北江流域城市防護區(qū)超標準洪水演進模擬

摘要：

在氣候變化和人類活動共同影響下，極端水文事件發(fā)生概率增大，城市面臨超標準洪水風險日益增加。為分析超標準洪水對北江流域城市防護區(qū)影響，以廣東省英德市英城防護區(qū)為例，建立一、二維耦合數(shù)學(xué)模型，分析漫溢和潰堤情況下超標準洪水演進特征及其對防護區(qū)重要地物的影響。結(jié)果表明：超標準洪水條件下英城防護區(qū)主要洪水風險為堤防決口；洪水重現(xiàn)期由50 a增至200 a，漫溢條件下淹沒面積由2.46 km2增至5.52 km2；潰堤后，淹沒面積由7.18 km2增至14.24 km2，淹沒水深最大值超過3.5 m，洪水由潰口向英城防護區(qū)演進，總體上最大流速為0.05～3.00 m/s，但潰口附近最大流速超過6 m/s。

關(guān)鍵詞：洪水演進； 堤防潰決； 一、二維耦和數(shù)學(xué)模型； 超標準洪水； 北江流域

中圖法分類號：TV122""文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.08.001

文章編號：1006-0081（2024）08-0010-07

0 引 言

防洪保護區(qū)是指洪（潮）水泛濫可能淹沒且需要防洪工程設(shè)施保護的區(qū)域［1］，防護對象為城市的稱為城市防護區(qū)。超標準洪水是指超過防洪工程體系設(shè)計防洪標準的洪水［2］。在全球氣候變化和城市化進程持續(xù)加快的共同影響下，極端水文事件發(fā)生概率增加，城市防護區(qū)面臨的超標準洪水風險日益嚴峻［3］。超標準洪水條件下城市洪水風險分析是城市洪澇災(zāi)害研究的熱點。Roland等［4］基于MIKE FLOOD模型在不同氣候變化情景下分析評估墨爾本市某區(qū)域洪澇風險。李娜等［5］利用情景分析等方法分析1 000 a一遇超標準洪水下長江中下游干流防洪區(qū)受影響人口、經(jīng)濟損失等指標。王瑋琦等［6］基于FASFLOOD復(fù)演海河“23·7”流域性特大洪水過程中共渠西蓄滯洪區(qū)洪水演進。吳家陽等［7］基于一維-二維耦合模型分析平原河網(wǎng)地區(qū)水庫潰壩洪水演進。王旭瀅等［8］分析浦陽江流域100 a一遇洪水和歷史洪水條件下淹沒區(qū)，提出水庫調(diào)度、蓄滯洪區(qū)啟用建議。賴小霞等［9］基于參與式地理信息系統(tǒng)和水文-淹沒模型分析5～500 a一遇洪水條件下流域洪水損失。目前關(guān)于北江流域防洪的研究多集中在河床演變分析［10-11］、暴雨洪水特性分析［12-13］、洪水預(yù)報［14-15］、流域防洪體系建設(shè)［16-20］等，但超標準洪水條件下城市防護區(qū)洪水演進分析的研究成果較少。2022年6月北江流域發(fā)生“22·6”北江特大洪水，重現(xiàn)期超100 a一遇，韶關(guān)、英德等市是受災(zāi)較嚴重的市縣，開展北江流域城市防護區(qū)超標準洪水演進研究十分必要。

為分析北江流域發(fā)生超標準洪水時洪水演進特征及其對中下游城市防護區(qū)影響，本文以廣東省英德市英城防護區(qū)為例，基于一、二維耦合水流數(shù)學(xué)模型，分析漫溢和潰堤情況下洪水淹沒范圍、最大淹沒水深、洪水最大流速等洪水要素及重要地物受淹情況，可為北江流域超標準洪水災(zāi)害防御工作提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

英德市位于廣東省中北部、北江中游。北江發(fā)源于江西省信豐縣小茅山，全長573 km，流域面積46 710 km2，是英德市最大的過境河流，境內(nèi)河長98.89 km，流域面積33 200 km2。廣東省英德市英城防護區(qū)以北江為界分為英城西防護區(qū)、英城東防護區(qū)，區(qū)域概況見圖1。

1.2 一、二維耦合數(shù)學(xué)模型

1.2.1 基本方程

一維非恒定流的基本方程為圣維南方程組：

Qx+BTzt=q（1）

Qt+2uQx+（gA-Bu2）zx-u2Ax+gn2uQR3/4=0（2）

式中：x，t分別為空間坐標和時間坐標；

Q為斷面流量；

z為水位；

BT為河道總寬度，包括主河道泄流斷面寬度和僅起調(diào)蓄作用的附加寬度；

q為單位河長的旁側(cè)入流量；

u為斷面平均流速；

A為斷面過水面積；

B為主河道泄流斷面寬；

R為水力半徑；

g為重力加速度；

n為糙率。

增加河網(wǎng)節(jié)點處的流量連接條件和動力連接條件即構(gòu)成一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，采用四點線性偏心隱式差分格式進行方程離散，運用河網(wǎng)三級聯(lián)解方法求解［21］。

平面二維水流基本方程包括水流連續(xù)方程和水

流運動方程：

zt+uhx+vhy=0（3）

uht+u2hx+uvhy=-gh（h+zb）x-gn2uu2+v2h1/3+γt2uhx2+2uhy2（4）

vht+uvhx+v2hy=-gh（h+zb）y-gn2vu2+v2h1/3+γt2vhx2+2vhy2（5）

式中：t為時間；

h為水深；

u，v分別為x，y方向上的速度；

zb為河床高程；

γt為紊動黏性系數(shù)。

為了保持計算的穩(wěn)定，采用有限體積法進行控制方程離散，利用交替隱格式法進行計算［22-23］。

1.2.2 一、二維模型耦合

一維模型和二維模型之間以潰口作為連接點。連接點各時刻的水位、流量是作為計算過程中的內(nèi)邊界條件耦合算出，保證河道一維模型和淹沒區(qū)二維模型交界面上水位、流量、能量、阻力的平順銜接。潰口流量過程按平底寬頂堰自由或淹沒出流計算，

淹沒區(qū)內(nèi)按干河床進行洪水演進計算。

糙率系數(shù)n在整個計算域內(nèi)不是常數(shù)，與河床底質(zhì)、水流強度等因素有關(guān)［23-24］，按下式進行計算：

n=A0g-0.5E*E-0.5h0.167（6）

E=u2+v2（7）

式中：A0為調(diào)試系數(shù)；

E為合流速，m/s；

E*為床面不沖摩阻流速，m/s。

1.2.3 模型設(shè)置及數(shù)據(jù)來源

河道一維水動力模型上游流量邊界位于犁市（二）水文站、湞江灣頭水利樞紐，下游水位邊界位于飛來峽水利樞紐上游。河道建模長度183.512 km，共布置479個斷面，平均斷面間距0.383 km，斷面布置見圖2。大富水、楓灣河、南水河、滃江、連江等5條支流的流量過程采用點源方式概化。

二維模型區(qū)域面積78.87 km2，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對研究區(qū)域進行離散分割。為了兼顧模型計算精度和效率，共劃分網(wǎng)格單元40 548個，網(wǎng)格最大面積不超過5 779 m2，平均面積1 945 m2，其中對于英城重要地區(qū)的計算網(wǎng)格適當加密，網(wǎng)格最大面積不超過1 600 m2。網(wǎng)格剖分成果見圖2。

河道地形采用2020年實測地形圖；淹沒區(qū)地形采用數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，模型高程散點間距為5 m。洪水場次選取北江流域2022年6月19～23日洪水過程，數(shù)據(jù)來源于廣東省水文局。

1.2.4 模型率定

選取“22·6”北江特大洪水資料率定一維模型糙率，得到河道糙率為0.028～0.036。圖3為新韶站水位和流量、英德（五）站水位模擬值與實測值對比，新韶站、英德（五）站洪峰水位誤差小于0.15 m，新韶站洪峰流量誤差小于5%，模擬洪水過程與實測情況基本一致，誤差符合 SL 483-201《洪水風險圖編制導(dǎo)則》要求［25］。

1.3 數(shù)值試驗方案

英德市英城防護區(qū)防洪工程體系設(shè)計防洪標準為50 a一遇，因此數(shù)值試驗方案研究北江發(fā)生超標準洪水，即洪水重現(xiàn)期為50，100，200 a時，漫溢和潰堤情況下英德市英城防護區(qū)洪水淹沒范圍、最大淹沒水深、洪水最大流速等洪水要素。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，確定模型潰口設(shè)置在江灣排澇站堤段、第三大橋北堤段，潰口位置見圖2。潰口形狀按邊坡系數(shù)為1的梯形考慮。以不設(shè)潰口條件下，英德（五）站水位出峰時刻作為決口發(fā)生時刻。潰口寬度、任意時刻潰口寬度、潰口發(fā)展過程歷時計算公式［26-27］分別為

Bb=1.9（lgB）4.8+20（8）

B*b=Bb/2t=0Bb/2×（1+t/T）0lt;t≤TBbtgt;T（9）

T=1.527（Bb-10）（10）

式中：B為河寬，m；

Bb為最終潰口寬度，m；

B*b為任意時刻的潰口寬度，m；

t為潰堤后某時刻，s；

T為決口發(fā)展至預(yù)定寬度歷時，s。

江灣排澇站堤段潰口、第三大橋北堤段潰口所在北江河段河寬分別約656 m，710 m，由式（8）～（10）計算得到江灣排澇站堤段、第三大橋北堤段兩處潰口寬度、潰口發(fā)展至預(yù)定寬度歷時（表1）。

采用北江1994年6月洪水過程作為典型洪水過程線，根據(jù)設(shè)計洪峰流量和3 d設(shè)計洪量，采用同頻率放大法推求犁市（二）水文站、大富水、楓灣河、南水河、滃江、連江和灣頭水利樞紐、飛來峽水利樞紐設(shè)計洪水過程線，模擬時長為240 h，設(shè)計洪水過程見圖4。

2 結(jié)果分析

2.1 洪水演進特征分析

2.1.1 淹沒范圍

表2為英德市英城防護區(qū)各數(shù)值試驗方案淹沒面積統(tǒng)計。以洪水重現(xiàn)期200 a為例，圖5為英德市英城防護區(qū)淹沒范圍及最大淹沒水深分布示意圖。由圖5和表2可知，漫溢工況下，洪水重現(xiàn)期為200 a時，洪水淹沒面積為2.46 km2，主要受淹區(qū)為無堤防防護的望埠鎮(zhèn)，淹沒區(qū)地面高程約29～31 m，洪水易漫溢，因此無堤防防護的望埠鎮(zhèn)主要洪水風險來源為洪水漫溢。

由圖5和表2可知，以漫溢工況洪水淹沒面積為基準，潰堤工況下洪水淹沒面積可劃分為洪水漫溢導(dǎo)致淹沒和潰堤導(dǎo)致淹沒兩部分。市區(qū)西岸北堤江灣排澇站堤段決口工況和市區(qū)東岸大站防洪堤第三大橋北堤段決口工況下，堤防決口導(dǎo)致淹沒的面積大于洪水漫溢導(dǎo)致淹沒的面積，表明英城防護區(qū)主要洪水風險為堤防決口。市區(qū)西岸南堤人民橋南段在洪水重現(xiàn)期超過100 a時發(fā)生漫溢，導(dǎo)致英城西防護區(qū)受淹，為堤防薄弱環(huán)節(jié)。北江發(fā)生200 a一遇超標準洪水時，江灣排澇站堤段決口工況下，洪水淹沒面積14.24 km2，其中堤防決口導(dǎo)致淹沒的面積9.62 km2，大于洪水漫溢導(dǎo)致淹沒的面積4.62 km2。

2.1.2 最大淹沒水深

由圖5可知，漫溢工況下，研究區(qū)域內(nèi)最大淹沒水深大于2 m的淹沒區(qū)面積占總淹沒面積的 64%～91%。以洪水重現(xiàn)期為200 a為例，英城西防護區(qū)最大淹沒水深平均值超過5 m；無堤防防護的望埠鎮(zhèn)淹沒水深最大值超過8 m，淹沒水深平均值為6.5 m。

由圖5可知，潰堤工況下，研究區(qū)域內(nèi)淹沒水深以大于2 m為主，其面積占比為70%～93%。以北江發(fā)生200 a一遇超標準洪水條件下

江灣排澇站堤段決口工況為例，英城西防護區(qū)淹

沒范圍內(nèi)淹沒水深最大值超過3.5 m；望埠鎮(zhèn)淹沒范圍內(nèi)淹沒水深最大值超過8 m，平均淹沒水深大于3.5 m。

2.1.3 洪水最大流速

以洪水重現(xiàn)期為200 a為例，圖6為英德市英城防護區(qū)各數(shù)值試驗方案洪水最大流速分布示意圖。由圖6可知，漫溢工況下，洪水重現(xiàn)期為200 a時，淹沒區(qū)洪水最大流速整體為0.05～2.00 m/s，其中英城西防護區(qū)洪水最大流速為0.05～1.00 m/s。

由圖6可知，潰堤工況下，北江洪水通過潰口迅速向英城西、英城東防護區(qū)演進傳播，總體流速為0.05～3.00 m/s，但潰口附近流速較大，距潰口越遠則流速越小。以北江發(fā)生200 a一遇超標準洪水條件下江灣排澇站堤段決口工況為例，整體上流速為005～3.00 m/s，潰口附近流速為6.74 m/s，市區(qū)西岸南堤人民橋南段是堤防薄弱環(huán)節(jié)，在洪水重現(xiàn)期超過100 a一遇時存在漫溢風險，導(dǎo)致英城西防護區(qū)受淹，淹沒范圍內(nèi)流速為0.05～1.00 m/s。

2.2 洪水影響分析

不同地物受影響程度統(tǒng)計見表3。在各數(shù)值模擬試驗方案中，市區(qū)西岸北堤江灣排澇站堤段潰決引起的淹沒居民地面積、淹沒耕地面積、受影響公路長度、受影響鐵路長度最大，市區(qū)東岸大站防洪堤第三大橋北堤段潰決造成的影響次之。

3 結(jié) 論

本文針對北江流域英德市英城防護區(qū)開展超標準洪水條件下洪水演進模擬，采用水動力模型模擬漫溢和潰堤情況下超標準洪水演進特征及其對防護區(qū)內(nèi)重要地物影響，得到以下結(jié)論。

（1） 北江發(fā)生超標準洪水時，英城防護區(qū)主要洪水風險為堤防決口，其中無堤防防護區(qū)為地勢低平區(qū)，主要洪水風險為洪水漫溢。市區(qū)西岸南堤人民橋南段為堤防薄弱環(huán)節(jié)，在洪水重現(xiàn)期超過100 a時存在漫溢風險，導(dǎo)致英城西防護區(qū)受淹。

（2） 漫溢工況下，英城防護區(qū)淹沒區(qū)內(nèi)最大淹沒水深大于2 m的面積占總淹沒面積的64%～91%，淹沒區(qū)洪水最大流速整體為0.05～2.00 m/s。潰堤工況下，英城防護區(qū)淹沒區(qū)最大淹沒水深以大于2 m為主，其面積占比為70%～93%，潰堤后北江洪水通過潰口迅速向英城西、英城東防護區(qū)演進傳播，總體上洪水最大流速為0.05～3.00 m/s，但潰口附近流速超過6 m/s。

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編輯：江 文

Simulation of extraordinary flood routing in urban protection zones of Beijiang River Basin

WANG Ruipu1，2，3，LIAN Weihang1，2，3，CAI Sufang1，2，3，HE Shuqin1，2，3，HUANG Dong1，2，3

（1.Guangdong Research Institute of Water Resources and Water Resources Hydropower，Guangzhou 510635，China；

2.Guangdong Key Laboratory of Hydrodynamic Research，Guangdong 510635，China；

3.State and Local Joint Engineering Laboratory of Estuarine Hydraulic Technology，Guangzhou 510635，China）

Abstract： Under the combined influence of climate change and human activities，the probability of extreme hydrological events and the risk of over-standard flooding are increasing. In order to analyze the impact of the extraordinary flood on the protection area of Beijiang River Basin，taking Yingcheng protection area of Yingde City as an example，1D-2D coupled hydrodynamic model was established to analyze the extraordinary flood evolution characteristics and its impact on the important features of the protection area under the condition of overflow and embankment break. The results showed that the main flood risk in Yingcheng protection area was embankment break. When the flood recurrence period increased from 50 years to 200 years，the inundated area would increase from 2.46 km2 to 5.52 km2 under the overflow condition. When the embankment broke，the inundation area would increase from 7.18 km2 to 14.24 km2，the maximum inundation depth exceed 3.5 m，and the flood rapidly evolved from the breach to the Yingcheng protection area，with the overall maximum flow velocity ranging from 0.05 m/s to 3 m/s，but the flow velocity near the breach exceeded 6 m/s. The research results can provide a reference for flood control and disaster reduction in Beijiang River Basin.

Key words：flood evolution； embankment break； 1D-2D coupled model； over-standard flood； Beijiang River Basin

基金項目：廣東省水利科技創(chuàng)新項目（2023-06）；廣州市科技計劃項目基礎(chǔ)與應(yīng)用研究項目（202201011165）

作者簡介：王睿璞，男，碩士，主要研究方向為水力學(xué)及河流動力學(xué)。E-mail：ruipuwang@whu.edu.cn

通信作者：黃 東，男，正高級工程師，博士，主要研究方向為水力學(xué)及河流動力學(xué)。E-mail：812410688@qq.com

引用格式：王睿璞，練偉航，蔡素芳，等.北江流域城市防護區(qū)超標準洪水演進模擬［J］.水利水電快報，2024，45（8）：10-16.