松滋江堤防洪保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)研究(Ⅰ)
——模型的建立與驗(yàn)證

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(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部江湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

長(zhǎng)江是我國(guó)最大的河流，特殊的氣候、地理特征導(dǎo)致流域洪澇、臺(tái)風(fēng)和山洪等災(zāi)害頻繁發(fā)生，歷史上造成了大量的人員傷亡和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。長(zhǎng)江中下游地處沖積平原，沿江人民生命財(cái)產(chǎn)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施主要靠堤防保護(hù)，洪水來量大與河槽泄流能力小的矛盾極為突出，洪水災(zāi)害較為頻繁。中游荊江河段由于兩岸支流眾多，江湖關(guān)系復(fù)雜，更是長(zhǎng)江流域防洪的重點(diǎn)[1]。松滋江堤是荊江河段防洪工程體系的組成部分，20世紀(jì)以來松滋江堤發(fā)生了4次潰決，并發(fā)生多處管涌險(xiǎn)情[2]。

國(guó)內(nèi)外目前已有較為成功的河網(wǎng)模型[3-5]，基于荊江—洞庭湖區(qū)域的一、二維模型也得到了較為充分的應(yīng)用及驗(yàn)證[6-8]。但是考慮到荊江分蓄洪區(qū)的應(yīng)用，針對(duì)特大洪水下長(zhǎng)江干流洪水、松滋河分流洪水的演進(jìn)過程以及防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)洪水的吐納及其相互影響的規(guī)律很少涉及。因此本文運(yùn)用較為成熟的河網(wǎng)汊點(diǎn)分組解法建立求解河網(wǎng)模型[9]，并通過堤防潰口與防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)的平面二維水流模型進(jìn)行耦合[10]，建立了荊江—防洪保護(hù)區(qū)洪水演進(jìn)模型。由于防洪保護(hù)區(qū)缺乏實(shí)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證，本文從水量平衡、不同方案下松滋口分流情況及潰口進(jìn)洪過程對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了合理性分析。

圖1 松滋江堤示意圖Fig.1 Sketch of Songzi Levee

2 松滋江堤防洪保護(hù)區(qū)概況

松滋江堤位于長(zhǎng)江上荊江河段南岸松滋市境內(nèi)，西起松滋老城，東至涴市隔堤，全長(zhǎng)51.2 km，其中松滋老城至胡家崗為沿松滋河的支堤，長(zhǎng)16.8 km；東大口至靈鐘寺為沿采穴河的民堤，長(zhǎng)9.8 km；靈鐘寺至涴市隔堤為長(zhǎng)江干堤，長(zhǎng)24.6 km。松滋江堤走向如圖1所示。

松滋江堤防洪保護(hù)區(qū)位于長(zhǎng)江中游南岸，涵蓋湖北省松滋市、公安縣及湖南省安鄉(xiāng)縣等區(qū)域。保護(hù)區(qū)地處巫山余脈和武陵山余脈向江漢平原過渡的交匯處，地勢(shì)自西北向東南傾斜，西高東低，平原湖區(qū)地勢(shì)由北向南微傾。保護(hù)區(qū)內(nèi)平展廣闊，河渠縱橫，有松東河、松西河自北向南匯入洞庭湖，同時(shí)松東河、松西河間還有大大小小的串河相連(如圖2所示)。

圖2 松滋江堤防洪保護(hù)區(qū)水系分布Fig.2 Distribution of river system in flood protection area enclosed by Songzi Levee

圖3 枝城站1870年型1 000 a一遇設(shè)計(jì)洪水過程Fig.3 Process of a 1 000-year event flood at Zhicheng station

3 洪水分析方案確立

松滋江堤防洪保護(hù)區(qū)洪水來源主要包括長(zhǎng)江干流枝城以上洪水以及沮漳河洪水。本文以1 000 a一遇洪水過程為例，枝城入流考慮三峽水庫調(diào)度作用(洪水過程如圖3所示)，同時(shí)考慮荊江地區(qū)分洪區(qū)運(yùn)用。

根據(jù)堤防歷史潰口、近年險(xiǎn)工險(xiǎn)段情況[11]，選定了松滋江堤涴市潰口、靈鐘寺潰口、新華垴潰口等作為洪水分析擬定的潰口位置(如圖1所示)。潰口尺寸設(shè)定為梯形，潰口坡度定為1∶2，潰口寬度分別為800，300，600 m；潰口情況見表1。擬定靈鐘寺潰決歷時(shí)為1 h，涴市橫堤及新華垴潰口的潰決歷時(shí)取1.5 h。潰口發(fā)展過程擬定為：初始時(shí)刻潰口寬度及深度分別為最大潰口寬度和深度的1/5，之后隨時(shí)間線性擴(kuò)展至最終潰口尺寸，堤防潰口坡度均設(shè)定為1∶2。

表1 松滋江堤擬定潰口情況Table 1 Attributes of breaches of Songzi Levee

4 洪水分析模型建立

4.1 建模思路

本文構(gòu)建了一、二維耦合的水動(dòng)力學(xué)模型模擬長(zhǎng)江干流及松滋江堤防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)的洪水演進(jìn)過程。其中一維河網(wǎng)模型模擬長(zhǎng)江干流、松滋河干流、采穴河、沮漳河及虎渡河的洪水演進(jìn)(見圖4)，二維模型模擬保護(hù)區(qū)內(nèi)的洪水演進(jìn)，計(jì)算范圍約2 000 km2。

圖4 一維模型布置示意圖Fig.4 Layout of 1-D model

考慮到防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)松滋河水系縱橫交錯(cuò)，且河道平面尺度遠(yuǎn)小于保護(hù)區(qū)，為保證河道內(nèi)洪水演進(jìn)模擬的精確性，二維模型中對(duì)松滋河河道范圍內(nèi)進(jìn)行局部加密。一、二維模型通過堤防潰口進(jìn)行耦合。模型構(gòu)建示意圖見圖5。

圖5 模型構(gòu)建示意圖Fig.5 Layout of the coupled model

4.2 模型率定及驗(yàn)證

一維模型采用2010年水文資料進(jìn)行率定，2012年水文資料進(jìn)行了驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料對(duì)比如圖6所示?？梢婒?yàn)證結(jié)果與實(shí)測(cè)洪水的最大水位誤差絕對(duì)值≤20 cm，最大流量相對(duì)誤差(實(shí)測(cè)流量與計(jì)算流量之差的絕對(duì)值/實(shí)測(cè)流量)≤10%；并且水位漲落趨勢(shì)和流量變化趨勢(shì)基本一致。因此糙率的取值是合適的，模型計(jì)算結(jié)果基本可靠。

圖6 一維模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.6 Comparison between observed data and computed results of 1-D model

保護(hù)區(qū)內(nèi)糙率根據(jù)研究區(qū)域的土地利用類型，參考《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則》給定的糙率取值范圍，結(jié)合下墊面的實(shí)際情況綜合確定。同時(shí)對(duì)其敏感性進(jìn)行了分析，具體措施如下:以涴市潰口為例，潰口流量設(shè)置為3 000 m3/s在保護(hù)區(qū)內(nèi)選取5個(gè)取樣點(diǎn)(A—E)，分別比較各點(diǎn)的洪水到達(dá)時(shí)間和最大流速。取樣點(diǎn)位置見圖5(a)，計(jì)算結(jié)果見表2。可以看出，糙率取值對(duì)洪峰到達(dá)時(shí)間基本無影響，對(duì)最大流速影響較小，因此總的來說糙率取值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。

表3 計(jì)算成果水量平衡分析Table 3 Water budget of computed results

注：初始水量、終止水量分別為計(jì)算開始時(shí)刻、結(jié)束時(shí)刻模型范圍內(nèi)的槽蓄水量；水量誤差計(jì)算方式為：初始水量+枝城入流量+倒灌水量-終止水量-沙市出流量-松滋口分流量-潰口分泄水量；相對(duì)誤差計(jì)算方式為：水量誤差/枝城入流量×100%

表2 不同糙率取值對(duì)洪水到達(dá)時(shí)間和最大流速的影響Table 2 Influence of roughness coefficient on arrivaltime and maximum velocity of flood

5 洪水計(jì)算成果合理性分析

5.1 水量平衡分析

以1 000 a一遇洪水各單一潰口方案的計(jì)算結(jié)果為例對(duì)水量平衡進(jìn)行分析(見表3)。在整個(gè)洪水過程中，枝城站入流量為1 528億m3，沙市站出流量在1 237億～1 255億m3之間，松滋口分流量在165億～184億m3之間，荊江分洪區(qū)分洪量在42億～74億m3之間。水量誤差最大的為新華垴潰口，誤差值為0.06億m3，但相對(duì)誤差依然<0.01%。因此，認(rèn)為本次計(jì)算成果滿足水量平衡要求。

5.2 松滋口分流成果

在整場(chǎng)洪水過程中，松滋口分流變化趨勢(shì)與枝城入流過程一致。當(dāng)松滋江堤發(fā)生潰決后，分泄一部分流量入保護(hù)區(qū)，使得松滋口分流有所減小。涴市橫堤潰口、新華垴潰口、靈鐘寺潰口潰決后，松滋河最大分流量分別減小790，2 684，2 691 m3/s。

不同潰口方案比較來看(圖7)，由于涴市橫堤潰口距離松滋口較遠(yuǎn)，該潰口潰決對(duì)其分流影響最??；新華垴潰口與靈鐘寺潰口位于松滋河上，對(duì)其分流過程影響較大。在各潰口進(jìn)洪過程中，松滋口分流減小幅度隨著干流水位的上升而增加，即干流水位越高，潰口進(jìn)洪流量越大，松滋口分流減小越多；當(dāng)潰口開始吐洪入江時(shí)，松滋河分流略有增加，其中涴市潰口吐洪入江通過抬升干流水位增加松滋口分流，而新華垴潰口倒灌的流量直接進(jìn)入松滋河，因此對(duì)松滋口分流增加的影響在新華垴潰口表現(xiàn)得最為突出。

圖7 設(shè)計(jì)洪水下各潰口方案松滋口分流過程Fig.7 Discharge diversion in Songzi flow-separating mouth under designed flood

5.3 潰口進(jìn)(吐)洪過程

1 000 a一遇洪水條件下，涴市橫堤潰口、新華垴潰口、靈鐘寺潰口最大分流量分別為7 912，6 081，1 984 m3/s。當(dāng)保護(hù)區(qū)內(nèi)水位超過外江水位后，保護(hù)區(qū)內(nèi)積水開始倒灌入江。涴市橫堤、新華垴最大倒灌流量分別為1 344和407 m3/s。各單一潰口進(jìn)洪過程如圖8(a)—圖8(c)所示，進(jìn)洪流量為正表示分泄干流水量入保護(hù)區(qū)，為負(fù)表示保護(hù)區(qū)內(nèi)蓄水倒灌入江。在洪水過程中，外江水位不斷抬升，直至超過堤防設(shè)計(jì)水位，堤防發(fā)生潰決。在潰決發(fā)生后2 h內(nèi)，隨著潰口發(fā)展，潰口流量急劇增加，潰口附近保護(hù)區(qū)內(nèi)水位抬升明顯，同時(shí)外江水位陡降。此后，潰口進(jìn)洪量總體與外江水位變化趨勢(shì)一致。隨著潰口分泄干流洪水不斷進(jìn)入保護(hù)區(qū)，區(qū)內(nèi)水位逐漸抬升，當(dāng)保護(hù)區(qū)水位與外江水位齊平后，潰口分泄流量逐漸減小直至變?yōu)?，外江水位繼續(xù)降低，當(dāng)?shù)陀诒Ｗo(hù)區(qū)內(nèi)水位后，保護(hù)區(qū)積蓄的水量便開始通過潰口倒灌入江,潰口流量<0(如涴市橫堤潰口與新華垴潰口即為此情況)；或者外江水位降低至與潰口底部高程齊平后，潰口進(jìn)洪量也將逐漸減小，但由于潰口底部高程高于保護(hù)區(qū)內(nèi)水位，無流量倒灌(如靈鐘寺潰口)。

以涴市潰口為例，分析潰口上下游斷面及潰口流量過程：在堤防未潰決前，潰口上下游斷面流量一致，當(dāng)潰決發(fā)生后下游斷面流量出現(xiàn)一個(gè)短暫的急劇降落。約2 h后，當(dāng)潰口充分發(fā)展，潰口流量較為平穩(wěn)后，下游斷面流量又呈現(xiàn)與上游斷面一致的變化趨勢(shì)。當(dāng)上游來流量減小時(shí)，潰口分流量減小，反之亦然；當(dāng)水流開始通過潰口倒灌入江時(shí)(潰口流量<0)，下游斷面流量則大于上游斷面，如圖8(d)所示。

圖8 設(shè)計(jì)洪水條件下潰口進(jìn)洪過程Fig.8 Discharge diversion in dyke breach under designed flood

6 結(jié) 語

本文在適當(dāng)概化復(fù)雜的荊江洞庭湖關(guān)系基礎(chǔ)上，建立了通過潰口耦合的上荊江河段—松滋江堤防洪保護(hù)區(qū)一二維耦合的數(shù)學(xué)模型，并采用實(shí)測(cè)資料、糙率敏感性分析手段分別對(duì)一二維模型進(jìn)行了率定及驗(yàn)證，同時(shí)從多方面對(duì)洪水計(jì)算成果進(jìn)行了合理性分析。結(jié)論表明模型的計(jì)算成果滿足水量平衡要求，潰口計(jì)算及松滋口分流成果不僅符合水動(dòng)力學(xué)的基本規(guī)律，也與洪水特征、潰口特性相吻合?？傮w來說計(jì)算成果可信度較高，基本合理可靠，該模型可用于保護(hù)區(qū)洪水演進(jìn)過程模擬計(jì)算。