張文婷，劉永志，張行南，唐雯雯，宋淑紅

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098; 2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210098； 3.南京水利科學(xué)研究院水文水資源研究所，江蘇 南京 210029；4.陜西省水文水資源勘測中心，陜西 西安 710068)

聯(lián)安圍防洪保護區(qū)屬于珠江流域西江水系，位于經(jīng)濟發(fā)達的珠三角，區(qū)域人口稠密，經(jīng)濟發(fā)達，防洪體系逐步完善。區(qū)域內(nèi)水系密集，動力復(fù)雜，面臨西江流域洪水和下游三角洲?？诔毕嘀貜?fù)雜的洪源威脅，如若疊加臺風(fēng)，則會加劇流域的綜合洪水風(fēng)險。因此，建立高效適用的模型，開展聯(lián)安圍防洪保護區(qū)洪水影響模擬和洪災(zāi)風(fēng)險評估，對保護區(qū)域內(nèi)人員生命財產(chǎn)安全和整體防洪體系的建設(shè)具有十分重要的意義。

洪水演進模擬方法是洪水風(fēng)險分析的基礎(chǔ)，國內(nèi)外學(xué)者在洪水?dāng)?shù)值模擬方法和模型應(yīng)用方面開展了深入研究[1-3]。牛帥等[4]通過構(gòu)建一、二維耦合水動力模型實現(xiàn)了萬城鎮(zhèn)易澇區(qū)動態(tài)洪水風(fēng)險分析；楊莉玲等[5]通過2套不同尺度的一、二維聯(lián)解模型進行感潮河網(wǎng)區(qū)風(fēng)暴潮洪水風(fēng)險分析；姚斯洋等[6]采用Mike Flood耦合水動力模型對典型丘陵地貌地區(qū)的洪水淹沒進行模擬；魏博文等[7]基于MIKE系列模型對江西省修河丘陵地區(qū)叉網(wǎng)式河流洪水進行數(shù)值仿真模擬；劉亞等[8]建立一、二維耦合數(shù)學(xué)模型對松滋江堤潰決后洪水演進過程進行模擬；李亞琳等[9]應(yīng)用InfoWorks RS軟件對贛江設(shè)計洪水及超標(biāo)洪水進行潰堤洪水模擬分析。國外很多學(xué)者也進行了相關(guān)研究[10-12]。Lee等[13]開發(fā)了基于柵格的二維淹沒模型，直接應(yīng)用數(shù)字高程模型(DEM)進行洪水淹沒建模，并將此模型應(yīng)用于韓國光州柏山大堤潰決的模擬；Lee等[14]以2002年8月因暴雨而崩塌的洛東江流域柏山大堤為研究對象，采用四叉樹網(wǎng)格的Gerris流求解器進行洪水淹沒分析；Patel等[15]采用HEC-RAS一、二維耦合水動力模型對印度Surat市的洪水風(fēng)險進行評估；Azouagh等[16]采用GIS與HEC-RAS集成的方法對摩洛哥北部Martil河洪水演進進行建模分析；Beretta等[17]建立了二維水動力模型模擬意大利Olbia市城市建筑物對洪水演進的影響。

本文以水力學(xué)方法為理論基礎(chǔ)，建立聯(lián)安圍防洪保護區(qū)一、二維耦合的洪水模擬模型，在對當(dāng)?shù)貧v史洪水災(zāi)害進行歸納提煉的基礎(chǔ)上，設(shè)置多個洪水情景模擬方案，開展相應(yīng)方案下洪水演進過程模擬，分析淹沒范圍、水深、歷時等洪水風(fēng)險特征信息，旨在為該地區(qū)洪災(zāi)損失評估和避險轉(zhuǎn)移策略的制定提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

聯(lián)安圍防洪保護區(qū)位于廣東省肇慶市高要區(qū)，屬珠江流域西江水系，總保護面積179.2 km2，涉及的河流水系主要包括西江干流、宋隆河。西江是珠江流域的主要水系，發(fā)源于云南曲靖市境內(nèi)烏蒙山脈的馬雄山，自源頭至思賢滘西滘口，長2 075 km，河道平均比降0.058%，集雨面積353 120 km2。西江洪水峰高、量大、歷時長、漲落較緩慢，較大的洪水過程多呈雙峰型或復(fù)峰型。宋隆河屬西江的一級支流，發(fā)源于高要區(qū)羅容山，總集雨面積410 km2，以蛟塘水為主，全長52 km，平均比降0.561%。宋隆河由云路、劉村二水匯合而成。云路水全長31 km，平均比降0.079%，總落差268 m；劉村水全長 21.5 km，平均比降0.08%，總落差270 m。區(qū)域地形以山地、丘陵為主，地勢自西北向東南傾斜，其中宋隆河流域中下游屬平原低塱區(qū)，兩側(cè)大部分地面高程為4～8 m，其河道兩側(cè)屬高要區(qū)重要的糧食和蔬菜主產(chǎn)區(qū)，分布著新興的工業(yè)區(qū)。聯(lián)安圍防洪保護區(qū)是聯(lián)金大堤的重要組成部分，西起新興江匯入西江處下游的沙田坑，沿西江右岸延伸至羚羊峽口的象山崗，堤長約6 km。工程設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)。宋隆河屬天然河道，大部分河段無堤防工程，河岸為自然沖刷形成的土質(zhì)邊坡。

2 模型建立

2.1 模型耦合

本文將河網(wǎng)一維水流模型與二維非恒定流模型進行耦合，依據(jù)水量及能量守恒原理，對研究區(qū)域洪水演進過程進行模擬。

河道非恒定流的水動力學(xué)模擬基于圣維南方程，其連續(xù)方程和動量方程分別為

(1)

(2)

式中：Q為河道流量，m3/s；A為河道橫斷面面積，m2；u為流速，m/s；t為時間，s；q為河道的側(cè)向單寬入流流量，m2/s；α為動量修正系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；y為水位，m；Sf為摩阻坡降。

二維模型用于模擬二維平面自由表面流，能夠模擬復(fù)雜水流在無固定路徑的洪泛區(qū)的演進過程，詳細準(zhǔn)確地描述洪水淹沒的范圍、時間、水深、流速分布等風(fēng)險要素。二維水動力學(xué)模型的控制方程包括連續(xù)方程(式(3))和動量方程(式(4))。

(3)

(4)

式中：h為水深，m；U、V分別為x和y方向的單寬流量，m2/s；Jox、Joy分別為x和y方向底坡坡度；Sfx、Sfy分別為x和y方向摩阻坡降；S0為源項。方程忽略科氏力和紊動項的影響。

洪水演進模擬時，一、二維數(shù)學(xué)模型在堤防設(shè)置的潰口處實現(xiàn)模型耦合。一維河道模型和二維洪泛區(qū)模型耦合后，模型系統(tǒng)可以自動識別潰口出流對河道水位的影響，以及河道水位下降反過來對洪泛區(qū)分洪量的影響[18-19]，潰口內(nèi)外水流交互的精確模擬有利于提高模擬精度和可靠性。在干濕界面的處理上，本文應(yīng)用Sleigh等[20]限制水深的方法處理動邊界問題。

2.2 模型邊界條件和網(wǎng)格概化

研究區(qū)域?qū)儆谥槿呛泳W(wǎng)片區(qū)，珠江流域河網(wǎng)關(guān)聯(lián)密切，水動力特性復(fù)雜?？紤]到河網(wǎng)水流連通性，從整體建模著手，基于珠江三角洲地區(qū)的河網(wǎng)地形資料，構(gòu)建一致的珠江河網(wǎng)模型用于模擬聯(lián)安圍防洪保護區(qū)的水動力過程。其中模擬河段總長約2 000 km，斷面間距控制在0.5～2 km之間。以西江的高要水文站和北江的石角水位站為一維河網(wǎng)的上游邊界控制站，模型邊界設(shè)置為流量邊界；以三角洲入?？诟鞒蔽徽军c(例如甘竹、大熬)水位過程為下游控制邊界。一維河網(wǎng)模型邊界及各控制站點如圖1所示。

圖1 一維河網(wǎng)模型邊界、控制站點位置和保護區(qū)范圍

根據(jù)研究區(qū)面積大小，確定最小網(wǎng)格面積和最小角度；在經(jīng)濟與人口分布密集區(qū)以及地形變化較大的部分區(qū)域，進行網(wǎng)格加密。下墊面模型剖分出不規(guī)則三角網(wǎng)格總數(shù)為18 848，網(wǎng)格平均面積 9 500 m2，網(wǎng)格平均邊長120 m，通過試算能較好地實現(xiàn)模型運算速度與模擬精度的平衡。網(wǎng)格劃分過程中考慮重要阻水建筑物的作用，將區(qū)域內(nèi)高于地面的線狀地物(公路、鐵路路基、堤防等)作為網(wǎng)格劃分的控制邊界，將保護區(qū)內(nèi)部的河道處理成河道型特殊通道。利用DEM和高分辨率遙感圖像確定剖分出的網(wǎng)格上相應(yīng)的屬性值，通過試算進行優(yōu)化調(diào)整后，最終確定網(wǎng)格模型的相關(guān)設(shè)置。研究區(qū)網(wǎng)格分布如圖2所示。

(a) 網(wǎng)格高程分布

2.3 模型率定及驗證

河道底部糙率和陸地洪泛區(qū)地表糙率，都是反映水流阻力的靈敏度參數(shù)，糙率取值關(guān)乎水動力模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性?？紤]實際地形及水文資料，選取“8·6”珠江流域洪水對一維水動力數(shù)學(xué)模型進行率定，通過對一維河道水位值的模擬試算，確定最佳水位擬合條件下河道糙率值為0.032。珠江三角洲近年來較少發(fā)生潰堤事件，較為嚴重的一次為樵桑聯(lián)圍荷村水閘潰堤事件。在地理位置、水力條件、經(jīng)濟發(fā)展等方面，樵桑聯(lián)圍和聯(lián)安圍具有較高的相似性，因此，本文參考樵桑聯(lián)圍洪水分析資料中的糙率參數(shù)賦值，結(jié)合聯(lián)安圍防洪保護區(qū)下墊面的土地利用分類情況，確定二維模型中不同土地利用類型區(qū)域的糙率取值，如表1所示，模型網(wǎng)格糙率分布如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格糙率分布

表1 不同土地利用類型糙率取值

2005年6月17—25日，珠江流域出現(xiàn)大范圍持續(xù)性暴雨天氣，局部地區(qū)出現(xiàn)高強度特大暴雨，西江中下游發(fā)生了超100年一遇特大洪水，選用該場典型洪水對珠江河網(wǎng)一維數(shù)學(xué)模型進行驗證，選取了聯(lián)安圍防洪保護區(qū)附近的馬口水文站和西江下游區(qū)域的甘竹水文站、大熬水文站進行河道水位驗證。從“5·6”洪水水文條件下模型模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的比較結(jié)果(圖4)來看，模型能較好地模擬出研究區(qū)域在洪水及潮汐共同作用下的水動力分布特性。由于研究區(qū)域歷史上未發(fā)生較嚴重的潰堤事件，無法將二維模型模擬結(jié)果與實測資料進行綜合對比驗證，本文參照《洪水風(fēng)險圖編制技術(shù)細則》的要求，從水量平衡、流場分布和不同方案下的洪水風(fēng)險信息等方面對二維模擬結(jié)果進行了合理性分析，結(jié)果表明，模型可用于研究區(qū)域洪水模擬和風(fēng)險評估分析研究。

(a) 馬口站

2.4 多情景潰堤場景模擬方案設(shè)置

聯(lián)安圍防洪保護區(qū)位于西江中下游右岸，上游西江洪水是聯(lián)安圍最主要的外江洪水來源；超標(biāo)準(zhǔn)西江洪水洪量將導(dǎo)致河道堤岸潰堤甚至漫堤，進而給聯(lián)安圍帶來洪災(zāi)損失風(fēng)險。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和專家論證，聯(lián)安圍防洪保護區(qū)發(fā)生洪水漫溢的可能性小于潰堤的可能性。本文針對聯(lián)安圍潰口的設(shè)定，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況考慮了“可能”“不利”和“代表性”3個原則，在西江右岸，分別選取西江肇慶大橋險段(潰口寬度設(shè)置為170 m)、西江大堤宋隆水閘(升級改造)段(潰口寬度設(shè)置為150 m)設(shè)置潰口。根據(jù)已有資料，聯(lián)安圍西江段防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，故組合時上游洪水量級考慮采用50年、100年和200年一遇，下游考慮遭遇多年平均高潮位，根據(jù)邊界水文條件和潰口分布，共設(shè)置6個計算方案，見表2。

表2 計算方案

3 結(jié)果與分析

3.1 洪水淹沒的影響

利用構(gòu)建的一、二維耦合水力學(xué)模型對2個潰口、3種頻率洪水組合條件下河道堤防潰決洪水進行模擬，結(jié)果如表3所示。

表3 各潰口方案模擬結(jié)果

結(jié)果顯示，所有方案中造成最大淹沒范圍和淹沒水深的情景是200年一遇洪水量級下肇慶大橋段潰口造成的洪水災(zāi)情，區(qū)域最大淹沒面積達到58.04 km2。隨著洪水量級的增大，2個潰口方案洪水造成的淹沒影響都隨之?dāng)U張，其中，肇慶大橋段潰口方案造成的洪水淹沒面積、淹沒水深和淹沒水量的增長速度均大于宋隆水閘段潰口模擬結(jié)果。

3.2 極端情景下淹沒過程分析

根據(jù)以上各方案結(jié)果的比對，以研究區(qū)域最極端洪水情景——肇慶大橋段潰口遭遇西江200年一遇洪水(方案3)為例，對洪水淹沒范圍及深度進行分析，研究區(qū)內(nèi)最大淹沒范圍及水深分布見圖5。

圖5 聯(lián)安圍防洪保護區(qū)在方案3下的最大淹沒水深分布

肇慶大橋段潰口設(shè)為瞬時全潰方式，由圖6可知，在t=38 h時發(fā)生潰決，在潰決初期，潰口流量迅速增大到647 m3/s，此時，防洪保護區(qū)內(nèi)外水位差較大。隨著潰決洪水持續(xù)進入，外江水位和潰口處圍內(nèi)水位差逐漸減小，潰口流量逐漸減小，在t=148 h時，外江水位與潰口處圍內(nèi)淹沒水位基本持平。隨后，保護區(qū)內(nèi)淹沒水位高于外江水位，洪水通過潰口回流外江。不同時刻淹沒范圍如圖7所示，模擬開始后24 h，洪水沿著宋隆河向兩岸擴散，淹沒面積達15 km2；48 h時，洪水已到達宋隆河中段并淹沒了金渡水支流的部分區(qū)域，淹沒面積達40 km2；72 h時，洪水進一步沿宋隆河向下游擴散，淹沒面積達58 km2。

圖6 方案3下聯(lián)安圍潰口流量及潰口內(nèi)外水位變化

(a) 24 h

4 結(jié) 語

本文建立了聯(lián)安圍防洪保護區(qū)一維河網(wǎng)和二維洪泛區(qū)洪水演進耦合模型，利用2008年珠江流域洪水資料對模型中的關(guān)鍵參數(shù)進行了率定，并以2005年歷史實測洪水資料對模型準(zhǔn)確性進行了驗證，模型可有效地模擬珠江河網(wǎng)區(qū)域復(fù)雜的水力連通和潰堤洪水在保護區(qū)內(nèi)的演進過程。模擬結(jié)果顯示，盡管目前聯(lián)安圍的堤防經(jīng)過達標(biāo)建設(shè)達到了50年一遇的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，但西江近年來沖刷嚴重，河道下切，仍需加強堤防的薄弱段、險工險段的巡查，進一步健全防洪系統(tǒng)。同時應(yīng)定期開展洪水情景模擬，對洪水淹沒風(fēng)險進行預(yù)判，為減少社會經(jīng)濟損失和制定合理的避洪轉(zhuǎn)移方案提供科學(xué)決策的依據(jù)。