.0 m，保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒面積238.79 km2。

潰決后72 h，洪水沿榕江北堤南下淹沒金平區(qū)，東南側(cè)洪水淹沒外砂鎮(zhèn)大港河與南北堤汕頭段區(qū)域，鳳凰鎮(zhèn)、登崗鎮(zhèn)及浮洋鎮(zhèn)部分澇水隨楓江、中離溪等河道逐漸排入榕江。此時(shí)保護(hù)區(qū)內(nèi)洪水淹沒范圍達(dá)到最大，主要澇區(qū)的淹沒水深均超過1.5 m，保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒面積為250.65 km2。

潰決后96 h，保護(hù)區(qū)內(nèi)澇水隨楓江、中離溪、大港河等主要連通榕江的河流排入外江，此時(shí)保護(hù)區(qū)內(nèi)除了鳳塘鎮(zhèn)等地勢(shì)低洼的澇區(qū)外，大部分陸域的淹沒水深不超過1.0 m。

圖6 保護(hù)區(qū)內(nèi)96 h內(nèi)的洪水演進(jìn)情況

5 結(jié) 論

本文基于一、二維水力學(xué)耦合模型，建立了韓江南北堤防洪保護(hù)區(qū)潰壩洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型，分析了韓江南北堤瞬潰后潰口流量水位關(guān)系、主要城鎮(zhèn)特征點(diǎn)的水深和流速變化及洪水演進(jìn)過程。

(1)堤防瞬潰后，潰口峰值流量出現(xiàn)在潰壩瞬間，隨外江水位下降，潰口流量減小，至潰壩99 h后基本為0。

(2)韓江南北堤樁號(hào)1+720 m處堤防潰決后，湘橋區(qū)距潰口最近，受洪水破壞最嚴(yán)重，最大流速值超過1.3 m/s。云路鎮(zhèn)、登崗鎮(zhèn)和湘橋區(qū)由于地勢(shì)較低，最大淹沒水深普遍在2 m以上，建議當(dāng)?shù)胤姥床块T在潰堤后加強(qiáng)上述地區(qū)的排澇及避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移工作。廣梅汕鐵路由于路基較高，一定程度上阻礙了洪水演進(jìn)，造成鐵路附近村莊壅水較高，建議防汛部分做好排水導(dǎo)流工作。