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(長江科學院 水利部江湖治理與防洪重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

長江是我國最大的河流，特殊的氣候、地理特征導致流域洪澇、臺風和山洪等災害頻繁發(fā)生，歷史上造成了大量的人員傷亡和嚴重的經(jīng)濟損失。長江中下游地處沖積平原，沿江人民生命財產(chǎn)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設施主要靠堤防保護，洪水來量大與河槽泄流能力小的矛盾極為突出，洪水災害較為頻繁。中游荊江河段由于兩岸支流眾多，江湖關(guān)系復雜，更是長江流域防洪的重點[1]。松滋江堤是荊江河段防洪工程體系的組成部分，20世紀以來松滋江堤發(fā)生了4次潰決，并發(fā)生多處管涌險情[2]。

國內(nèi)外目前已有較為成功的河網(wǎng)模型[3-5]，基于荊江—洞庭湖區(qū)域的一、二維模型也得到了較為充分的應用及驗證[6-8]。但是考慮到荊江分蓄洪區(qū)的應用，針對特大洪水下長江干流洪水、松滋河分流洪水的演進過程以及防洪保護區(qū)內(nèi)洪水的吐納及其相互影響的規(guī)律很少涉及。因此本文運用較為成熟的河網(wǎng)汊點分組解法建立求解河網(wǎng)模型[9]，并通過堤防潰口與防洪保護區(qū)內(nèi)的平面二維水流模型進行耦合[10]，建立了荊江—防洪保護區(qū)洪水演進模型。由于防洪保護區(qū)缺乏實測資料進行驗證，本文從水量平衡、不同方案下松滋口分流情況及潰口進洪過程對計算結(jié)果進行了合理性分析。

圖1 松滋江堤示意圖Fig.1 Sketch of Songzi Levee

2 松滋江堤防洪保護區(qū)概況

松滋江堤位于長江上荊江河段南岸松滋市境內(nèi)，西起松滋老城，東至涴市隔堤，全長51.2 km，其中松滋老城至胡家崗為沿松滋河的支堤，長16.8 km；東大口至靈鐘寺為沿采穴河的民堤，長9.8 km；靈鐘寺至涴市隔堤為長江干堤，長24.6 km。松滋江堤走向如圖1所示。

松滋江堤防洪保護區(qū)位于長江中游南岸，涵蓋湖北省松滋市、公安縣及湖南省安鄉(xiāng)縣等區(qū)域。保護區(qū)地處巫山余脈和武陵山余脈向江漢平原過渡的交匯處，地勢自西北向東南傾斜，西高東低，平原湖區(qū)地勢由北向南微傾。保護區(qū)內(nèi)平展廣闊，河渠縱橫，有松東河、松西河自北向南匯入洞庭湖，同時松東河、松西河間還有大大小小的串河相連(如圖2所示)。

圖2 松滋江堤防洪保護區(qū)水系分布Fig.2 Distribution of river system in flood protection area enclosed by Songzi Levee

圖3 枝城站1870年型1 000 a一遇設計洪水過程Fig.3 Process of a 1 000-year event flood at Zhicheng station

3 洪水分析方案確立

松滋江堤防洪保護區(qū)洪水來源主要包括長江干流枝城以上洪水以及沮漳河洪水。本文以1 000 a一遇洪水過程為例，枝城入流考慮三峽水庫調(diào)度作用(洪水過程如圖3所示)，同時考慮荊江地區(qū)分洪區(qū)運用。

根據(jù)堤防歷史潰口、近年險工險段情況[11]，選定了松滋江堤涴市潰口、靈鐘寺潰口、新華垴潰口等作為洪水分析擬定的潰口位置(如圖1所示)。潰口尺寸設定為梯形，潰口坡度定為1∶2，潰口寬度分別為800，300，600 m；潰口情況見表1。擬定靈鐘寺潰決歷時為1 h，涴市橫堤及新華垴潰口的潰決歷時取1.5 h。潰口發(fā)展過程擬定為：初始時刻潰口寬度及深度分別為最大潰口寬度和深度的1/5，之后隨時間線性擴展至最終潰口尺寸，堤防潰口坡度均設定為1∶2。

表1 松滋江堤擬定潰口情況Table 1 Attributes of breaches of Songzi Levee

4 洪水分析模型建立

4.1 建模思路

本文構(gòu)建了一、二維耦合的水動力學模型模擬長江干流及松滋江堤防洪保護區(qū)內(nèi)的洪水演進過程。其中一維河網(wǎng)模型模擬長江干流、松滋河干流、采穴河、沮漳河及虎渡河的洪水演進(見圖4)，二維模型模擬保護區(qū)內(nèi)的洪水演進，計算范圍約2 000 km2。

圖4 一維模型布置示意圖Fig.4 Layout of 1-D model

考慮到防洪保護區(qū)內(nèi)松滋河水系縱橫交錯，且河道平面尺度遠小于保護區(qū)，為保證河道內(nèi)洪水演進模擬的精確性，二維模型中對松滋河河道范圍內(nèi)進行局部加密。一、二維模型通過堤防潰口進行耦合。模型構(gòu)建示意圖見圖5。

圖5 模型構(gòu)建示意圖Fig.5 Layout of the coupled model

4.2 模型率定及驗證

一維模型采用2010年水文資料進行率定，2012年水文資料進行了驗證，計算結(jié)果與實測資料對比如圖6所示?？梢婒炞C結(jié)果與實測洪水的最大水位誤差絕對值≤20 cm，最大流量相對誤差(實測流量與計算流量之差的絕對值/實測流量)≤10%；并且水位漲落趨勢和流量變化趨勢基本一致。因此糙率的取值是合適的，模型計算結(jié)果基本可靠。

圖6 一維模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比Fig.6 Comparison between observed data and computed results of 1-D model

保護區(qū)內(nèi)糙率根據(jù)研究區(qū)域的土地利用類型，參考《洪水風險圖編制技術(shù)細則》給定的糙率取值范圍，結(jié)合下墊面的實際情況綜合確定。同時對其敏感性進行了分析，具體措施如下:以涴市潰口為例，潰口流量設置為3 000 m3/s在保護區(qū)內(nèi)選取5個取樣點(A—E)，分別比較各點的洪水到達時間和最大流速。取樣點位置見圖5(a)，計算結(jié)果見表2?？梢钥闯?，糙率取值對洪峰到達時間基本無影響，對最大流速影響較小，因此總的來說糙率取值對計算結(jié)果影響不大。

表3 計算成果水量平衡分析Table 3 Water budget of computed results

注：初始水量、終止水量分別為計算開始時刻、結(jié)束時刻模型范圍內(nèi)的槽蓄水量；水量誤差計算方式為：初始水量+枝城入流量+倒灌水量-終止水量-沙市出流量-松滋口分流量-潰口分泄水量；相對誤差計算方式為：水量誤差/枝城入流量×100%

表2 不同糙率取值對洪水到達時間和最大流速的影響Table 2 Influence of roughness coefficient on arrivaltime and maximum velocity of flood

5 洪水計算成果合理性分析

5.1 水量平衡分析

以1 000 a一遇洪水各單一潰口方案的計算結(jié)果為例對水量平衡進行分析(見表3)。在整個洪水過程中，枝城站入流量為1 528億m3，沙市站出流量在1 237億～1 255億m3之間，松滋口分流量在165億～184億m3之間，荊江分洪區(qū)分洪量在42億～74億m3之間。水量誤差最大的為新華垴潰口，誤差值為0.06億m3，但相對誤差依然<0.01%。因此，認為本次計算成果滿足水量平衡要求。

5.2 松滋口分流成果

在整場洪水過程中，松滋口分流變化趨勢與枝城入流過程一致。當松滋江堤發(fā)生潰決后，分泄一部分流量入保護區(qū)，使得松滋口分流有所減小。涴市橫堤潰口、新華垴潰口、靈鐘寺潰口潰決后，松滋河最大分流量分別減小790，2 684，2 691 m3/s。

不同潰口方案比較來看(圖7)，由于涴市橫堤潰口距離松滋口較遠，該潰口潰決對其分流影響最??；新華垴潰口與靈鐘寺潰口位于松滋河上，對其分流過程影響較大。在各潰口進洪過程中，松滋口分流減小幅度隨著干流水位的上升而增加，即干流水位越高，潰口進洪流量越大，松滋口分流減小越多；當潰口開始吐洪入江時，松滋河分流略有增加，其中涴市潰口吐洪入江通過抬升干流水位增加松滋口分流，而新華垴潰口倒灌的流量直接進入松滋河，因此對松滋口分流增加的影響在新華垴潰口表現(xiàn)得最為突出。

圖7 設計洪水下各潰口方案松滋口分流過程Fig.7 Discharge diversion in Songzi flow-separating mouth under designed flood

5.3 潰口進(吐)洪過程

1 000 a一遇洪水條件下，涴市橫堤潰口、新華垴潰口、靈鐘寺潰口最大分流量分別為7 912，6 081，1 984 m3/s。當保護區(qū)內(nèi)水位超過外江水位后，保護區(qū)內(nèi)積水開始倒灌入江。涴市橫堤、新華垴最大倒灌流量分別為1 344和407 m3/s。各單一潰口進洪過程如圖8(a)—圖8(c)所示，進洪流量為正表示分泄干流水量入保護區(qū)，為負表示保護區(qū)內(nèi)蓄水倒灌入江。在洪水過程中，外江水位不斷抬升，直至超過堤防設計水位，堤防發(fā)生潰決。在潰決發(fā)生后2 h內(nèi)，隨著潰口發(fā)展，潰口流量急劇增加，潰口附近保護區(qū)內(nèi)水位抬升明顯，同時外江水位陡降。此后，潰口進洪量總體與外江水位變化趨勢一致。隨著潰口分泄干流洪水不斷進入保護區(qū)，區(qū)內(nèi)水位逐漸抬升，當保護區(qū)水位與外江水位齊平后，潰口分泄流量逐漸減小直至變?yōu)?，外江水位繼續(xù)降低，當?shù)陀诒Ｗo區(qū)內(nèi)水位后，保護區(qū)積蓄的水量便開始通過潰口倒灌入江,潰口流量<0(如涴市橫堤潰口與新華垴潰口即為此情況)；或者外江水位降低至與潰口底部高程齊平后，潰口進洪量也將逐漸減小，但由于潰口底部高程高于保護區(qū)內(nèi)水位，無流量倒灌(如靈鐘寺潰口)。

以涴市潰口為例，分析潰口上下游斷面及潰口流量過程：在堤防未潰決前，潰口上下游斷面流量一致，當潰決發(fā)生后下游斷面流量出現(xiàn)一個短暫的急劇降落。約2 h后，當潰口充分發(fā)展，潰口流量較為平穩(wěn)后，下游斷面流量又呈現(xiàn)與上游斷面一致的變化趨勢。當上游來流量減小時，潰口分流量減小，反之亦然；當水流開始通過潰口倒灌入江時(潰口流量<0)，下游斷面流量則大于上游斷面，如圖8(d)所示。

圖8 設計洪水條件下潰口進洪過程Fig.8 Discharge diversion in dyke breach under designed flood

6 結(jié) 語

本文在適當概化復雜的荊江洞庭湖關(guān)系基礎(chǔ)上，建立了通過潰口耦合的上荊江河段—松滋江堤防洪保護區(qū)一二維耦合的數(shù)學模型，并采用實測資料、糙率敏感性分析手段分別對一二維模型進行了率定及驗證，同時從多方面對洪水計算成果進行了合理性分析。結(jié)論表明模型的計算成果滿足水量平衡要求，潰口計算及松滋口分流成果不僅符合水動力學的基本規(guī)律，也與洪水特征、潰口特性相吻合?？傮w來說計算成果可信度較高，基本合理可靠，該模型可用于保護區(qū)洪水演進過程模擬計算。