王紅旗，馮靖雲(yún)，范子武

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣州 510642；2.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

0 引 言

蓄滯洪區(qū)是江河流域防洪減災(zāi)體系中的重要組成部分，是犧牲局部保全局，最大程度減小洪水災(zāi)害損失的重要舉措。國內(nèi)外學(xué)者從建設(shè)與管理、生態(tài)修復(fù)、洪水演進(jìn)數(shù)值模擬與風(fēng)險圖繪制、避險轉(zhuǎn)移等多個方面開展了蓄滯洪區(qū)的研究［1-4］。王小笑等［5］構(gòu)建了二維數(shù)學(xué)模型，利用GIS 反演技術(shù)對蓄滯洪區(qū)進(jìn)行危險程度分區(qū)并編制洪水風(fēng)險圖，為蓄滯洪區(qū)管理提供科學(xué)依據(jù)；Qiang Liu 等［6］提出有限體積法進(jìn)行數(shù)值求解河道與蓄滯洪區(qū)一二維耦合水動力模型，更真實模擬洪水演進(jìn)過程；果鵬等［7］提出受淹對象失穩(wěn)機(jī)制的洪水風(fēng)險分析方法，評估蓄滯洪區(qū)的洪水風(fēng)險等級，具有更好適用性。目前，蓄滯洪區(qū)的洪水風(fēng)險分析逐漸成為眾多學(xué)者的研究重點(diǎn)［8，9］。

飛來峽水庫作為北江防洪體系的關(guān)鍵性工程，通過與潖江蓄滯洪區(qū)聯(lián)合運(yùn)用，可將下游北江大堤防洪標(biāo)準(zhǔn)由100年一遇提高到300年一遇，確保廣州、佛山等城市的防洪安全。飛來峽水庫自1999年投入運(yùn)行以來，先后成功抗擊了“05·6”珠江流域超100年一遇特大洪水，“06·7”和“13·8”北江近50年一遇洪水。飛來峽庫區(qū)人口總數(shù)多、分布廣，涉及的社會經(jīng)濟(jì)總量大，當(dāng)啟用庫區(qū)臨時蓄滯洪區(qū)調(diào)洪，將產(chǎn)生不同程度的淹沒損失。在調(diào)蓄300年一遇洪水的情況下，飛來峽庫區(qū)臨時淹沒影響人口約27.7萬人，淹沒耕地7 633 hm2。本文以飛來峽水庫為主要研究對象，構(gòu)建水力學(xué)模型模擬洪水演進(jìn)過程，分析了沿程斷面最高水位、洪水淹沒面積與洪峰抵達(dá)時間，分析了庫區(qū)臨時蓄滯洪區(qū)不同年型與頻率的洪水風(fēng)險，有利于增強(qiáng)臨時蓄滯洪區(qū)居民及管理工作人員的風(fēng)險意識。

1 飛來峽庫區(qū)臨時蓄滯洪區(qū)概況

飛來峽水庫位于廣東省北江干流中游清遠(yuǎn)市境內(nèi)，壩址控制流域面積34 097 km2，占北江流域面積的73%，總庫容19.04億m3，防洪庫容13.36 億m3，正常庫容4.23 億m3。庫區(qū)臨時淹沒涉及英城、波羅坑、連江口和社崗4 處蓄滯洪區(qū)，各臨時蓄滯洪區(qū)概況如表1。

表1 飛來峽庫區(qū)臨時蓄滯洪區(qū)概況Tab.1 Overview of the temporary flood storage and detention area in Feaixia Reservoir

2 模型方法

本文對河道采用一維水動力建模，對蓄滯洪區(qū)進(jìn)行二維水動力建模，一維河道和二維洪泛區(qū)在堤岸處進(jìn)行耦合模擬洪水演進(jìn)過程。

2.1 河道內(nèi)洪水演進(jìn)模擬

在一維單寬水流情況下，圣維南方程組描述為：

式中：B為河面總寬度，m；H為水位，m；Q為流量，m3/s；s0為旁側(cè)入流流量，m3/s；A 為斷面面積，m2；Vx為旁側(cè)入流在水流方向上的流速分量，m/s；K 為流量模數(shù)；α 為動量修正系數(shù)。對上式采用HLL格式的黎曼近似解計算一維模型通量。

2.2 洪泛區(qū)內(nèi)洪水演進(jìn)模擬

洪水在洪泛區(qū)的水流運(yùn)動具有明顯的二維特征，采用守恒型式的洪流方程作為控制方程：

2.3 一二維耦合洪水模擬

一維河道與二維洪泛區(qū)水流運(yùn)動控制方程的統(tǒng)一形式表示為：

式中：D 為系數(shù)矩陣；?F 表示變量F 對空間變量的偏導(dǎo)數(shù)和；S為源項；Ω為控制體范圍；t為時間變量；Ts為持續(xù)時間。對上式采用中心形式的有限體積法求解一二維耦合模型［11］。

3 模型的構(gòu)建及驗證

3.1 模型的構(gòu)建范圍

本次模型的構(gòu)建范圍為飛來峽水庫庫區(qū)，北起北江干流馬競寮站，南至水庫壩址，東起連江支流高道站，西至滃江支流長湖壩下，總面積606.6 km2。其中一維動庫調(diào)洪模型范圍從馬競寮至壩址河段總長約95.8 km；二維調(diào)洪模型的范圍為飛來峽水庫壩址以上的防洪保護(hù)區(qū)，包括英德、波羅坑、連江口及社崗4處臨時蓄滯洪區(qū)。

3.2 邊界條件

模型上邊界條件為馬徑寮站、高道站、長湖站的實測流量；下邊界條件為按照飛來峽水庫調(diào)度規(guī)則確定的水位流量關(guān)系曲線。

3.3 模型率定與驗證

3.3.1 參數(shù)率定

采用非恒定流變步長法進(jìn)行多次試算，并綜合考慮模型收斂及計算時間等因素，對模型的計算參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。北江干支流不同河段經(jīng)過調(diào)整優(yōu)化后的糙率取值見表2。

表2 北江流域干支流不同河段糙率取值Tab.2 Roughness value of different river sections of main tributaries in Beijiang River Basin

利用“68·6”和“82·5”兩場典型洪水進(jìn)行河道糙率率定，率定過程及最終模擬成果如下：“68·6”型洪水洪峰流量實測值為15 000 m3/s，計算洪峰流量為14 787 m3/s，相對誤差為1.42%；“82.5”型洪水實測洪峰流量為18 000 m3/s，計算洪峰流量為17 307 m3/s，相對誤差為3.85%。兩場年型洪水橫石站計算流量過程與實測流量過程基本一致，見圖1。

圖1 橫石站實測和計算的流量過程線比較Fig.1 Comparison of flow process line measured and calculated at Hengshi station

3.3.2 模型驗證

模型的驗證利用了北江流域2006年7月和2008年6月發(fā)生的兩場洪水的實測資料，驗證結(jié)果見表3。

表3 干流主要水位站點(diǎn)驗證結(jié)果Tab.3 Verification results of main water level stations in the main stream

模型驗證結(jié)果表明，干流主要站點(diǎn)模擬水位的相對誤差均小于3%。其中2008年6月場次洪水驗證中，連江口絕對誤差達(dá)0.59 m，與水位測量存在誤差有關(guān)?？傮w而言，模擬成果具有較高精度，所構(gòu)建的模型及設(shè)定的計算參數(shù)合理可行［12，13］。

4 洪水風(fēng)險分析

根據(jù)率定的北江流域干支流不同河段糙率參數(shù)值（見表2），選取北江流域發(fā)生的兩場典型洪水“68·6”型和“82·5”型進(jìn)行動庫調(diào)洪演算。對該兩場典型洪水分別設(shè)計300、200、100和50年一遇共8 種工況，選取沿程英德大橋、盲仔峽、連江口以及壩址等典型斷面，統(tǒng)計其沿程斷面水位過程、洪水淹沒面積以及洪峰抵達(dá)時間。結(jié)合基于DOM 及DEM 疊加圖統(tǒng)計的庫區(qū)人口與房屋調(diào)查數(shù)據(jù)，分析4處臨時蓄滯洪區(qū)的淹沒風(fēng)險。

4.1 人口與房屋淹沒分析

在“68·6”和“82·5”兩種年型，重現(xiàn)期為50年、100年、200年和300年等不同頻率洪水條件下，各臨時蓄滯洪區(qū)所在處典型斷面最高水位統(tǒng)計見表4。各臨時蓄滯洪區(qū)涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口及房屋淹沒統(tǒng)計見表5。

表4 不同工況下沿程斷面最高水位 mTab.4 The highest water level along the section under different working conditions

表5 不同水位高程庫區(qū)臨時蓄滯洪區(qū)涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口及房屋淹沒調(diào)查統(tǒng)計表Tab.5 Statistical table of temporary flood storage and detention areas in different water level elevation reservoir areas involving township population and housing flooding

可以看出，不同年型、不同重現(xiàn)期洪水沿程最高水位均呈相同的變化趨勢：不同設(shè)計洪水依次經(jīng)過英德大橋、盲仔峽、連江口及壩址處，沿程水位逐漸降低；相同年型下，洪水頻率越小，沿程斷面最高水位越大。以“68·6”年型300年一遇為例，壩址處最高洪水位達(dá)32.6 m，比水庫防洪高水位31.17 m 超高1.43 m，距校核洪水位33.17 m 僅0.57 m，啟用臨時蓄滯洪區(qū)防洪十分迫切。結(jié)合調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，洪水重現(xiàn)期越大，各城鎮(zhèn)的淹沒房屋面積與受影響人口越多，洪災(zāi)損失越嚴(yán)重。其中，連江口鎮(zhèn)所在地高程較低，其所處的連江口臨時蓄滯洪區(qū)最先遭受洪水威脅；當(dāng)遭遇100年一遇以上洪水時，英德鎮(zhèn)淹沒房屋面積及受影響人口倍增，面臨最嚴(yán)重的洪災(zāi)損失。

4.2 淹沒范圍影響分析

通過模擬淹沒分別得到8種設(shè)計工況的洪水淹沒面積見表6。圖2 給出了“68·6”年型50年、100年、200年和300年一遇洪水時，飛來峽庫區(qū)臨時蓄滯洪區(qū)的淹沒范圍示意圖。

圖2 “68·6”年型不同重現(xiàn)期洪水淹沒范圍示意圖Fig.2 Schematic diagram of the“68·6”flood

表6 模擬洪水淹沒面積統(tǒng)計表Tab.6 Statistical table of simulated flood inundation areas

從淹沒數(shù)據(jù)及范圍示意圖可看出，兩種年型洪水的淹沒面積都隨著洪水重現(xiàn)期的增大而增加。當(dāng)發(fā)生300年一遇洪水時，整個庫區(qū)臨時蓄滯洪區(qū)的洪水淹沒面積最大，在“68·6”年型洪水下，洪水淹沒面積最大可達(dá)290 km2。

4.3 洪峰抵達(dá)時間分析

對8 種設(shè)計工況條件下，以河道內(nèi)洪峰到達(dá)白石窯處的時刻為起始點(diǎn)，分別統(tǒng)計各設(shè)計工況條件下洪水由白石窯至英德大橋、盲仔峽、連江口及壩址的用時，見表7。

表7 典型斷面洪峰抵達(dá)時間統(tǒng)計表 hTab.7 Statistics of flood peak arrival time of typical section

從結(jié)果可看出，“68·6”型洪水洪峰抵達(dá)壩址時間較短，而“82·5”型洪水洪峰抵達(dá)壩址時間略長。同時年型洪峰抵達(dá)時間隨洪水頻率的減小而縮短，如300年一遇洪水要比50年一遇洪水快2～3 h，即大洪水傳播速度更快，臨時蓄滯洪區(qū)啟用時間越緊張。當(dāng)遭遇300年一遇洪水，洪峰抵達(dá)英城臨時蓄滯洪區(qū)只需3.0～4.5 h，抵達(dá)波羅坑臨時蓄滯洪區(qū)需要5.5～6.5 h，抵達(dá)連江口蓄滯洪區(qū)需要6.0～7.0 h，抵達(dá)社崗臨時蓄滯洪區(qū)僅需10.0～12.0 h，洪峰抵達(dá)時間之快使蓄滯洪區(qū)調(diào)度困難，也給人員及時轉(zhuǎn)移帶來極大的挑戰(zhàn)。

5 結(jié)論與建議

（1）基于飛來峽庫區(qū)地形地貌及北江干支流洪水特征，構(gòu)建了洪水演進(jìn)水動力數(shù)學(xué)模型。采用“68·6”和“82·5”兩場典型洪水率定模型參數(shù)，通過流量過程線比較，洪峰流量誤差較?。徊⒗?006年7月和2008年6月兩場實測洪水資料進(jìn)行模型驗證，通過與干流主要水位站點(diǎn)的實測水位比較，水位誤差較小。所構(gòu)建的洪水演進(jìn)模型參數(shù)設(shè)置合理，具有較高的精度，模擬結(jié)果可用于飛來峽庫區(qū)臨時蓄滯洪區(qū)洪水淹沒風(fēng)險分析。

（2）運(yùn)用一維、二維及水力學(xué)耦合模型，模擬飛來峽庫區(qū)臨時蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)模型，設(shè)計“68.6”和“82.5”年型重現(xiàn)期分別為300年、200年、100年及50年共8種不同工況。以“68.6”年型300年一遇為例，沿程各典型斷面均超過32 m，各臨時蓄滯洪區(qū)人口與房屋均受不同程度的淹沒影響，其中連江口臨時蓄滯洪區(qū)地勢較低洼，最先遭遇洪水風(fēng)險；英城蓄滯洪區(qū)工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值65.23 億元，其中英城街道是英德市政治、經(jīng)濟(jì)、文化、教育與信息中心，一旦啟用英城臨時蓄滯洪區(qū)，轉(zhuǎn)移遷安難度大且成本高［14-16］；整個飛來峽庫區(qū)臨時蓄滯洪區(qū)洪水淹沒面積高達(dá)290 km2，洪峰抵達(dá)飛來峽庫區(qū)各臨時蓄滯洪區(qū)的時間不超過12 h，應(yīng)及時啟動英城、波羅坑、連江口及社崗臨時蓄滯洪區(qū)安全轉(zhuǎn)移預(yù)案。

（3）近年來異常天氣多發(fā)，極端暴雨洪水事件頻現(xiàn)，在北江流域遭遇大洪水時，為減輕下游防洪壓力及保護(hù)重要城市安全，考慮啟用庫區(qū)臨時蓄滯洪區(qū)滯納部分洪水，區(qū)域內(nèi)受淹沒風(fēng)險在所難免。因此，在非工程措施方面需要定期開展洪水情景模擬，調(diào)度時充分考慮臨時蓄滯洪區(qū)的洪災(zāi)損失程度，并構(gòu)建飛來峽水庫實時預(yù)報調(diào)度模型，提高洪水預(yù)見性和科學(xué)決策水平，對淹沒風(fēng)險進(jìn)行預(yù)判以提高風(fēng)險防范意識，合理設(shè)計轉(zhuǎn)移撤退路線，提前預(yù)報預(yù)警并做好人員轉(zhuǎn)移避險預(yù)案的演練工作，強(qiáng)化“四預(yù)”措施以減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。