佛山市高明區(qū)洪水風(fēng)險水動力模型構(gòu)建及預(yù)警

康志偉

（佛山市高明區(qū)?？诒谜荆瑥V東 佛山 528000）

1 高明區(qū)概況[1-2]

1.1 自然地理與水文氣象

佛山市高明區(qū)地處廣東省中部，珠江三角洲西翼，區(qū)內(nèi)形成一個西、南、北三面環(huán)山、西南向東北傾斜的狹長地形，區(qū)內(nèi)多為海拔150m以下的低矮山崗和丘陵。 高明區(qū)雨量充沛，影響全區(qū)的災(zāi)害性天氣主要有熱帶氣旋（臺風(fēng)）、暴雨等。 高明區(qū)接近南海，經(jīng)常受臺風(fēng)侵襲。 臺風(fēng)發(fā)生時，往往帶來暴風(fēng)雨和風(fēng)暴潮。

據(jù)實測資料統(tǒng)計， 高明區(qū)多年平均降雨量1656mm，最大降雨量為2001年的2527.8mm，降雨量年內(nèi)分配不均勻，汛期多年平均降雨量占全年降雨量的80.4%～82.6%。 暴雨具有次數(shù)多、強(qiáng)度大、歷時長的特點，由于區(qū)域地形坡度較陡，匯流速度快，洪水暴漲暴落。 如遇上西江、北江發(fā)生洪水，外江洪潮水位較高的情況下，則洪水降落緩慢，不但本區(qū)暴雨產(chǎn)生的澇水難以排出， 還有外江洪水倒灌的壓力，從而造成洪澇災(zāi)害。 由于本區(qū)由山丘和平原構(gòu)成，降雨空間分布不是很均勻，也易造成洪水及泥石流災(zāi)害。

1.2 河流水系

高明區(qū)周邊水系主要有西江干流， 高明區(qū)內(nèi)河流眾多，主要河道15條。其中屬西江一級支流的有高明河， 流域面積100km2以上的二級支流有楊梅河和更樓河。河流眾多，水量豐富，當(dāng)區(qū)域內(nèi)發(fā)生暴雨，同時西江干流洪水水位高漲， 此時高明河及其支流受西江水位頂托而高漲，而高明河蓄洪能力較差，洪水易漲難退，容易導(dǎo)致洪澇災(zāi)害。

西江是珠江的干流之一，全流程20.37km。 多年平均徑流量2240億m3，水位為2.10m。 西江洪水的特點是峰高量大、歷時長、漲落較緩慢，洪水過程呈多峰或肥胖單峰型。 高明河流域的河段多為山地丘陵區(qū)，坡度較大，流量過程具有山區(qū)性河流暴漲暴落特點。 所以研究分析高明區(qū)的洪水模型對于預(yù)防洪災(zāi)具有非常重要意義。

2 高明區(qū)洪水風(fēng)險分析

2.1 洪水風(fēng)險分析方法及方案

高明區(qū)核心城區(qū)具備水動力學(xué)進(jìn)行洪水風(fēng)險分析的條件，洪水風(fēng)險分析方法選用水動力學(xué)法［3］。 超標(biāo)準(zhǔn)洪水使用HEC-RAS模型計算，該水動力學(xué)模型有著強(qiáng)大的功能和良好的精度。

在西江干流發(fā)生50，100，200年一遇洪水情況下，計算單一口門潰決條件下的洪水淹沒情況，十三圍西江干流大堤設(shè)置2個潰口位置， 對應(yīng)有6個計算方案。

2.2 模型構(gòu)建與驗證

根據(jù)珠江河網(wǎng)地形與水系資料等建立珠江三角洲一維河網(wǎng)模型，對高明區(qū)核心城區(qū)（十三圍保護(hù)區(qū)）建立二維水動力學(xué)模型，在潰堤處建立一二維耦合模型結(jié)合潰堤計算進(jìn)行洪水淹沒演進(jìn)分析計算。 模型邊界的準(zhǔn)確控制是提高洪水風(fēng)險分析精度的必要條件，為確定合理的邊界條件，必須充分考慮河道的連續(xù)性與整體性［4］。 模型主要邊界條件處理如下：

（1）珠江河網(wǎng)一維模型邊界條件取博羅、麒麟咀、老鴉崗、石角、高要、四會、石咀流量邊界和下游八大口門潮位邊界。

（2）十三圍保護(hù)區(qū)二維水動力學(xué)模型邊界條件主要是保護(hù)區(qū)設(shè)計暴雨過程、 高明河與楊梅河的各頻率設(shè)計洪水過程。

2.2.1 珠江一維河網(wǎng)水動力學(xué)模型

基于圣維南方程， 一維河道非恒定流的水動力學(xué)連續(xù)方程為：

然后通過水量平衡關(guān)系， 在河道交匯處連接各河段：

式中 Q為流量；A為斷面過水面積；n為糙率；i為底坡；R為水力半徑。

一維模型構(gòu)建：針對以西、北江為主的珠江三角洲的防洪保護(hù)區(qū)片區(qū)，河網(wǎng)水動力特性復(fù)雜，河網(wǎng)關(guān)聯(lián)性大，由西江、北江、東江等水系、珠江干流與其他支流組成，它們之間相互聯(lián)系、互相影響。 所以計算外江河道洪水和潰堤洪水應(yīng)考慮在一致的河網(wǎng)模型下進(jìn)行，針對本項目涉及到的西江干流河段，使用珠江三角洲河網(wǎng)地形資料， 建立珠江三角洲一維河網(wǎng)模型進(jìn)行外江洪水演講計算，共有2075個計算斷面、1734 個 計 算 河 段、213 個 計 算 汊 點， 河 段 總 長 約1966.6km。

2.2.2 高明區(qū)核心城區(qū)（十三圍保護(hù)區(qū)）二維水動力學(xué)模型

2.2.2.1 模型基本原理

隨著數(shù)值計算方法和計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，二維水動力學(xué)模型已經(jīng)成為水利工程界分析河道洪水、潰堤洪水和潰壩洪水時的常用技術(shù)手段［5-6］。 對于十三圍保護(hù)區(qū)內(nèi)的洪水演進(jìn)模擬， 采用二維數(shù)學(xué)模型能夠提供更加詳細(xì)的水情信息。 二維水動力學(xué)模型的控制方程［7-8］如下所示：

連續(xù)方程：

2.2.2.2 二維模型構(gòu)建

十三圍保護(hù)區(qū)二維水動力學(xué)模型的建模工作如下：

（1）確定范圍。根據(jù)保護(hù)區(qū)地形地理特征和洪水特征等確定計算的地理邊界。

（2）剖分網(wǎng)格。 采用網(wǎng)格剖分工具進(jìn)行網(wǎng)格剖分。 根據(jù)面積大小，確定最大三角形面積、 最小網(wǎng)格面積和最小角度，并形成網(wǎng)格數(shù)據(jù)，確定并設(shè)置各個單元網(wǎng)格的屬性（包括 編號、編號、類型、高程、糙率、面積修正率等）。

（3）分析確定計算邊界條件。保護(hù)區(qū)的計算邊界條件包括高明河流量邊界條件、 楊梅水流量邊界條件、保護(hù)區(qū)內(nèi)降雨邊界條件。

（4）參數(shù)率定與驗證。選擇不少于兩場有實測數(shù)據(jù)的河道洪水率定模型中河道洪水計算所需的有關(guān)參數(shù)，特別是河道糙率。

2.2.3 耦合模型

將河網(wǎng)一維與二維洪水非恒定流數(shù)學(xué)模型耦合計算，針對不同的研究區(qū)域，運用一、二維洪水演進(jìn)模型，發(fā)揮模型的各自優(yōu)勢。模型耦合的實現(xiàn)靠洪水演進(jìn)一維、 二維數(shù)學(xué)模型通過水流過渡面上的連接條件。水流過渡面是指堤防潰決后潰口的所在位置。模型耦合的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確描述潰口處內(nèi)外水流信息的交互， 從而用于解決河道潰堤及潰堤水流演進(jìn)問題。 河道潰口處的上下游水流信息交互示意如圖1。

圖1 一二維耦合模型潰口上下游水流交互信息示意圖

二維計算單元在潰口處通過網(wǎng)格點連接至一維計算單元， 因為一維模型計算結(jié)果中的水力學(xué)參數(shù)為斷面平均值， 通過計算得到的二維模型是各個網(wǎng)格的平均值， 因此需要在潰口連接處轉(zhuǎn)化和銜接一維模型與二維模型的交互數(shù)據(jù)。 二維模型的邊界條件是一維模型中的流量值Q，將該流量值分布至二維模型計算單元的流量邊界上。 由于在連接處二維網(wǎng)格的水位值不等， 取各個計算網(wǎng)格水位的平均值代入一維模型，以計算下一時段，從而實現(xiàn)耦合計算一維、 二維模型。

2.3 洪水計算成果

2.3.1 西江50年一遇洪水

本方案模擬時段長度240h。 西江50年一遇設(shè)計洪水，北江相應(yīng)洪水，遭遇口門多年平均高潮位。 潰口位置為江根段，寬度為450m，底高程5.5m，潰堤水位8.10m， 潰決方式采用瞬時全潰， 潰口最大流量2635m3/s，潰決累積水量2.95億m3。 潰口流量過程計算結(jié)果如圖2。

圖2 潰口流量及潰口處內(nèi)外水位圖

由圖2可知，t=91h河道水位達(dá)到潰決水位；在潰決發(fā)生初期，潰口流量迅速升高至最大值2635m3/s；之后隨著保護(hù)區(qū)淹沒水位升高， 潰口流量迅速降低。 在潰決發(fā)生后28h內(nèi)（t=91～119h），潰口流量在2600～1500m3/s之間波動。隨著洪峰過境外江水位下降、保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒水位升高，潰口流量降低，t=168h保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒水位等于外江水位；之后外江水位低于保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒水位，洪水通過潰口由保護(hù)區(qū)內(nèi)流向河道。

2.3.2 西江100年一遇洪水

本方案模擬時段長度為240h。西江100年一遇設(shè)計洪水，北江相應(yīng)洪水，遭遇口門多年平均高潮位。潰口位置為江35根段，寬度450m，底高程5.5m，潰堤水位8.40m，潰決方式采用瞬時全潰，潰口最大流量3137m3/s，潰決累積水量為3.30億m3。 潰口流量過程計算結(jié)果如圖3。

圖3 潰口流量及潰口處內(nèi)外水位圖

由圖3可知，t=88h河道水位達(dá)到潰決水位；在潰決發(fā)生初期， 潰口流量迅速升高至最大值3137m3/s；之后隨著保護(hù)區(qū)淹沒水位升高，潰口流量迅速降低。在潰決發(fā)生后28h內(nèi)（t=88～128h），潰口流量在3100～1500m3/s之間。 隨著洪峰過境外江水位降低、保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒水位升高，潰口流量降低，t=162h保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒水位等于外江水位； 之后洪水通過潰口由保護(hù)區(qū)內(nèi)流向河道。

2.3.3 西江200年一遇洪水

本方案為十三圍保護(hù)區(qū)江根段潰口， 模擬時段長度為240h。 西江200年一遇設(shè)計洪水，北江相應(yīng)洪水，遭遇口門多年平均高潮位。 潰口位置為江根段，寬度450m，底高程5.5m，潰堤水位8.80m，潰決方式采用瞬時全潰，潰口最大流量3850m3/s，潰決累積水量3.70億m3。 潰口流量過程計算結(jié)果如圖4。

圖4 潰口流量及潰口處內(nèi)外水位圖

由圖4可知，t=87h河道水位達(dá)到潰決水位；在潰決發(fā)生初期， 潰口流量迅速升高至最大值3800m3/s；之后隨著保護(hù)區(qū)淹沒水位升高，潰口流量迅速降低。在潰決發(fā)生后28h內(nèi)（t=87～115h），潰口流量在3100～2000m3/s之間。 隨著洪峰過境外江水位下降、保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒水位升高，潰口流量逐漸降低，t=159h保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒水位等于外江水位； 之后洪水通過潰口由保護(hù)區(qū)內(nèi)流向河道。

3 預(yù)防與預(yù)警

3.1 災(zāi)害監(jiān)測

高明區(qū)洪澇災(zāi)害監(jiān)測要素包含暴雨監(jiān)測、 洪水監(jiān)測、堤防工程信息監(jiān)測、水利設(shè)施損毀信息。 監(jiān)測時段應(yīng)覆蓋災(zāi)害發(fā)展的整個過程。

（1）暴雨。 水文部門在實測降雨量1h超過30mm，3h超過50mm，6h超過100mm時， 及時報告區(qū)三防指揮機(jī)構(gòu)和相關(guān)單位。

（2）洪水。 水文部門負(fù)責(zé)確定洪水預(yù)警區(qū)域、級別和洪水信息發(fā)布范圍， 并按程序向社會發(fā)布洪水預(yù)警。當(dāng)江河發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時，每1h上報1次水情，每3h發(fā)布1次洪水預(yù)報。

（3）堤防工程信息。 區(qū)住建水利局應(yīng)在每天20：00前向區(qū)三防指揮機(jī)構(gòu)報告工程出險情況； 出現(xiàn)重大險情的， 應(yīng)在險情發(fā)生后0.5h內(nèi)報告區(qū)三防指揮機(jī)構(gòu)。

（4）水利設(shè)施損毀信息。 水利設(shè)施損毀發(fā)生后，有關(guān)部門應(yīng)及時向水行政主管部門報告損毀情況，區(qū)級水行政主管部門應(yīng)收集動態(tài)災(zāi)情，全面掌握受災(zāi)情況，并及時向上一級水行政主管部門報告。 重大災(zāi)情在災(zāi)害發(fā)生后1h內(nèi)將初步情況報區(qū)三防指揮機(jī)構(gòu)。

3.2 超標(biāo)洪水預(yù)警

西江流域佛山市主要控制站的水位（流量）將接近或達(dá)到50年一遇或達(dá)到或超過歷史最高水位 （流量），水文部門發(fā)布洪水紅色預(yù)警，當(dāng)水位（流量）持續(xù)上升（增大），超過洪水紅色預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，水文部門及時上報區(qū)三防指揮部， 由區(qū)三防指揮部發(fā)布超標(biāo)洪水預(yù)警，洪水紅色預(yù)警持續(xù)生效。

預(yù)防預(yù)警準(zhǔn)備工作包括思想準(zhǔn)備、組織準(zhǔn)備、工程準(zhǔn)備、物料準(zhǔn)備、民生準(zhǔn)備、通信準(zhǔn)備等，區(qū)三防指揮部接到超標(biāo)洪水預(yù)警后， 通過各類渠道如電視網(wǎng)絡(luò)、廣播媒體、微博、微信、手機(jī)短信等信息平臺向社會發(fā)布。同時，將洪水預(yù)警情況及時通知各鎮(zhèn)三防指揮部以區(qū)屬各單位，各單位接到通知后要加強(qiáng)值班，密切注意江河水位情況，做好各項準(zhǔn)備工作，隨時參與防洪搶險。

4 結(jié)語

通過對西江高明段的洪水分析及采用HECRAS模型分析，建立了珠江三角洲一維河網(wǎng)模型，對高明區(qū)核心城區(qū)（十三圍保護(hù)區(qū)）建立二維水動力學(xué)模型， 在潰堤處建立一二維耦合模型結(jié)合潰堤計算進(jìn)行了洪水淹沒演進(jìn)分析計算。 計算了西江50，100，200年一遇洪水發(fā)生時， 堤防出現(xiàn)潰口后的洪水流量及潰口內(nèi)外洪水水位變化過程， 并提出相應(yīng)監(jiān)測、預(yù)警措施。

研究高明非核心區(qū)、 計算河道的河網(wǎng)模型基于珠江三角洲一維河網(wǎng)模型，如需更精確的計算，應(yīng)建立整個高明區(qū)的一維河網(wǎng)模型。