聯安圍防洪保護區洪水演進模擬分析

張文婷，劉永志，張行南，唐雯雯，宋淑紅

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098; 2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098； 3.南京水利科學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)

聯安圍防洪保護區屬于珠江流域西江水系，位于經濟發達的珠三角，區域人口稠密，經濟發達，防洪體系逐步完善。區域內水系密集，動力復雜，面臨西江流域洪水和下游三角洲?？诔毕嘀貜碗s的洪源威脅，如若疊加臺風，則會加劇流域的綜合洪水風險。因此，建立高效適用的模型，開展聯安圍防洪保護區洪水影響模擬和洪災風險評估，對保護區域內人員生命財產安全和整體防洪體系的建設具有十分重要的意義。

洪水演進模擬方法是洪水風險分析的基礎，國內外學者在洪水數值模擬方法和模型應用方面開展了深入研究[1-3]。牛帥等[4]通過構建一、二維耦合水動力模型實現了萬城鎮易澇區動態洪水風險分析；楊莉玲等[5]通過2套不同尺度的一、二維聯解模型進行感潮河網區風暴潮洪水風險分析；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叉網式河流洪水進行數值仿真模擬；劉亞等[8]建立一、二維耦合數學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]應用InfoWorks RS軟件對贛江設計洪水及超標洪水進行潰堤洪水模擬分析。國外很多學者也進行了相關研究[10-12]。Lee等[13]開發了基于柵格的二維淹沒模型，直接應用數字高程模型(DEM)進行洪水淹沒建模，并將此模型應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。

本文以水力學方法為理論基礎，建立聯安圍防洪保護區一、二維耦合的洪水模擬模型，在對當地歷史洪水災害進行歸納提煉的基礎上，設置多個洪水情景模擬方案，開展相應方案下洪水演進過程模擬，分析淹沒范圍、水深、歷時等洪水風險特征信息，旨在為該地區洪災損失評估和避險轉移策略的制定提供技術支撐。

1 研究區概況

聯安圍防洪保護區位于廣東省肇慶市高要區，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，發源于云南曲靖市境內烏蒙山脈的馬雄山，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峰型。宋隆河屬西江的一級支流，發源于高要區羅容山，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，兩側大部分地面高程為4～8 m，其河道兩側屬高要區重要的糧食和蔬菜主產區，分布著新興的工業區。聯安圍防洪保護區是聯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。工程設計防洪標準為50年一遇設計洪水標準。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邊坡。

2 模型建立

2.1 模型耦合

本文將河網一維水流模型與二維非恒定流模型進行耦合，依據水量及能量守恒原理，對研究區域洪水演進過程進行模擬。

河道非恒定流的水動力學模擬基于圣維南方程，其連續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為河道的側向單寬入流流量，m2/s；α為動量修正系數；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，能夠模擬復雜水流在無固定路徑的洪泛區的演進過程，詳細準確地描述洪水淹沒的范圍、時間、水深、流速分布等風險要素。二維水動力學模型的控制方程包括連續方程(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、二維數學模型在堤防設置的潰口處實現模型耦合。一維河道模型和二維洪泛區模型耦合后，模型系統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分洪量的影響[18-19]，潰口內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 模型邊界條件和網格概化

研究區域屬于珠三角河網片區，珠江流域河網關聯密切，水動力特性復雜?？紤]到河網水流連通性，從整體建模著手，基于珠江三角洲地區的河網地形資料，構建一致的珠江河網模型用于模擬聯安圍防洪保護區的水動力過程。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的上游邊界控制站，模型邊界設置為流量邊界；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。一維河網模型邊界及各控制站點如圖1所示。

圖1 一維河網模型邊界、控制站點位置和保護區范圍

根據研究區面積大小，確定最小網格面積和最小角度；在經濟與人口分布密集區以及地形變化較大的部分區域，進行網格加密。下墊面模型剖分出不規則三角網格總數為18 848，網格平均面積 9 500 m2，網格平均邊長120 m，通過試算能較好地實現模型運算速度與模擬精度的平衡。網格劃分過程中考慮重要阻水建筑物的作用，將區域內高于地面的線狀地物(公路、鐵路路基、堤防等)作為網格劃分的控制邊界，將保護區內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格上相應的屬性值，通過試算進行優化調整后，最終確定網格模型的相關設置。研究區網格分布如圖2所示。

(a) 網格高程分布

2.3 模型率定及驗證

河道底部糙率和陸地洪泛區地表糙率，都是反映水流阻力的靈敏度參數，糙率取值關乎水動力模擬結果的準確性?？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學模型進行率定，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生潰堤事件，較為嚴重的一次為樵桑聯圍荷村水閘潰堤事件。在地理位置、水力條件、經濟發展等方面，樵桑聯圍和聯安圍具有較高的相似性，因此，本文參考樵桑聯圍洪水分析資料中的糙率參數賦值，結合聯安圍防洪保護區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域的糙率取值，如表1所示，模型網格糙率分布如圖3所示。

圖3 模型網格糙率分布

表1 不同土地利用類型糙率取值

2005年6月17—25日，珠江流域出現大范圍持續性暴雨天氣，局部地區出現高強度特大暴雨，西江中下游發生了超100年一遇特大洪水，選用該場典型洪水對珠江河網一維數學模型進行驗證，選取了聯安圍防洪保護區附近的馬口水文站和西江下游區域的甘竹水文站、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果與實測數據的比較結果(圖4)來看，模型能較好地模擬出研究區域在洪水及潮汐共同作用下的水動力分布特性。由于研究區域歷史上未發生較嚴重的潰堤事件，無法將二維模型模擬結果與實測資料進行綜合對比驗證，本文參照《洪水風險圖編制技術細則》的要求，從水量平衡、流場分布和不同方案下的洪水風險信息等方面對二維模擬結果進行了合理性分析，結果表明，模型可用于研究區域洪水模擬和風險評估分析研究。

(a) 馬口站

2.4 多情景潰堤場景模擬方案設置

聯安圍防洪保護區位于西江中下游右岸，上游西江洪水是聯安圍最主要的外江洪水來源；超標準西江洪水洪量將導致河道堤岸潰堤甚至漫堤，進而給聯安圍帶來洪災損失風險。經過現場調研和專家論證，聯安圍防洪保護區發生洪水漫溢的可能性小于潰堤的可能性。本文針對聯安圍潰口的設定，結合區域實際情況考慮了“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(潰口寬度設置為170 m)、西江大堤宋隆水閘(升級改造)段(潰口寬度設置為150 m)設置潰口。根據已有資料，聯安圍西江段防洪標準為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，根據邊界水文條件和潰口分布，共設置6個計算方案，見表2。

表2 計算方案

3 結果與分析

3.1 洪水淹沒的影響

利用構建的一、二維耦合水力學模型對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，結果如表3所示。

表3 各潰口方案模擬結果

結果顯示，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情，區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擴張，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果。

3.2 極端情景下淹沒過程分析

根據以上各方案結果的比對，以研究區域最極端洪水情景——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，研究區內最大淹沒范圍及水深分布見圖5。

圖5 聯安圍防洪保護區在方案3下的最大淹沒水深分布

肇慶大橋段潰口設為瞬時全潰方式，由圖6可知，在t=38 h時發生潰決，在潰決初期，潰口流量迅速增大到647 m3/s，此時，防洪保護區內外水位差較大。隨著潰決洪水持續進入，外江水位和潰口處圍內水位差逐漸減小，潰口流量逐漸減小，在t=148 h時，外江水位與潰口處圍內淹沒水位基本持平。隨后，保護區內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下聯安圍潰口流量及潰口內外水位變化

(a) 24 h

4 結 語

本文建立了聯安圍防洪保護區一維河網和二維洪泛區洪水演進耦合模型，利用2008年珠江流域洪水資料對模型中的關鍵參數進行了率定，并以2005年歷史實測洪水資料對模型準確性進行了驗證，模型可有效地模擬珠江河網區域復雜的水力連通和潰堤洪水在保護區內的演進過程。模擬結果顯示，盡管目前聯安圍的堤防經過達標建設達到了50年一遇的設計標準，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。同時應定期開展洪水情景模擬，對洪水淹沒風險進行預判，為減少社會經濟損失和制定合理的避洪轉移方案提供科學決策的依據。