飛來峽庫區臨時蓄滯洪區洪水風險分析

王紅旗，馮靖雲，范子武

（1.華南農業大學水利與土木工程學院，廣州 510642；2.南京水利科學研究院，南京 210029）

0 引 言

蓄滯洪區是江河流域防洪減災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害損失的重要舉措。國內外學者從建設與管理、生態修復、洪水演進數值模擬與風險圖繪制、避險轉移等多個方面開展了蓄滯洪區的研究［1-4］。王小笑等［5］構建了二維數學模型，利用GIS 反演技術對蓄滯洪區進行危險程度分區并編制洪水風險圖，為蓄滯洪區管理提供科學依據；Qiang Liu 等［6］提出有限體積法進行數值求解河道與蓄滯洪區一二維耦合水動力模型，更真實模擬洪水演進過程；果鵬等［7］提出受淹對象失穩機制的洪水風險分析方法，評估蓄滯洪區的洪水風險等級，具有更好適用性。目前，蓄滯洪區的洪水風險分析逐漸成為眾多學者的研究重點［8，9］。

飛來峽水庫作為北江防洪體系的關鍵性工程，通過與潖江蓄滯洪區聯合運用，可將下游北江大堤防洪標準由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。飛來峽庫區人口總數多、分布廣，涉及的社會經濟總量大，當啟用庫區臨時蓄滯洪區調洪，將產生不同程度的淹沒損失。在調蓄300年一遇洪水的情況下，飛來峽庫區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，構建水力學模型模擬洪水演進過程，分析了沿程斷面最高水位、洪水淹沒面積與洪峰抵達時間，分析了庫區臨時蓄滯洪區不同年型與頻率的洪水風險，有利于增強臨時蓄滯洪區居民及管理工作人員的風險意識。

1 飛來峽庫區臨時蓄滯洪區概況

飛來峽水庫位于廣東省北江干流中游清遠市境內，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。庫區臨時淹沒涉及英城、波羅坑、連江口和社崗4 處蓄滯洪區，各臨時蓄滯洪區概況如表1。

表1 飛來峽庫區臨時蓄滯洪區概況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，對蓄滯洪區進行二維水動力建模，一維河道和二維洪泛區在堤岸處進行耦合模擬洪水演進過程。

2.1 河道內洪水演進模擬

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為旁側入流流量，m3/s；A 為斷面面積，m2；Vx為旁側入流在水流方向上的流速分量，m/s；K 為流量模數；α 為動量修正系數。對上式采用HLL格式的黎曼近似解計算一維模型通量。

2.2 洪泛區內洪水演進模擬

洪水在洪泛區的水流運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水流運動控制方程的統一形式表示為：

式中：D 為系數矩陣；?F 表示變量F 對空間變量的偏導數和；S為源項；Ω為控制體范圍；t為時間變量；Ts為持續時間。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 模型的構建及驗證

3.1 模型的構建范圍

本次模型的構建范圍為飛來峽水庫庫區，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。其中一維動庫調洪模型范圍從馬競寮至壩址河段總長約95.8 km；二維調洪模型的范圍為飛來峽水庫壩址以上的防洪保護區，包括英德、波羅坑、連江口及社崗4處臨時蓄滯洪區。

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度規則確定的水位流量關系曲線。

3.3 模型率定與驗證

3.3.1 參數率定

采用非恒定流變步長法進行多次試算，并綜合考慮模型收斂及計算時間等因素，對模型的計算參數進行設定。北江干支流不同河段經過調整優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月發生的兩場洪水的實測資料，驗證結果見表3。

表3 干流主要水位站點驗證結果Tab.3 Verification results of main water level stations in the main stream

模型驗證結果表明，干流主要站點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0.59 m，與水位測量存在誤差有關。總體而言，模擬成果具有較高精度，所構建的模型及設定的計算參數合理可行［12，13］。

4 洪水風險分析

根據率定的北江流域干支流不同河段糙率參數值（見表2），選取北江流域發生的兩場典型洪水“68·6”型和“82·5”型進行動庫調洪演算。對該兩場典型洪水分別設計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，統計其沿程斷面水位過程、洪水淹沒面積以及洪峰抵達時間。結合基于DOM 及DEM 疊加圖統計的庫區人口與房屋調查數據，分析4處臨時蓄滯洪區的淹沒風險。

4.1 人口與房屋淹沒分析

在“68·6”和“82·5”兩種年型，重現期為50年、100年、200年和300年等不同頻率洪水條件下，各臨時蓄滯洪區所在處典型斷面最高水位統計見表4。各臨時蓄滯洪區涉及鄉鎮人口及房屋淹沒統計見表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 不同水位高程庫區臨時蓄滯洪區涉及鄉鎮人口及房屋淹沒調查統計表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、不同重現期洪水沿程最高水位均呈相同的變化趨勢：不同設計洪水依次經過英德大橋、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，啟用臨時蓄滯洪區防洪十分迫切。結合調查統計數據，洪水重現期越大，各城鎮的淹沒房屋面積與受影響人口越多，洪災損失越嚴重。其中，連江口鎮所在地高程較低，其所處的連江口臨時蓄滯洪區最先遭受洪水威脅；當遭遇100年一遇以上洪水時，英德鎮淹沒房屋面積及受影響人口倍增，面臨最嚴重的洪災損失。

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，飛來峽庫區臨時蓄滯洪區的淹沒范圍示意圖。

圖2 “68·6”年型不同重現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計表Tab.6 Statistical table of simulated flood inundation areas

從淹沒數據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期的增大而增加。當發生300年一遇洪水時，整個庫區臨時蓄滯洪區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290 km2。

4.3 洪峰抵達時間分析

對8 種設計工況條件下，以河道內洪峰到達白石窯處的時刻為起始點，分別統計各設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 典型斷面洪峰抵達時間統計表 hTab.7 Statistics of flood peak arrival time of typical section

從結果可看出，“68·6”型洪水洪峰抵達壩址時間較短，而“82·5”型洪水洪峰抵達壩址時間略長。同時年型洪峰抵達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，臨時蓄滯洪區啟用時間越緊張。當遭遇300年一遇洪水，洪峰抵達英城臨時蓄滯洪區只需3.0～4.5 h，抵達波羅坑臨時蓄滯洪區需要5.5～6.5 h，抵達連江口蓄滯洪區需要6.0～7.0 h，抵達社崗臨時蓄滯洪區僅需10.0～12.0 h，洪峰抵達時間之快使蓄滯洪區調度困難，也給人員及時轉移帶來極大的挑戰。

5 結論與建議

（1）基于飛來峽庫區地形地貌及北江干支流洪水特征，構建了洪水演進水動力數學模型。采用“68·6”和“82·5”兩場典型洪水率定模型參數，通過流量過程線比較，洪峰流量誤差較小；并利用2006年7月和2008年6月兩場實測洪水資料進行模型驗證，通過與干流主要水位站點的實測水位比較，水位誤差較小。所構建的洪水演進模型參數設置合理，具有較高的精度，模擬結果可用于飛來峽庫區臨時蓄滯洪區洪水淹沒風險分析。

（2）運用一維、二維及水力學耦合模型，模擬飛來峽庫區臨時蓄滯洪區洪水演進模型，設計“68.6”和“82.5”年型重現期分別為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地勢較低洼，最先遭遇洪水風險；英城蓄滯洪區工農業總產值65.23 億元，其中英城街道是英德市政治、經濟、文化、教育與信息中心，一旦啟用英城臨時蓄滯洪區，轉移遷安難度大且成本高［14-16］；整個飛來峽庫區臨時蓄滯洪區洪水淹沒面積高達290 km2，洪峰抵達飛來峽庫區各臨時蓄滯洪區的時間不超過12 h，應及時啟動英城、波羅坑、連江口及社崗臨時蓄滯洪區安全轉移預案。

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