李德龍 許小華 黃 萍 張秀平 李亞琳 丁志雄

（1.江西省水利科學(xué)院，南昌 330000；2.江西省鄱陽(yáng)湖流域生態(tài)水利技術(shù)創(chuàng)新中心，南昌 330000；3.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；4.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

2023年5月5—6日，江西豐城市清豐山溪上游降大暴雨，洪水頻率超10年一遇，導(dǎo)致江西豐城市麗村鎮(zhèn)清豐堤樁號(hào)K8+915—K8+946 段出現(xiàn)漫頂，隨后出現(xiàn)潰口并引發(fā)洪澇災(zāi)害，同時(shí)受短歷時(shí)強(qiáng)降雨影響，豐城市鐵路鎮(zhèn)?？铀畮?kù)溢洪道堵塞導(dǎo)致水位急劇上漲，隨時(shí)有可能出現(xiàn)潰壩險(xiǎn)情。

目前已有對(duì)類似洪水險(xiǎn)情反演與模擬分析的相關(guān)研究[1-5]，主要方法包括水動(dòng)力學(xué)方法、遙感監(jiān)測(cè)方法等，且應(yīng)用效果較好。為復(fù)盤江西豐城市潰堤洪水發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，本文利用水動(dòng)力學(xué)方法[6-7]反演了潰堤險(xiǎn)情，并利用遙感監(jiān)測(cè)方法[8-9]開展了洪澇災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究。為應(yīng)對(duì)水庫(kù)可能的潰壩險(xiǎn)情，做好提前部署并最大限度降低受災(zāi)損失，本文利用水力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式法快速分析了水庫(kù)潰壩淹沒(méi)范圍。研究成果可為受災(zāi)區(qū)域的災(zāi)后評(píng)估和防洪應(yīng)急搶險(xiǎn)決策提供參考。

1 研究區(qū)概況

清豐堤位于江西樟樹市觀上鎮(zhèn)、豐城市麗村鎮(zhèn)境內(nèi)，地處清豐山溪主流豐水河中游，距豐城市新城區(qū)約17 km。清豐堤全長(zhǎng)15.69 km，其中樟樹市觀上鎮(zhèn)段5.19 km，豐城市麗村鎮(zhèn)段10.50 km。清豐堤起于洑溪橋河匯入豐水河，向南順豐水河左側(cè)向上，途經(jīng)昌吉贛客運(yùn)專線、石上鎮(zhèn)、龍?zhí)洞濉?80鄉(xiāng)道橋等地，至湖頭村低山丘陵，向上跨越沿河低山，從簡(jiǎn)車陂對(duì)岸低山起，途經(jīng)根竹至早禾田村低山丘陵。

?？铀畮?kù)位于豐城市鐵路鎮(zhèn)向陽(yáng)村境內(nèi)，距豐城市城區(qū)51.50 km，壩址處位于115.85°E、27.83°N，屬清豐山溪流域豐水河支流，壩址以上控制流域面積2.04 km2，總庫(kù)容38.32 萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)灌溉面積133.33 hm2，實(shí)際灌溉面積100 hm2，是一座以灌溉為主兼顧防洪綜合效益的?。?）型水庫(kù)。水庫(kù)正常蓄水位167.90 m（黃海高程），相應(yīng)庫(kù)容31.16萬(wàn)m3；死水位149.60 m，相應(yīng)庫(kù)容0.2萬(wàn)m3；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，設(shè)計(jì)洪水位169.25 m，相應(yīng)庫(kù)容36.32萬(wàn)m3；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，校核洪水位169.74 m，相應(yīng)庫(kù)容38.32 萬(wàn)m3；最大壩高25.90 m，壩頂高程170.55 m，壩頂長(zhǎng)度113 m，壩頂寬度5 m。

2 險(xiǎn)情分析

2.1 潰堤險(xiǎn)情

5 月5—6 日，清豐山溪上游降特大暴雨，洪水頻率超10 年一遇。5 月6 日6 時(shí)左右，清豐堤樁號(hào)K8+915—K8+946 段出現(xiàn)漫頂，7 時(shí)50 分左右,圩堤發(fā)生潰口并擴(kuò)大，8 時(shí)30 分，潰口寬度發(fā)展到20 m 左右，11 時(shí)，潰口寬度發(fā)展到30 m 左右。潰口位于豐城市麗村鎮(zhèn)尚山村清豐堤，在京九線鐵路橋墩中間（圖1）。漫堤潰口斷面以上流域過(guò)程平均降雨量達(dá)295.9 mm，險(xiǎn)情對(duì)4 個(gè)村小組200 余人的生命安全造成威脅，超過(guò)66.67 hm2農(nóng)田被淹。

圖1 清豐堤潰堤現(xiàn)場(chǎng)

2.2 大壩險(xiǎn)情

?？铀畮?kù)庫(kù)區(qū)兩邊為高山，地勢(shì)較高，中間地勢(shì)低平，上游約500 m 還有一座2016 年廢棄?。?）型水庫(kù)。受短歷時(shí)強(qiáng)降雨影響，雨水匯流快且集中，庫(kù)區(qū)水位急劇上漲，接近壩頂高程。同時(shí)，水庫(kù)大壩右側(cè)溢洪道受山體滑坡影響被堵塞，導(dǎo)致庫(kù)區(qū)洪水下泄緩慢，另受上游廢棄水庫(kù)泄洪的影響，牛坑水庫(kù)庫(kù)容接近飽和狀態(tài)（圖2），極易給大壩帶來(lái)安全隱患。

圖2 水庫(kù)庫(kù)區(qū)險(xiǎn)情

3 分析方法

3.1 水動(dòng)力學(xué)方法

本文針對(duì)清豐堤潰堤險(xiǎn)情，采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院自主研發(fā)的洪水分析軟件，在潰堤范圍內(nèi)構(gòu)建二維水動(dòng)力學(xué)模型。模型將平面水流按二維非恒定流進(jìn)行模擬，將有限體積法與有限差分法的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，采用無(wú)結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行離散，在網(wǎng)格形心處計(jì)算水深，在網(wǎng)格周邊通道上計(jì)算流量。

二維水力學(xué)模型的基本方程如下：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

式中：H為水深，m；Z為水位，m；M、N分別為x、y方向的單寬流量，m3∕s；u、v分別為流速在x、y方向的分量，m∕s；n為糙率系數(shù)；g為重力加速度，9.8 m∕s2；t為時(shí)刻；q為源匯項(xiàng)。

接到分手電話的時(shí)候，我正窩在家里上淘寶。小健說(shuō)，他們家是地道的本地人，本來(lái)就不同意我們?cè)谝黄稹，F(xiàn)在我沒(méi)有工作又不上進(jìn)，他很難再堅(jiān)持。大家都是成年人，應(yīng)該考慮現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，所以，分開比較好。

一維非恒定流基本方程如下：

式中：Q為流量，m3∕s；A為計(jì)算斷面的過(guò)水面積，m2；Sl為摩阻坡降。

水深由連續(xù)方程對(duì)任一網(wǎng)格的顯式離散化形式求得：

式中：Qik為通道的單寬流量，m3∕s；Lik為通道的寬度，m；Ai為網(wǎng)格面積，m2；AXY為網(wǎng)格的面積修正率；DT為時(shí)間步長(zhǎng)的一半。

通道的單寬流量由動(dòng)量方程的顯式離散化格式計(jì)算，根據(jù)不同的通道類型采取不同離散格式。一般型通道是指河道內(nèi)的通道和普通陸面通道，其動(dòng)量方程中保留局地加速度項(xiàng)、重力項(xiàng)和阻力項(xiàng)，離散形式為：

式中：Zj1、Zj2分別為通道兩側(cè)網(wǎng)格的水位，m；DLj為空間步長(zhǎng)，m；Hj為通道上的平均水深，m。

阻水型通道是指有阻水作用的堤防、道路等，在模型中作為阻水通道，采用堰流公式計(jì)算過(guò)流量，公式如下：

式中：Hj為通道上的平均水深，m；Qj為通道的單寬流量，m3∕s；b為寬頂堰的淹沒(méi)出流系數(shù)；μ1為流量系數(shù)。

3.2 遙感監(jiān)測(cè)方法

選用遙感監(jiān)測(cè)中常用的哨兵1 號(hào)（Sentinel-1）衛(wèi)星監(jiān)測(cè)清豐堤潰堤淹沒(méi)范圍內(nèi)的情況。Sentinel-1 衛(wèi)星[10-12]于2014 年4 月發(fā)射，經(jīng)過(guò)半年試運(yùn)營(yíng)后，2014 年10 月開始逐步走向應(yīng)用，以其大范圍、多模式、多應(yīng)用的特點(diǎn)為更多用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)。Sentinel-1 是一個(gè)全天時(shí)、全天候雷達(dá)成像系統(tǒng)，是歐洲委員會(huì)（European Commission，EC）和歐洲航天局（European Space Agency，ESA）針對(duì)哥白尼全球?qū)Φ赜^測(cè)項(xiàng)目研制的首顆衛(wèi)星。Sentinel-1基于C波段的成像系統(tǒng)采用4 種成像模式（分辨率最高5 m、幅寬達(dá)到400 km）來(lái)觀測(cè)，具有雙極化、短重訪周期等特點(diǎn)和快速產(chǎn)品生產(chǎn)的能力，可精準(zhǔn)確定衛(wèi)星位置和姿態(tài)角。另外，采用預(yù)編程、無(wú)沖突的運(yùn)行模式，可實(shí)現(xiàn)全球陸地、海岸帶、航線的高分辨率監(jiān)測(cè)，也可實(shí)現(xiàn)全球海洋的大區(qū)域覆蓋，這也為同一地區(qū)的長(zhǎng)時(shí)間序列監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)支撐。

Sentinel-1 得到的合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）數(shù)據(jù)需要進(jìn)行預(yù)處理。采用完整的遙感圖像處理平臺(tái)（The Environment for Visualizing Images，ENVI）對(duì)SAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、多視、空間濾波、地理編碼、重采樣及地形校正等操作，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與后向散射系數(shù)的轉(zhuǎn)換、斑點(diǎn)噪聲的去除、地理參考定義、幾何失真糾正。采用雙峰法從預(yù)處理后的SAR 數(shù)據(jù)提取洪澇淹沒(méi)區(qū)水體，雙峰法的原理為：當(dāng)SAR 圖像中水體面積較大時(shí)，圖像的灰度直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示明顯的雙峰現(xiàn)象，而以雙峰之間谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的后向散射系數(shù)值作為分隔閾值，能把圖像信息劃分為水體和非水體兩類，從而實(shí)現(xiàn)水體的提取。本文利用雙峰閾值法提取水體的具體方法如下：①針對(duì)整個(gè)圖像，選擇含有水體和陸地兩種類型的樣本區(qū)；②針對(duì)樣本區(qū)，進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，獲取局部圖像后向散射系數(shù)值分布，呈現(xiàn)雙峰現(xiàn)象；③針對(duì)樣本區(qū)直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果，確定雙峰之間的谷點(diǎn)后向散射系數(shù)值；④局部直方圖統(tǒng)計(jì)的谷點(diǎn)后向散射系數(shù)值，作為整個(gè)圖的全局分割閾值T，然后將SAR圖像劃分為水體與非水體兩類，最終實(shí)現(xiàn)淹沒(méi)區(qū)水體的提取。

3.3 經(jīng)驗(yàn)公式法

針對(duì)?？铀畮?kù)潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)情況，采用水力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式方法[13]輔助分析水庫(kù)潰壩洪水對(duì)下游區(qū)域造成的影響范圍。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，潰口寬度可采用水利部黃河水利委員會(huì)經(jīng)驗(yàn)公式，壩址處潰壩流量采用肖克列奇經(jīng)驗(yàn)公式。

潰壩決口寬度分析計(jì)算公式如下：

式中：b為潰壩決口寬度，m；W為潰壩時(shí)蓄水量，m3；B為壩頂長(zhǎng)度，m；H為壩高，m；k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（統(tǒng)一取1.3）。

壩址處的潰壩流量計(jì)算公式如下：

式中：Qm為壩址最大流量，m3∕s；B為壩頂長(zhǎng)度，m；b為潰壩決口寬度，m；H0為潰壩前上游水深，m；g為重力加速度，9.8 m∕s2。

4 結(jié)果與分析

4.1 潰堤險(xiǎn)情分析

利用二維水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到尚山村清豐堤潰口的洪水淹沒(méi)水深分布情況如圖3 所示。利用洪水影響評(píng)估模型，計(jì)算分析尚山村清豐堤潰口受淹面積約2.92 km2，受災(zāi)人口約320 人，淹沒(méi)耕地約100 hm2，區(qū)域內(nèi)最大水深約4 m，平均水深0.9 m。潰堤洪水到達(dá)最遠(yuǎn)淹沒(méi)區(qū)域約9 h。

圖3 潰堤洪水淹沒(méi)水深圖

針對(duì)潰口處，選擇2023 年4 月一期高分影像作為基準(zhǔn)底圖，利用5 月二期強(qiáng)降雨前后的Sentinel-1 衛(wèi)星影像對(duì)比分析此次降雨事件對(duì)豐城市造成的影響。重點(diǎn)分析了潰口所造成的淹沒(méi)范圍，經(jīng)分析計(jì)算得到潰口造成的淹沒(méi)區(qū)域約為7 km2（圖4）。與水動(dòng)力學(xué)模型結(jié)果對(duì)比，遙感監(jiān)測(cè)的淹沒(méi)面積偏大，其原因主要是水動(dòng)力學(xué)模型方法主要考慮的是受災(zāi)范圍，而遙感監(jiān)測(cè)方法除了包含受災(zāi)范圍還考慮了受降雨影響的范圍。

圖4 遙感監(jiān)測(cè)清豐堤潰堤淹沒(méi)范圍圖

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，本次清豐堤潰口處在1991—1992 年建成后，受京九線鐵路建設(shè)影響，導(dǎo)致該堤段防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，易受洪水影響，存在安全隱患。尤其是遭遇此次暴雨洪水過(guò)程，致清豐溪河流水位急速上漲，造成該堤段漫頂，經(jīng)洪水長(zhǎng)時(shí)間浸泡，堤段土質(zhì)松動(dòng)，最終出現(xiàn)潰堤情況。

4.2 潰壩險(xiǎn)情分析

?？铀畮?kù)上游500 m處有一座廢棄的?。?）型水庫(kù)，受強(qiáng)降雨影響，該水庫(kù)持續(xù)自然下泄洪水，給?？铀畮?kù)帶來(lái)安全隱患。因此，本文根據(jù)最不利原則，采用《水力計(jì)算手冊(cè)》中的小型水庫(kù)潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)分析簡(jiǎn)易計(jì)算公式分別對(duì)2 種情況進(jìn)行分析計(jì)算：①?？铀畮?kù)瞬時(shí)潰壩對(duì)水庫(kù)下游區(qū)域造成的影響，對(duì)應(yīng)庫(kù)容為38.32萬(wàn)m3；②牛坑水庫(kù)與上游廢棄水庫(kù)庫(kù)容疊加對(duì)下游區(qū)域造成的影響，對(duì)應(yīng)庫(kù)容為58.32萬(wàn)m3。

圖5 為情況①條件下牛坑水庫(kù)潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)成果圖。經(jīng)模擬分析，?？铀畮?kù)潰壩洪水淹沒(méi)歷時(shí)約40 min，下游區(qū)域受淹面積約1.78 km2，平均淹沒(méi)水深約1.89 m，局部區(qū)域的最大淹沒(méi)水深可達(dá)3 m以上。受淹區(qū)域主要以農(nóng)田為主，包含部分村莊，如豐巖、東高、南邊、背邊、上后山及瑤前。

圖5 情況①條件下?？铀畮?kù)潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)成果圖

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，水庫(kù)下游中間區(qū)域以農(nóng)田為主，居民住宅地分布在兩側(cè)，較中間區(qū)域高程抬高約50～80 cm，且下游區(qū)域與紫云山水庫(kù)庫(kù)區(qū)相連，地勢(shì)高程較紫云山庫(kù)區(qū)水位高約3～5 m。因此，潰壩洪水對(duì)水庫(kù)下游區(qū)域造成的淹沒(méi)范圍影響較廣，但匯集時(shí)間不長(zhǎng)，不會(huì)對(duì)下游區(qū)域的人員財(cái)產(chǎn)造成較大損失。

圖6 為情況②條件下牛坑水庫(kù)潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)成果圖。經(jīng)模擬分析，?？铀畮?kù)潰壩洪水淹沒(méi)歷時(shí)近1 h，下游區(qū)域受淹面積2.01 km2，平均淹沒(méi)水深約2.80 m，局部區(qū)域的最大淹沒(méi)水深可達(dá)4 m以上。受淹區(qū)域主要以農(nóng)田為主，包含部分村莊，如豐巖、東高、南邊、背邊、上后山及瑤前。

圖6 情況②條件下?？铀畮?kù)潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)成果圖

對(duì)比圖5和圖6可知，考慮上游廢棄水庫(kù)疊加影響后，水庫(kù)淹沒(méi)水深明顯增加，受淹范圍明顯增大，但受影響村莊數(shù)量大致相同。

5 結(jié) 語(yǔ)

本研究重點(diǎn)采用了水動(dòng)力學(xué)、遙感監(jiān)測(cè)和水力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式等方法，反演了潰堤險(xiǎn)情并模擬分析了潰壩險(xiǎn)情，及時(shí)有效支撐了此次險(xiǎn)情決策工作，為災(zāi)后建設(shè)提供了較為合理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。從模擬結(jié)果看，水動(dòng)力學(xué)方法模擬的潰堤洪水淹沒(méi)范圍面積近2.92 km2，區(qū)域內(nèi)平均淹沒(méi)水深約0.90 m；遙感監(jiān)測(cè)的潰壩洪水受影響范圍面積約7 km2；水力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式法分析的潰壩險(xiǎn)情最大淹沒(méi)范圍約2.01 km2，最大平均水深約2.80 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，潰堤計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)受災(zāi)范圍的吻合度較高，潰壩洪水淹沒(méi)范圍及趨勢(shì)符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形，模擬成果具有一定的合理性，可為相似險(xiǎn)情的快速分析提供重要的技術(shù)參考。限于資料及工作量，本文對(duì)豐城市“2023.5”場(chǎng)次洪水的反演與模擬分析還比較初步，有待于進(jìn)一步收集相關(guān)資料做下一步深入研究。