基于耦合水動力模型的藥湖聯(lián)圩區(qū)洪水風險分析

陳俊鴻， 陳煉鋼， 王 崗， 施 勇， 劉小龍

(1. 南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室， 江蘇 南京 210029； 2. 河海大學 港口海岸與近海工程學院， 江蘇 南京 210098)

基于耦合水動力模型的藥湖聯(lián)圩區(qū)洪水風險分析

陳俊鴻1， 2， 陳煉鋼1， 王 崗2， 施 勇1， 劉小龍1

(1. 南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室， 江蘇 南京 210029； 2. 河海大學 港口海岸與近海工程學院， 江蘇 南京 210098)

鄱陽湖贛江尾閭藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)水系繁多，頻繁受到洪水侵襲，因此極有必要對該地區(qū)開展洪水風險分析。建立了能夠模擬潰堤洪水水流演進的一、二維耦合水動力模型，并利用糙率分區(qū)、河道地形還原等技術(shù)進行優(yōu)化，提高了模型精度。將該模型應(yīng)用于藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)，計算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格進行剖分，設(shè)定潰口發(fā)生瞬時潰堤，潰口流量滿足水量平衡原理，演進結(jié)果合理可靠。對演進計算結(jié)果進行洪水風險分析，結(jié)果表明：雞鳴洲、大王廟、司家閘潰口洪水淹沒面積分別為10.62，56.67，18.36 km2，淹沒分布基本遵從地形高低原則，保護區(qū)內(nèi)的淹沒水深基本都大于3 m，區(qū)內(nèi)洪水淹沒范圍大小和影響人口數(shù)量與潰口位置有關(guān)。

水動力模型； 一、二維耦合； 藥湖聯(lián)圩； 風險分析； 潰堤洪水

藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)屬于贛江水系，有石崗、松湖等多個重要鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及昌樟公路等重要交通設(shè)施，土地肥沃，水土資源以及礦產(chǎn)資源十分豐富，是當?shù)刂匾纳唐芳Z生產(chǎn)基地。同時區(qū)內(nèi)水文條件錯綜復雜，降水時空分布不均，夏多冬少；流域洪水主要由暴雨形成，洪水季節(jié)與暴雨季節(jié)相一致。加上藥湖聯(lián)圩水系繁多，圩堤設(shè)計標準偏低，保護區(qū)地形平坦，地勢低洼，且同時受贛江和錦江洪水的雙重影響，汛期時圩內(nèi)險象環(huán)生，防洪任務(wù)異常繁重，不僅嚴重制約了當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展，同時對保護區(qū)內(nèi)8萬居民的生命財產(chǎn)安全也構(gòu)成極大的威脅。而對于這樣重要的區(qū)域，其洪水風險評估仍是一片空白，因此進行藥湖聯(lián)圩洪水風險分析，對于保護當?shù)鼐用裆敭a(chǎn)安全、促進保護區(qū)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

近年來，國內(nèi)外學者對洪水數(shù)值模擬技術(shù)開展了廣泛研究，并取得了較大進展。苑希民等[1-3]基于二維淺水方程，建立了模擬河道和灌區(qū)洪水演進的二維水動力模型。在此基礎(chǔ)上，李云等[4]將一維、二維洪水嵌套模型成功應(yīng)用于淮河臨淮崗段。姜曉明等[5]運用基于黎曼近似解的潰堤洪水一、二維耦合數(shù)學模型對松花江干流胖頭泡潰堤洪水進行了模擬計算。張大偉等[6]建立了能夠?qū)μ烊缓拥罎⒌趟鬟M行模擬的一維、二維耦合數(shù)學模型，并已成功應(yīng)用于松花江哈爾濱段松北分洪區(qū)潰堤洪水的模擬。李大鳴等[7]采用有限體積法建立了河道、滯洪區(qū)聯(lián)合計算的一、二維銜接洪水演進數(shù)學模型及洪水仿真模擬系統(tǒng)，并對大清河滯洪區(qū)五洼聯(lián)合調(diào)度方案進行了實時模擬。王煒[8]將Delft 3D-FLOW應(yīng)用于洪泛區(qū)的二維洪水演進數(shù)值模擬并與一維模型相銜接，對洪水造成的損失做了初步評估?？梢园l(fā)現(xiàn)，由于一、二維耦合水動力模型具有計算速度快、精度高的優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于潰堤洪水模擬中[9]。

本文將建立一、二維耦合洪水演進模型，一維河道和二維洪泛區(qū)水流運動分別采用四點隱式Preissmann格式以及中心格式的有限體積法進行離散求解，模擬極端洪水過程獲取相關(guān)洪水風險要素并進行洪水風險分析與評估。

1 模型構(gòu)建

1.1 河道一維模型

一維河道(河網(wǎng))的洪水運動用Saint-Venant方程組描述：

?Q/?x+?A/?t=q

(1)

(2)

式中：Q為斷面流量；x為河長；t為時間；A為過水面積；Z為斷面水位；α為動量修正系數(shù)；K為流量模數(shù)；q為旁側(cè)入流；vx為入流沿水流方向的速度分量。其上、下游邊界的控制條件一般采用水位過程控制、流量過程控制、流量與水位關(guān)系控制等形式。

對Saint-Venant方程組(1)和(2)采用四點隱式的Preissmann格式進行離散求解：

(3)

(4)

(5)

式中：θ為權(quán)重系數(shù)，可取0.5<θ<1.0。

1.2 洪泛區(qū)二維模型

對于寬淺河道和洪泛區(qū)內(nèi)大范圍的潰堤洪水運動，可以采用淺水方程來描述，控制方程的守恒形式如下:

(6)

式中：h為水深；t為時間變量；u，v分別為x，y方向的流速；Sox，Soy分別為x，y方向的坡底源項；Sfx，Sfy分別為x，y方向的摩阻項；g為重力加速度；z為底高程；n為曼寧系數(shù)。

本文采用了中心格式的有限體積法對控制方程式(6)進行離散，控制體取為任意的三角形單元，應(yīng)用格林公式可得如下形式：

(7)

式中：Ai為i單元的計算面積；Γi為i控制體的邊界條件；n為邊界的外法線方向單位向量；F為界面通量。針對潰堤水流的流態(tài)復雜，水面梯度大等特點，利用Roe格式的近似Riemann解對界面通量進行數(shù)值求解[10]。

1.3 模型耦合

將一維河網(wǎng)模型與二維洪水模型進行耦合，構(gòu)建最終的洪水分析模型。選定側(cè)堰流公式來實現(xiàn)潰口上下游水流信息的交互，具體為：

(8)

式中：Q為側(cè)堰流量；H為側(cè)堰首端河渠斷面水深；b為側(cè)堰堰寬；Cd為流量系數(shù)。當建立潰堤水流模型時，可根據(jù)湍流方程推求流量系數(shù)的近似方程：

(9)

式中：m為模塊限制系數(shù)；d為平均水深；Ds為水流源匯距離；n為曼寧系數(shù)。在潰口處二維計算單元一般通過多個網(wǎng)格點與一維計算單元連接。由于一維模型計算結(jié)果中的水力參數(shù)是物理量的斷面平均值，二維模型計算出的是變量各網(wǎng)格中心處的節(jié)點值，因此在潰口連接處需要對一維、二維模型的交換數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化和銜接。一維模型為二維模型提供流量值Q作為二維模型的邊界條件，將Q值分布到二維計算單元的各節(jié)點上，考慮到在連接處二維計算網(wǎng)格的水位值并不相等，因此取各個計算網(wǎng)格的平均水位值Z返回給一維模型，以進行下一時段的計算。

2 藥湖聯(lián)圩區(qū)洪水風險分析

2.1 區(qū)域概況與地形概化

圖1 藥湖聯(lián)圩水系及潰口分布Fig.1 Water system distribution in calculation zone

藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)位于錦江下游南岸，豐城市與南昌市新建區(qū)交界處，面積為166 km2，地勢總體西北高、南東低，內(nèi)有錦江、藥湖、浠湖、佳湖、上塘導托、圳頭導托等多條水系，其中錦江主河長305 km，河面寬為200～500 m，流域面積383 km2，計算區(qū)域水系(不含導托)分布見圖1。藥湖聯(lián)圩受東亞季風影響，形成了亞熱帶季風氣候，區(qū)域內(nèi)熱量豐富、雨水充沛，光照充足。區(qū)域雨洪同期，洪水最早出現(xiàn)在3—4月，但洪量值相對較小，5—6月進入主汛期，約占全年降水量的50%。

圖2 網(wǎng)格概化Fig.2 Generalized topography

藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)外洪模型主要考慮錦江潰堤洪水對保護區(qū)的影響，對錦江河道構(gòu)建一維模型，洪泛區(qū)構(gòu)建二維模型。計算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格進行剖分，以計算域外邊界、區(qū)域內(nèi)堤防、阻水建筑物、較大河渠、主要公路、鐵路作為依據(jù)，使網(wǎng)格的大小隨地形地勢和阻水建筑物的分布靈活確定，而且盡可能地將影響水流的阻水建筑物作為網(wǎng)格邊界，充分反映計算域的特征。但是，保護區(qū)內(nèi)部的道路、堤防需概化為線狀阻水建筑物，內(nèi)部河道則概化其河道堤防、下挖河底地形，并對網(wǎng)格適當加密，在二維地形中充分反映其特征。計算區(qū)域模型共生成計算網(wǎng)格約16萬個，網(wǎng)格邊長不超過300 m，最大三角形面積為20 000 m2。司家閘潰口附近部分網(wǎng)格概化如圖2所示。

2.2 計算條件與糙率確定

根據(jù)歷史潰口及險工險段分析，考慮可能發(fā)生的最危險情況，通過實地查勘并結(jié)合地方防汛部門專家的建議，選擇錦江堤段的雞鳴洲(潰口1)、松湖堤段中段大王廟(潰口2)、藥湖堤段司家閘(潰口3)為計算潰口，如圖1所示。堤防設(shè)計水位25.37 m，潰口寬度分別為170，110，190 m，潰口堤頂高程分別為30.0，28.5，28.4 m。錦江上游邊界條件為高安站洪水流量過程，下游邊界為設(shè)計條件下市汊相應(yīng)洪水水位過程，利用錦江高安站1953—2013年61年實測洪峰流量，采用年最大值法選擇實測洪峰流量系列，以此為基礎(chǔ)進行洪峰流量頻率分析，選擇2010年洪水為典型洪水，按照洪峰控制的同倍比放大法得到高安站20年一遇設(shè)計洪水過程線見圖3。分析贛江樟樹至外洲河段河道設(shè)計水面線，可得到市汊20年一遇設(shè)計水位為22.68 m。本文選擇計算時段為2010-05-21T08:00/2010-05-28T08:00，計算方案為錦江20年一遇洪水，初始時刻計算區(qū)域淹沒水深為0，計算步長30 s。

根據(jù)計算區(qū)域地形、地貌的實際情況，結(jié)合以往規(guī)劃設(shè)計資料和經(jīng)驗值分析確定保護區(qū)糙率。計算區(qū)域地表采用不同下墊面不同的糙率分區(qū)，盡可能反映洪水演進的真實情況，網(wǎng)格糙率取值見表1。

圖3 高安站設(shè)計洪水過程線Fig.3 Designed flood hydrograph in Gaoan station

土地類型糙率備注村莊0.070居民地樹叢0.065幼林、竹林、疏林、成林、灌木林旱田0.060旱地、城市綠地、園地、草地、苗圃、荒草地、高草地、半荒草地、跡地水田0.050

圖4 潰口流量過程曲線Fig.4 Discharge change process of dyke breaches

2.3 洪水演進計算結(jié)果

圖4為3個潰口處分洪流量變化過程。比較3條曲線可以看出，潰口1的洪峰流量最大，但潰口入流總量最小，潰口2入流總量最大，潰口3次之，這與區(qū)域地形分布相符。通過提取模型中水量平衡分析的內(nèi)容，對藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)內(nèi)3個不同潰口的水量平衡進行了分析，具體見表2?？傮w而言，模型對于水量平衡計算的相對誤差基本控制在0.1%以內(nèi)，誤差相對較小，說明該模型模擬潰堤洪水的精度較高。

表2 潰口水量平衡驗證Tab.2 Water balance verification of breaches

以潰口3為例，在錦江20年一遇洪水過程條件下，設(shè)定險工段司家閘發(fā)生瞬時潰堤，計算時長為7 d。從開始模擬時刻2010年5月21日8:00到23日3:40之間沒有發(fā)生潰決，錦江水位正常升高，保護區(qū)水位(潰口附近的計算網(wǎng)格的水位)等于地面高程，潰口流量為零；在23日3:40，潰口3發(fā)生潰決，洪水從錦江涌入保護區(qū)，潰口流量由零瞬時達到最大，錦江水位降低，保護區(qū)內(nèi)水位增高；潰決開始到24日18:00這一時段內(nèi)，錦江水位高于保護區(qū)內(nèi)水位，洪水從錦江流入保護區(qū)，但水位差逐漸減小，潰口流量逐漸減小；在24日18:00，保護區(qū)內(nèi)水位反過來高于錦江水位，潰口流量出現(xiàn)負值，洪水從保護區(qū)回退入錦江，這是因為與保護區(qū)相比，錦江河道槽蓄量小，行洪能力大，退水時水位下降得更快；在25日17:20，保護區(qū)內(nèi)水位降到潰口底高程齊平時，此時，洪水無法通過潰口從保護區(qū)退入錦江，潰口流量降為零。

2.4 洪水風險分析

洪水風險是指發(fā)生由洪水造成不同程度損失的可能性[11-12]。根據(jù)3個潰口洪水分析計算結(jié)果及區(qū)域社會經(jīng)濟情況，并結(jié)合保護區(qū)地物分布，統(tǒng)計各方案的淹沒面積、淹沒耕地面積、受影響人口總數(shù)、最大淹沒水位、最大淹沒水深等洪水風險數(shù)據(jù)，計算結(jié)果見表3。

表3 洪水風險數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.3 Statistics of flood risk data

綜合分析藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)錦江來洪洪水風險狀況，可以發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)洪水淹沒范圍大小和影響人口數(shù)量與潰口位置有關(guān)，從高到低依次為大王廟潰口洪水風險、司家閘潰口洪水風險、雞鳴洲潰口洪水風險。具體原因分析為：

(1)保護區(qū)內(nèi)松湖鎮(zhèn)地勢平坦低洼，依靠鐵臂圩與錦江松湖堤段保護，但鐵臂圩防御標準僅10年一遇，在大王廟發(fā)生潰口時，洪水將會漫過鐵臂圩，淹沒范圍最大，影響人口最多。

(2)司家閘潰口位于保護區(qū)下游，由于該區(qū)域經(jīng)常遭遇洪澇災(zāi)害，人口、工礦企業(yè)非常少，其發(fā)生潰口時洪水不會影響到松湖鎮(zhèn)地區(qū)，淹沒范圍較小，影響人口相對較少。

(3)雞鳴洲發(fā)生潰堤時，南邊山地和東邊圳頭導托排洪渠對洪水有非常大阻擋作用，淹沒區(qū)域比較集中，淹沒范圍有限，影響人口最小。

另外，從防洪保護區(qū)內(nèi)的淹沒分布來看，基本遵從地形高低的原則，由于進洪周期比較長，進洪量一般都比較大，保護區(qū)內(nèi)的淹沒水深基本都大于3 m。

以潰口3為例，通過對計算結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得到淹沒過程中最大水深分布、淹沒歷時分布以及洪水前鋒到達時間分布情況。將淹沒水深圖中滿足水深≥1.0 m條件的區(qū)域作為危險區(qū)，選擇具有容納該區(qū)域內(nèi)所有需避險人口的堅固樓房或公共設(shè)施(學校、體育館、辦公樓等)，可維持過水期間避險人員基本生活衛(wèi)生條件以及常規(guī)的醫(yī)療需求的區(qū)域作為安置區(qū)。在分析藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)地形特性基礎(chǔ)上，對保護區(qū)進行了實地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)保護區(qū)整體地形特征為保護區(qū)西側(cè)、南側(cè)為自然高地，且地形梯度很小。結(jié)合危險區(qū)的分析，可以將危險區(qū)周邊的自然高地作為避險轉(zhuǎn)移安置場所，并根據(jù)最短路徑原則規(guī)劃避險轉(zhuǎn)移路徑。最終將計算成果以洪水風險圖的形式表達，部分區(qū)域成果如圖5所示。研究成果對防洪決策部門制定救災(zāi)搶險方案具有重大參考價值。

圖5 計算區(qū)域洪水風險示意Fig.5 Flood risk maps in calculation zone

3 結(jié) 語

本文對藥湖聯(lián)圩防洪保護區(qū)建立了潰堤洪水一、二維耦合水動力模型，利用糙率分區(qū)、河道地形還原等技術(shù)優(yōu)化了模型，提高了模型精度。以錦江20年一遇洪水為基礎(chǔ)，對計算區(qū)域進行了模擬，結(jié)果表明，此模型的計算能滿足水量平衡，具有較高精度。通過模型計算得到結(jié)果，結(jié)合區(qū)域社會經(jīng)濟情況做了洪水風險分析，可以為防汛指揮部門安排抗洪救災(zāi)、避險轉(zhuǎn)移及選擇安置區(qū)等提供重要的信息。

與傳統(tǒng)模型相比，該模型具有很好的多功能性和適用性，可應(yīng)用于潰堤及其任意組合方案的洪水演進模擬并具有很好的穩(wěn)定性，能滿足洪水風險分析基本要求。但潰口過程是瞬時潰決，沒有考慮潰口展寬，模型可以實現(xiàn)入流邊界固定時潰口處內(nèi)外水流的交換，但不能做到實時動態(tài)交換。因此，建議在地形數(shù)據(jù)能夠滿足計算精度要求的情況下，通過堤防決口處高程與寬度漸變關(guān)系反映潰口漸變潰決，模擬潰口處水流的復雜變化狀態(tài)，同時模擬洪水在河道與洪泛區(qū)的交換過程及其在洪泛區(qū)內(nèi)的演進情況。

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FloodriskanalysisforYaohuLakedykebasedoncoupledhydrodynamicmodel

CHEN Junhong1， 2， CHEN Liangang1， WANG Gang2， SHI Yong1， LIU Xiaolong1

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China； 2.CollegeofHarbour,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

The Yaohu Lake dyke flood protection area in Poyang Lake region has various water systems and complicated hydrological condition. The inundant flood hits the entire region during the flood period, so the corresponding flood risk analysis in this region has a great significance. A 1D and 2D coupled hydrodynamic model to simulate the evolution of levee-breach flood is developed in this study, and the model is optimized by roughness partitioning and river topography reduction, which improves the model’s precision. The system is applied to Yaohu Lake dyke flood protection area, and the calculation area is divided into unstructured triangular grids. The instantaneous dike break is set up, and the breach flux meets the principle of water balance. The evolution result is reasonable and reliable, based on which the flood risk analysis is carried out. The analysis results show that the areas flooded due to the breaches of Jimingzhou, Dawangmiao and Sijiazha are 10.62, 56.67 and 18.36 km2respectively. The submerged distribution basically follows the principle of topography, and the submerged water depth in the protected area is basically deeper than 3 m. And the inundated area size and the impacted population are related to the breach’s position.

hydrodynamics； 1D and 2D coupled model； Yaohu Lake dyke； flood risk analysis； levee-breach flood

TV122

A

1009-640X(2017)05-0030-07

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.05.005

陳俊鴻， 陳煉鋼， 王崗， 等. 基于耦合水動力模型的藥湖聯(lián)圩區(qū)洪水風險分析[J]. 水利水運工程學報, 2017(5): 30-36. (CHEN Junhong, CHEN Liangang, WANG Gang, et al. Flood risk analysis for Yaohu Lake dyke based on coupled hydrodynamic model[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(5): 30-36. (in Chinese))

2016-09-29

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0402207， 2016YFC0402201)； 國家自然科學基金資助項目(51579090， 51679143)

陳俊鴻(1993—)， 男， 廣西桂林人， 碩士研究生， 主要從事流域水量水質(zhì)模擬研究。

E-mail： jhchen1993@126.com 通信作者： 陳煉鋼(E-mail： lgchen81@gmail.com)