摘 要：山區(qū)水庫(kù)潰壩事件會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的洪水泛濫，對(duì)下游地區(qū)和社區(qū)構(gòu)成巨大威脅。本文旨在綜合采用衛(wèi)星遙感圖像和高分辨率數(shù)字高程模型等多源數(shù)據(jù)，以廣州市黃龍帶水庫(kù)為例，利用HEC-RAS潰壩模型對(duì)水庫(kù)主壩潰決后水流從壩口至下游的演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明，通過(guò)準(zhǔn)確地刻畫(huà)地理環(huán)境，可以更好地模擬山區(qū)水庫(kù)潰壩后洪水的演進(jìn)過(guò)程，黃龍帶水庫(kù)潰壩可能導(dǎo)致下游6個(gè)鎮(zhèn)（街）共計(jì)67個(gè)村（社區(qū)）受淹。該研究成果有助于提高對(duì)水庫(kù)潰壩模擬的準(zhǔn)確性和可應(yīng)用性的認(rèn)識(shí)，提前預(yù)警可能的水庫(kù)潰壩影響范圍，為防災(zāi)減災(zāi)工作提供更精準(zhǔn)的信息。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)潰壩；洪水演進(jìn)；潰壩模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TV 139" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 研究背景

山區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜，水庫(kù)通常修建在山脈間，地勢(shì)起伏較大，且下游往往散布村莊和農(nóng)田，一旦發(fā)生潰壩事件，很可能導(dǎo)致巨大的災(zāi)害和損失[1]。因此，通過(guò)深入研究水庫(kù)潰壩現(xiàn)象，揭示潰壩機(jī)理、預(yù)測(cè)潰壩過(guò)程，對(duì)制定相應(yīng)的防災(zāi)減災(zāi)措施具有重要意義[2]。

水庫(kù)潰壩模擬研究在數(shù)值模擬方法、模型精度和數(shù)據(jù)支持等方面取得了重要進(jìn)展[3]。數(shù)值模擬方法方面，有限元法和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)等技術(shù)的應(yīng)用不斷提高了模擬的準(zhǔn)確性和可信度。同時(shí)，采用精細(xì)衛(wèi)星遙感圖像和精細(xì)數(shù)字高程模型等多源數(shù)據(jù)，在不同尺度上實(shí)現(xiàn)水庫(kù)潰壩模擬。這種綜合數(shù)據(jù)集成有助于更準(zhǔn)確地刻畫(huà)復(fù)雜地理環(huán)境，提高了模擬的真實(shí)性。

盡管水庫(kù)潰壩模擬研究已取得了一些進(jìn)展，但仍存在以下不足。首先，對(duì)復(fù)雜地理環(huán)境下的模擬需要更多高分辨率數(shù)據(jù)，尤其是遙感數(shù)據(jù)和地形測(cè)繪數(shù)據(jù)。其次，模型的參數(shù)化和驗(yàn)證需要更多的實(shí)際案例數(shù)據(jù)支持，以確保模擬的可靠性。因此，本文以廣州市黃龍帶水庫(kù)為例，通過(guò)引入精細(xì)的地形和糙率場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)山區(qū)水庫(kù)潰壩進(jìn)行模擬研究，以期為應(yīng)對(duì)水庫(kù)潰壩事故提供科學(xué)依據(jù)。

1 水庫(kù)潰壩洪水演進(jìn)模型構(gòu)建

1.1 潰壩洪水演進(jìn)的數(shù)值模型構(gòu)建

水庫(kù)潰壩模擬是一項(xiàng)復(fù)雜而關(guān)鍵的研究工作，需要綜合運(yùn)用多個(gè)學(xué)科的方法與技術(shù)。目前，水庫(kù)潰壩洪水演進(jìn)的數(shù)值模擬方法主要基于連續(xù)性方程的離散化，通過(guò)邊界條件和初始條件來(lái)模擬水流在下游的演進(jìn)過(guò)程。通過(guò)迭代求解離散化的代數(shù)方程組，可以模擬水庫(kù)潰壩過(guò)程的時(shí)間演變和空間分布，為預(yù)測(cè)潰壩過(guò)程和評(píng)估影響提供有效依據(jù)。而模型構(gòu)建的步驟主要如下。1）模型邊界條件的構(gòu)建。潰壩洪水模擬的邊界主要包括下游地形表面模型、下游不同地表的糙率場(chǎng)、潰口的流量過(guò)程等。在水庫(kù)潰壩模擬中，下游地形表面模型可通過(guò)數(shù)字高程模型（DEM）獲取，主要用于確定洪水泛濫的范圍、洪水的傳播路徑和擴(kuò)散情況，為模擬結(jié)果提供真實(shí)的地理環(huán)境。而糙率是描述地表表面粗糙程度的參數(shù)，對(duì)水流的阻力和波浪的傳播有重要影響。不同類(lèi)型的地表，例如草地、森林、建筑等，其糙率不同，會(huì)導(dǎo)致水流和波浪的傳播特性存在差異。潰口的流量過(guò)程是指根據(jù)泄流過(guò)程的模擬結(jié)果，得到瞬時(shí)的流量數(shù)據(jù)，描述潰口決堤過(guò)程中流量的變化，是水庫(kù)潰壩過(guò)程模擬的關(guān)鍵。潰口的流量受多種因素影響，例如潰口尺寸、決堤位置、土體破壞特性等。2）模擬區(qū)的離散化與迭代求解。為了進(jìn)行計(jì)算，需要將水力學(xué)的偏微分方程離散化為代數(shù)方程。這涉及將模擬區(qū)域劃分為網(wǎng)格或單元，通過(guò)在每個(gè)網(wǎng)格或單元上離散化方程來(lái)近似描述區(qū)域內(nèi)的物理過(guò)程。通過(guò)迭代求解離散化的代數(shù)方程組，模擬水庫(kù)潰壩洪水演進(jìn)過(guò)程的發(fā)展。而迭代求解將根據(jù)初始條件和邊界條件，從初始時(shí)刻逐步更新模擬區(qū)域內(nèi)的物理量，例如水位、水流速度等。

隨著計(jì)算能力的增強(qiáng)，水庫(kù)潰壩模擬也能夠進(jìn)行更復(fù)雜、更高分辨率的計(jì)算。采用高性能計(jì)算集群可以精細(xì)模擬大型水庫(kù)的潰壩過(guò)程，其中包括洪水泛濫、決口形成和波浪傳播等復(fù)雜的物理現(xiàn)象。通過(guò)提高模型的分辨率，本文提高了在洪水泛濫預(yù)測(cè)方面的精度提高，有助于提前警示可能的淹沒(méi)區(qū)域，從而提高應(yīng)急響應(yīng)的效率。

1.2 HEC-RAS水動(dòng)力模型

水動(dòng)力模型HEC-RAS是由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開(kāi)發(fā)的計(jì)算程序，常被應(yīng)用于洪水模擬分析，目前包括水動(dòng)力模型（一維/二維）、泥沙分析模型和潰壩模型等，具備耦合水工建筑物（例如橋梁、堤壩、涵管等）的能力，在洪泛區(qū)評(píng)估、水利設(shè)計(jì)和潰壩評(píng)估等方面具有廣泛的應(yīng)用。其中，HEC-RAS潰壩模型是一種半?yún)?shù)化、半物理化的數(shù)學(xué)模型。其使用參數(shù)化模型預(yù)測(cè)最終潰口參數(shù)，又基于簡(jiǎn)化的物理潰壩機(jī)制，解算潰口從起始到最終發(fā)展結(jié)束的出流過(guò)程。其二維模型主要包括兩類(lèi)方程，淺水方程和擴(kuò)散波方程，具體如下。1）淺水方程是從質(zhì)量方程、動(dòng)量方程的守恒中推導(dǎo)得出的，當(dāng)垂直方向的尺度遠(yuǎn)小于水平方向的尺度時(shí)，垂直方向上流速及水深等水力參數(shù)的變化則遠(yuǎn)小于水平方向上的變化，此時(shí)沿水深方向?qū)θSNavier-Stokes方程進(jìn)行積分并取平均，即可得到沿水深平均的二維淺水流動(dòng)質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程組，如公式（1）～公式（3）所示。2）對(duì)擴(kuò)散波方程來(lái)說(shuō)，底部摩擦力等于壓力梯度。水面的坡度受摩擦坡度的影響，當(dāng)不考慮對(duì)流加速度、局部加速度、科里奧利效應(yīng)和黏度（湍流）時(shí)，如公式（4）、公式（5）所示。

式中：H為水體表面高程；v為水體在x方向的速度；u為水體在y方向的速度；h為水深深度；g為重力加速度；f為科氏參數(shù)；vt為水平渦黏性系數(shù)；cf為底摩擦系數(shù)。

式中：ΔH為水面高程梯度；q為源通量項(xiàng)；n為曼寧系數(shù)；R為水力半徑。

2 實(shí)例分析

2.1 黃龍帶水庫(kù)概況

黃龍帶水庫(kù)位于廣州市從化區(qū)東北部、流溪河支流汾田水的下游，興建于1972年12月，1973年3月正式動(dòng)工，1975年11月完工，1976年1月下閘蓄水投入運(yùn)行，1980年完成竣工驗(yàn)收，是一宗以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合運(yùn)用的中型水庫(kù)，其中水庫(kù)防洪調(diào)度的任務(wù)主要是保障大壩的安全和下游良口鎮(zhèn)、溫泉鎮(zhèn)、城郊街、街口街、江埔街、太平鎮(zhèn)等防洪安全，如圖1所示。水庫(kù)集雨面積92.30km2，壩址以上干流河長(zhǎng)21km。水庫(kù)正常蓄水位175.01m，相應(yīng)庫(kù)容8289萬(wàn)m3；水庫(kù)100a一遇設(shè)計(jì)洪水位175.90m，相應(yīng)庫(kù)容8726萬(wàn)m3；1000a一遇校核洪水位176.62m，總庫(kù)容9097萬(wàn)m3。本文主要利用HEC-RAS潰壩模型，針對(duì)水庫(kù)主壩潰決后水流從壩口至水庫(kù)下游的演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行模擬。

2.2 模型邊界條件的構(gòu)建

潰壩模型的構(gòu)建以下游地形、地表糙率以及潰口流量過(guò)程的確定最重要。本文所構(gòu)建模型所需的輸入數(shù)據(jù)處理與生成步驟主要如下。

2.2.1 下游地形表面模型

數(shù)字高程模型（DEM）是通過(guò)遙感技術(shù)（例如衛(wèi)星影像或激光雷達(dá)）獲取的高程數(shù)據(jù)，可通過(guò)其獲取下游地形的高程信息。本文采用空間分辨率為12.5m×12.5m的DEM，經(jīng)鑲嵌和裁剪處理后用于模型計(jì)算。

2.2.2 下游不同地表的糙率場(chǎng)

在水庫(kù)潰壩模擬中，通常將下游的地表分成不同類(lèi)型，并為每種地表設(shè)置相應(yīng)的糙率值。根據(jù)已有研究資料，本文根據(jù)不同土地覆蓋類(lèi)型的糙率范圍值，通過(guò)實(shí)際調(diào)查情況確定相應(yīng)的糙率值，見(jiàn)表1。

2.2.3 潰口的流量過(guò)程

水庫(kù)發(fā)生潰壩的形式主要與大壩的筑壩材料、壩型以及上游來(lái)水方式等因素有關(guān)，主要分為瞬時(shí)潰決和逐步潰決。黃龍帶水庫(kù)大壩為漿砌石重力壩，由于壩體剖面尺寸較大，壩內(nèi)應(yīng)力水平較低，筑壩材料通常也強(qiáng)度高、耐久性好，因此其設(shè)計(jì)安全可靠度高，抵抗洪水漫頂、滲漏、地震能力比較強(qiáng)，抗滑穩(wěn)定能力也較強(qiáng)。因此，本文假設(shè)其潰決形式為水庫(kù)大壩瞬時(shí)全部潰決，參考已有研究瞬時(shí)潰決的最大潰壩流量計(jì)算公式，如公式（6）所示。

而其潰口流量如公式（7）所示。

式中：Qmax為潰口處的最大潰決流量；b為潰口寬度；H0為潰壩前上游水深；W為水庫(kù)庫(kù)容；t為洪水排水歷時(shí)。

結(jié)合黃龍帶水庫(kù)實(shí)際情況及下游重要保護(hù)目標(biāo)，從最不利角度考慮，假設(shè)其遭遇1000a一遇（校核洪水），庫(kù)水位從正常蓄水位持續(xù)上升至校核洪水位176.62m（相應(yīng)庫(kù)容9097萬(wàn)m3）時(shí)，大壩發(fā)生重大工程險(xiǎn)情，水庫(kù)發(fā)生瞬時(shí)全部潰決，可計(jì)算得潰口最大流量為5208.81m3/s，潰口流量過(guò)程如圖2所示?？梢?jiàn)，發(fā)生潰壩后，潰口處的潰壩流量在初始時(shí)刻最大，隨后迅速減小，120min后潰壩流量基本穩(wěn)定，1020min后庫(kù)容全部被排空。

2.3 山區(qū)潰壩洪水演進(jìn)模型的構(gòu)建

根據(jù)《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》（SL 483—2017）中關(guān)于河道洪水、水庫(kù)潰壩洪水計(jì)算范圍的確定方法，選定洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算范圍，適當(dāng)擴(kuò)大至下游區(qū)域，計(jì)算范圍覆蓋從化、花都、白云等區(qū)，研究范圍約1600km2。本文利用HEC-RAS水動(dòng)力模型模擬黃龍帶水庫(kù)的潰壩洪水演進(jìn)過(guò)程，根據(jù)上述構(gòu)建的邊界條件，假定上游水庫(kù)的初始水位為水庫(kù)的正常蓄水位，水庫(kù)下游的初始時(shí)刻為干河床。上游邊界條件取黃龍帶水庫(kù)1000a一遇的校核洪水入庫(kù)流量過(guò)程。下游邊界條件設(shè)為自由出流邊界，即當(dāng)下泄洪水傳播到下邊界時(shí)，自由出流。而河床底部則設(shè)置為閉邊界，其不與外界進(jìn)行水量交換，即法向流速為0。

此外，網(wǎng)格的劃分會(huì)影響物理特征以及流動(dòng)行為的規(guī)模，其分辨率會(huì)對(duì)模型運(yùn)行結(jié)果產(chǎn)生直接影響。而網(wǎng)格劃分的大小受限于多種因素，包括研究區(qū)面積大小、地形數(shù)據(jù)的精細(xì)程度、模型輸出結(jié)果的時(shí)間分辨率、運(yùn)行成本等。本文根據(jù)水庫(kù)下游邊界情況劃分網(wǎng)格，計(jì)算網(wǎng)格不與邊界相接的網(wǎng)格是正四邊形，其中正四邊形網(wǎng)格平均大小為500m×500m，而與邊界相交的為適應(yīng)復(fù)雜邊界（采用不規(guī)則多邊形，最多限于八邊形的網(wǎng)格）。由于研究范圍較大，計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)，模擬時(shí)間設(shè)置為72h，時(shí)間步長(zhǎng)為15s。基于以上的參數(shù)設(shè)置，對(duì)研究區(qū)的潰壩洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行模擬。

2.4 模擬結(jié)果及分析

2.4.1 水量平衡分析

為保證模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以通過(guò)下游下泄水量與河道淹沒(méi)水量的平衡進(jìn)行驗(yàn)證。首先，該方法主要是通過(guò)計(jì)算水庫(kù)發(fā)生潰壩后某時(shí)間段內(nèi)的下泄總水量。其次，統(tǒng)計(jì)下游河道淹沒(méi)區(qū)的淹沒(méi)總水量，通過(guò)對(duì)比兩者結(jié)果之間的差異，分析其中的相對(duì)誤差（對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2）。這樣的驗(yàn)證過(guò)程有助于確保模擬結(jié)果的可信度和合理性。分別選取潰壩后30min、60min、120min的下泄水量與淹沒(méi)水量情況進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其最大相對(duì)誤差為3.12%，在合理范圍內(nèi)。因此，通過(guò)水量平衡的對(duì)比分析可以認(rèn)為，本文的模擬結(jié)果是合理的。

2.4.2 潰壩洪水影響范圍分析

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，洪水到達(dá)從化區(qū)太平鎮(zhèn)神崗一帶后已處于河道范圍內(nèi)，水位平穩(wěn)，影響范圍主要在從化區(qū)轄區(qū)內(nèi)。通過(guò)模擬計(jì)算潰壩洪水過(guò)程得到的淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深等要素，與土地利用/土地覆蓋數(shù)據(jù)（如居住用地、農(nóng)田等）進(jìn)行空間疊置分析。同時(shí)，考慮保護(hù)區(qū)內(nèi)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況，通過(guò)空間地理關(guān)系拓?fù)浏B加，將洪水淹沒(méi)特征分布與社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征分布相結(jié)合。這樣可以獲取潰壩洪水影響范圍內(nèi)不同淹沒(méi)水深、不同行政區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況，進(jìn)而明確潰壩洪水對(duì)不同類(lèi)型財(cái)產(chǎn)的影響情況。

根據(jù)潰壩后下泄洪水演進(jìn)的過(guò)程模擬，發(fā)生潰壩后，下泄洪水從潰口處傾泄，導(dǎo)致河流水位上升，超過(guò)了河道的承載能力。隨即開(kāi)始溢出河道，形成洪水，下游淹沒(méi)水深超3m以上。隨后，洪水迅速沿河道向下游流動(dòng)，到達(dá)良口鎮(zhèn)、溫泉鎮(zhèn)等，沿岸地區(qū)和低洼地區(qū)進(jìn)一步被淹沒(méi)，120min后下泄水流趨于穩(wěn)定，洪水水位開(kāi)始逐漸回落。淹沒(méi)水深從上游向下游逐漸遞減，其中良口鎮(zhèn)淹沒(méi)水深最大，為2m～3m。

經(jīng)模型計(jì)算，黃龍帶水庫(kù)瞬間全部潰決后，淹沒(méi)范圍主要涉及下游從化區(qū)良口鎮(zhèn)、溫泉鎮(zhèn)、城郊街、街口街、江埔街、太平鎮(zhèn)等6個(gè)鎮(zhèn)（街）共計(jì)67個(gè)村（社區(qū)）?？鄢拥纼?nèi)面積，基于從化區(qū)人民政府公布的2022年經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況和人口情況，計(jì)算統(tǒng)計(jì)得各鎮(zhèn)（街）淹沒(méi)面積、淹沒(méi)村（社區(qū)）數(shù)量、受影響人口、受影響GDP，見(jiàn)表3?？梢?jiàn)，當(dāng)發(fā)生潰壩后，下游淹沒(méi)面積可達(dá)56.68km2，其中良口鎮(zhèn)的淹沒(méi)面積最大，達(dá)18.33km2。而太平鎮(zhèn)的受影響人口及受影響GDP最大，分別為5668人和35221萬(wàn)元。

此外，目前黃龍帶下游河道安全泄量為400m3/s，水庫(kù)潰壩主要影響下游流溪河兩岸低洼區(qū)域。根據(jù)影響范圍內(nèi)人口分布、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度、交通干線重要性等確定防洪重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。1）居民密集區(qū)，例如良口鎮(zhèn)城區(qū)、溫泉鎮(zhèn)城區(qū)及沿河度假村、太平鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)等。2）重要城市主干道，例如御泉大道、溫泉大道、河濱北路（南路）、沿江北路（南路）等，大廣高速、汕湛高速、派街高速、從埔高速等高速公路，以及廣州地鐵14號(hào)線等重要交通干線。3）沿河電廠及輸配電設(shè)施，例如溫泉水廠、第三水廠、河?xùn)|水廠、開(kāi)發(fā)區(qū)水廠等自來(lái)水廠，各類(lèi)?；菲髽I(yè)或倉(cāng)庫(kù)等城市生命線工程。4）下游沿河的梯級(jí)攔河壩，例如良口壩、勝利壩、青年壩、溫泉人工湖壩、衛(wèi)東壩等。5）其他重點(diǎn)民生保護(hù)對(duì)象，例如溫泉度假村、從都國(guó)際會(huì)議中心、沿河兩岸學(xué)校、醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)等。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以黃龍帶水庫(kù)為例，針對(duì)其山區(qū)水庫(kù)的特點(diǎn)，基于HEC-RAS水動(dòng)力模型構(gòu)建了精細(xì)的潰壩洪水演進(jìn)二維模型，通過(guò)分析潰壩后下游下泄水量與河道淹沒(méi)水量，證明模型結(jié)果合理可行。模擬結(jié)果表明，利用精細(xì)的水動(dòng)力模型能夠?qū)ι絽^(qū)水庫(kù)潰壩后的下泄洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行合理的模擬。黃龍帶水庫(kù)潰壩可能導(dǎo)致下游6個(gè)鎮(zhèn)（街）共計(jì)67個(gè)村（社區(qū)）受淹，可根據(jù)模擬結(jié)果重點(diǎn)關(guān)注防洪保護(hù)對(duì)象，制定相關(guān)預(yù)警及人員疏散方案。

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