高陂水利樞紐超蓄淹沒動態模擬及實景三維可視化

向枝葉， 叢沛桐

(華南農業大學水利與土木工程學院， 廣州 510642)

受氣候變化和人類活動影響，極端降雨和大洪水發生的概率顯著增加[1-2]，給大中型水庫帶來了較大的超蓄淹沒風險，開展庫區超蓄淹沒風險動態模擬和三維展示研究，對于防洪減災工作的快速落實具有重要意義。

近年來，二維水動力模型已成為研究洪水演進規律、評估洪水風險的重要方法和手段。李大鳴等[3-4]提出了單元水量出流修正法，建立了基于改進水量平衡模式的二維洪水演進模型，并用于蓄泄洪區和水庫下游山區的洪水模擬。劉鵬飛等[5]采用基于二維淺水方程的CJK3D-WEM軟件模擬了長江下游河段的潮流影響。張大偉等[6]為模擬存在挖沙坑、橋墩、丁壩等的復雜河段水流，建立了基于Godunov格式的精細化二維水動力模型，可用于復雜研究區域的防洪評價工作。在洪水風險可視化研究方面，許小華等[7]基于洪水分析模型實現了洪水風險實時分析系統，結合地圖服務可進行洪水風險二維平面展示。牛帥等[8]考慮了降雨、潮位等動態因子輸入，建立了基于一、二維水動力模型的易澇區動態洪水風險分析模型。王峰等[9]利用傾斜攝影技術，整合了三維場景構建、洪澇數據及數字高程模型(digital elevation model，DEM)數據，開發了Flood-3DGIS系統，可三維展示高精度的城市洪澇淹沒過程。

目前，在洪水風險分析及可視化展示方面的研究多集中在水庫下游、蓄泄洪區等區域，而關于水庫不同來水、不同調度方案下的庫區動態超蓄淹沒實景三維可視化展示的研究較少。現以韓江高陂水利樞紐庫區為研究對象，利用激光雷達(light detection and ranging，LIDAR)數據獲取高分辨率地形，為更加準確地概化水庫，反映真實庫容情況和淹沒情形，模擬堤防對洪水的阻擋作用，建立基于無結構網格有限體積法和Villemonte公式的動態超蓄淹沒風險分析模型，模型可輸入任意來水、調度方案進行動態洪水風險模擬，并通過系統實現實景地物三維淹沒情景展示，以期對風險預警預報、水庫調度運行、避洪轉移提供重要的指導作用。

1 二維超蓄淹沒模型

1.1 基本控制方程

均勻流體流動滿足Boussinesq理論且服從靜水壓力假設即為淺水流動。模型采用淺水方程的守恒形式描述洪水在庫區的演進過程，忽略水面風應力和柯氏力的二維淺水方程組的矢量形式[10-11]為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：U為守恒向量；F、G分別為x、y方向的通量向量；S為源項向量；h為水深，m；u、v分別為x、y方向的流速分量，m/s；zb為河床底高程，m；qL為單位面積旁側入流源項，m/s；Sfx、Sfy為河床底摩阻項；n為糙率。

淺水方程的空間離散方法為基于無結構三角形網格單元中心格式的有限體積法，界面法向數值通量的計算采用Roe格式的近似Riemann解，時間積分采用Euler向前格式。

1.2 堰流公式

一般在二維水動力模型中，線狀阻水構筑物可通過加密網格抬高地形或使用堰流公式兩種方法添加至模型中[12-14]。采用Villemonte堰流公式精細化模擬線性構筑物[15]，可避免因局部加密網格，網格過渡不均勻造成模型失穩問題的發生，表達式為

(7)

式(7)中：Qs為過堤流量，m3/s；W為堤頂寬度，m；Hw為堤頂高程，m；C為流量系數，取值為1.838；Hus為上游水位，m；Hds為下游水位，m。

2 模型構建

2.1 項目區概況

韓江高陂水利樞紐(以下簡稱樞紐)位于廣東省梅州市大埔縣高陂鎮上游約5 km處的韓江干流上，如圖1所示，是韓江流域防洪供水體系中的控制性水利工程，壩址以上集雨面積26 590 km2，正常蓄水位38 m，設計洪水位、校核洪水位47.44 m，總庫容3.656×108m3，防洪庫容達2.673×108m3。項目主體工程已于2021年1月下閘蓄水，與上游永定棉花灘水庫及下游堤防共同構成“堤庫結合”的防洪體系，保護人口624.29萬人，為粵東地區經濟社會的可持續發展提供安全保障。

圖1 韓江高陂水利樞紐位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the location of Gaobei hydro-junction

工程移民征地范圍由停發流量(6 700 m3/s)回水線確定，樞紐防洪庫容全部置于正常蓄水位以上，下閘蓄洪庫區將產生超蓄淹沒，居民遷移線至設計洪水位回水線之間仍存有大量的人口、房屋及文物單位等，一旦庫區超蓄將造成難以估量的損失，甚至會對社會穩定形成沖擊[16]。對庫區開展超蓄淹沒風險研究是十分必要的。

2.2 地形數據處理及網格剖分

模型地形數據采用近期的LIDAR實測數據，LIDAR數據經解算、分類處理成點數據，高程點經檢查后生成Delaunay不規則三角網并輸出為匹配模型網格大小的地形，得到分辨率為2 m的數字高程模型(digital elevation model，DEM)，詳盡的地形數據為精細化建模提供了基礎。

二維建模范圍由試算的100年一遇洪水淹沒范圍外擴確定，總面積約為188 km2，覆蓋庫區正常運用淹沒面積27.78 km2，網格剖分邊長沿河道邊界向河道兩岸外側由最小10 m到最大60 m漸變，網格角度控制在30°～120°，網格質量滿足精度和計算速度的要求。地形插值方法為自然鄰點插值法，建模區地形如圖2所示。

圖2 建模區地形Fig.2 Topography of modeling area

2.3 定解條件

邊界條件和初始條件合稱定解條件，是求解非恒定流問題的必要條件。為減少模擬累積誤差、提高模型穩定性，上游邊界給定上游來水過程，下游控制邊界給定調度模型輸出的庫水位過程；閉合邊界選擇無滑移條件。

以壩址遭遇30、50、100年設計頻率洪水的情況的計算工況為例，進行模型分析，各重現期入庫洪峰流量、庫水位如表1所示。

干濕邊界采用單元分區法處理，設置干水深hdry=0.005 m，濕水深hwet=0.05 m，由此為依據將研究區網格單元分為干區、半干半濕區及濕區，干區不參與計算，半干半濕區僅進行水量通量計算。

初始條件為匹配下游邊界條件設為正常蓄水位38 m。

表1 各重現期洪峰流量-水位成果表Table 1 Flood peak discharge and water level results

2.4 線性構筑物概化

庫區內需考慮堤防、公路等工程對洪水的阻擋作用，將堤防和公路概化為線性構筑物添加至二維模型中。建模區內堤防工程包括三河鎮匯城堤、大麻鎮的附麻堤、黨溪村的塘溪堤，其中附麻堤和塘溪堤現狀已完成堤防達標建設，建設標準為20 a一遇洪水，堤頂高程如表2所示。區域內的主要交通通道為省道(S222、S333)縣道、鄉道以及村道，主要研究省道和縣道的阻水影響，鄉道和村道因阻水作用不明顯而不作概化。

表2 堤頂高程表Table 2 Elevation of embankment top

2.5 參數設置

二維模型糙率取值采取分區設置，將下墊面分類為河道、村鎮、道路、水田、旱地、林地、空地共七類，其中韓江主槽糙率依據廣東省水利電力勘測設計研究院實測資料推求的斷面高水位糙率分段設置，在0.030～0.045；除河道以外的區域根據下墊面的土地利用類型，參照糙率經驗取值表賦初值，不同下墊面糙率取值如表3所示。

表3 不同下墊面糙率取值Table 3 Roughness values of different underlying surfaces

2.6 結果與分析

2.6.1 合理性分析

(1)水量平衡分析。由入流邊界、模型模擬結果分別統計出上游來水量、下游出流量以及樞紐時段庫容量，水面蒸發損失折算取值為0.39 m3/s，計算的相對誤差為1.3×10-7，小于1×10-6，滿足《洪水風險圖編制導則》(SL 483—2017)技術要求。

(2)如圖3所示，30、50、100年一遇洪水工況下，超蓄淹沒模型模擬的水面線結果與已批復的初步設計報告成果差值絕對值在0.00～0.13 m，說明模擬結果與初設計算成果基本相符。

(3)淹沒范圍合理性分析。結合DEM數據進行對比分析，30、50、100年一遇方案淹沒形態及范圍大致相同，洪水演進范圍主要集中在原河道，兩岸平原低洼地區被淹沒，結果與研究區地形走向相符，地形高區未發生淹沒，且本次模擬的淹沒范圍與已批復的高陂水利樞紐超蓄淹沒影響專題報告基本一致，說明淹沒范圍分布合理。

綜上，水量相對誤差、水面線、淹沒范圍等成果均與實際吻合，說明模型合理可靠。

圖3 韓江干流水面線成果Fig.3 Water surface profile results of Hanjiang main stream

2.6.2 超蓄淹沒分析

當壩址遭遇30年一遇的洪水時，天然情況下河道兩岸已產生淹沒，樞紐下閘蓄洪將加大庫區上游淹沒風險。如表4所示，遭遇30、50、100年一遇洪水時，臨時淹沒面積(居民遷移線對應范圍不納入統計)分別為9.09、11.43、13.78 km2，其中水深大于4.0 m的淹沒面積分別占總面積的56.6%、62.9%、70.6%。庫區兩岸大多為陡峭的山體，洼地平原分布其中，隨著洪水量級的增大，兩岸山體的阻擋使洪水演進范圍集中在主河道，河道水位迅速上漲，因此0.0～4.0 m水深范圍的淹沒面積增幅不大；同時洪水涌入洼地平原區，積水加深，水深大于4 m的淹沒面積增幅明顯。

表4 淹沒水深分布統計Table 4 Statistics of submerged depth distribution

如圖4所示，遭遇30～100年一遇洪水時，韓江沿岸地區的淹沒水深基本在0～14 m，淹沒深度由上游向下游呈遞增趨勢。高陂鎮、銀江鎮的銀灘村、大麻鎮、三河鎮以及茶陽鎮均為易受洪災區域。

2.6.3 淹沒損失評估

根據本次淹沒模擬結果和區域社會經濟情況，對不同頻率的洪水淹沒損失進行統計評估，包括受災人口、淹沒房屋、淹沒耕地面積、主要專業項目等指標，統計結果見表5。

3 動態淹沒模擬三維可視化系統

因洪水現象的隨機性和調度方案的多樣性，為滿足實際調度會商需求，設計了動態淹沒模擬三維可視化系統。系統采用B/S(瀏覽器/服務器)的模式，數據交換接口接入任意來水、調度方案等動態因子，通過模型管控平臺調用水文模型、水庫調度模型，計算輸出來水過程和庫水位過程進入超蓄淹沒模型進行風險模擬；傾斜攝影原始數據經后處理軟件處理，完成圖片和地形的融合，構建三維實景模型，最后將超蓄淹沒結果與三維實景模型相融合，進行淹沒風險(淹沒范圍、水深等)的三維可視化展示，系統技術流程如圖5所示，三維實景效果如圖6所示，100年一遇樞紐超蓄淹沒風險三維可視化展示如圖7所示。

表5 高陂水利樞紐庫區超蓄淹沒損失統計表Table 5 Statistics of flooding loss of over-impoundment of Gaobei hydro-junction

圖4 不同頻率淹沒水深圖Fig.4 Different frequency submerged depth map

圖6 三維實景效果圖Fig.6 3D terrain rendering

4 結論

為研究高陂水利樞紐庫區的超蓄淹沒風險，建立了動態超蓄淹沒風險分析模型，模擬了30、50、100年一遇設計洪水淹沒情景，得出以下結論。

(1)從水量平衡、水面線誤差、淹沒范圍與地形走向相關性進行了合理性分析，結果表明，超蓄淹沒模型結果合理可靠，符合實際，可用于高陂水利樞紐超蓄淹沒風險分析。

(2)當遭遇30年一遇以上洪水時，高陂水利樞紐庫區超蓄淹沒影響的主要范圍為高陂鎮、銀江鎮的銀灘村、大麻鎮、三河鎮以及茶陽鎮等區域。

(3)動態超蓄淹沒三維可視化系統以模型管控平臺為智能引擎，驅動水文預報模型、水庫調度模型，實現來水和調度方案的動態輸入，模擬庫區超蓄淹沒風險，并利用三維可視化技術，直觀展示超蓄淹沒范圍、水深、轉移路線等風險信息。這對于災前預警預報、調度決策和快速撤離受災群眾具有重要的指導意義，能為其他地區洪水風險模擬及三維可視化展示系統設計提供思路和參考。

圖7 100年一遇洪水淹沒風險三維展示Fig.7 3D display of 100 a flood inundation risk