2024年洞庭湖團(tuán)洲垸潰堤過程及洪水演進(jìn)模擬

摘要：蓄滯洪區(qū)是長(zhǎng)江中下游防洪工程體系中的重要一環(huán)，研究蓄滯洪區(qū)潰堤洪水演進(jìn)模擬，對(duì)于防洪減災(zāi)具有重要意義。收集了2024年洞庭湖團(tuán)洲垸潰堤時(shí)實(shí)測(cè)口門寬度及流量數(shù)據(jù)，分析計(jì)算了潰口流量過程，采用平面二維水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算了潰口過程中團(tuán)洲垸內(nèi)的洪水演進(jìn)過程，分析了垸內(nèi)淹沒水深、流速等致災(zāi)要素的時(shí)空變化。結(jié)果表明：① 潰口發(fā)展包括下挫沖槽、橫向展寬和穩(wěn)定泄流3個(gè)階段，基于流量過程推求了進(jìn)入團(tuán)洲垸的總水量為2.53億m³，與基于庫容曲線反算的水量（2.63億m³）基本相當(dāng)；② 驗(yàn)證了潰口附近流量和水位過程與實(shí)測(cè)過程基本相符，團(tuán)洲垸內(nèi)最高水位為31.955 m，與實(shí)測(cè)水位（31.960 m）基本一致；③ 模型計(jì)算的淹沒范圍與基于遙感影像提取的范圍基本一致，在計(jì)算時(shí)段末，92.7%的區(qū)域處于重度淹沒狀態(tài)（淹沒水深超過1.5 m），最大淹沒水深約為8.2 m，垸內(nèi)流速均呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，各時(shí)刻（t=4 h、t=10 h、t=15 h和t=20 h）平均流速分別為0.37，0.43，0.22 m/s和0.05 m/s。研究成果可為潰堤洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、堤防守護(hù)等提供技術(shù)支撐。

關(guān) 鍵 詞：堤壩潰決；洪水演進(jìn)；水動(dòng)力學(xué)模型；團(tuán)洲垸；洞庭湖；蓄滯洪區(qū)

中圖法分類號(hào)： TV147 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.10.002

0 引 言

河道堤防工程在防洪減災(zāi)方面具有重要作用，一旦堤防發(fā)生潰決，將會(huì)造成巨大Rk4Qvsxk3I3pbHd54nt/Cg==的經(jīng)濟(jì)損失^［1-2］。長(zhǎng)江流域面積廣，受極端氣候影響，暴雨頻繁、歷時(shí)長(zhǎng)，導(dǎo)致中下游干流洪水峰高量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，洪災(zāi)頻繁且嚴(yán)重，堤防險(xiǎn)情時(shí)有發(fā)生，如1998年和2020年中下游干堤分別發(fā)生險(xiǎn)情6 135處和234處^［3-4］。因此，開展蓄滯洪區(qū)潰堤洪水演進(jìn)模擬對(duì)于防洪減災(zāi)具有重要意義。

已有研究主要通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法分析堤壩潰決及洪水演進(jìn)過程。模型試驗(yàn)方面，果鵬等^［5］開展了生產(chǎn)堤潰口模型試驗(yàn)，提出生產(chǎn)堤潰決過程包括潰口漫流及沖槽、橫向展寬伴隨土體崩塌以及穩(wěn)定泄流3個(gè)階段。段文剛等^［6］通過非黏性沙質(zhì)堤防潰決試驗(yàn)，得到潰口垂向下切速率、橫向展寬速率與潰口流量、潰口單寬流量之間的定量關(guān)系。黃衛(wèi)等^［7］則開展了均質(zhì)土堤漫溢潰決機(jī)理試驗(yàn)研究，指出潰口發(fā)展包括初期較快發(fā)展期、快速增長(zhǎng)期、后期緩慢增長(zhǎng)期和發(fā)展穩(wěn)定期等4個(gè)階段。數(shù)值模擬方面，大部分研究采用平面二維水動(dòng)力學(xué)模型模擬潰口展寬和洪水演進(jìn)過程，主要的數(shù)值方法有有限差分法、有限體積法及有限元法，其中有限體積法由于良好的守恒特性和計(jì)算穩(wěn)定性，被廣泛用于求解淺水方程^［8-9］。陳珺等^［10］建立了一種能夠模擬堤防潰口展寬和刷深的數(shù)學(xué)模型，并通過概化地形的計(jì)算檢驗(yàn)了模型的可靠性。袁晶等^［1］構(gòu)建了可變網(wǎng)格下的堤防潰口展寬二維數(shù)學(xué)模型，模擬了北江下游的大塘圍蓄滯洪區(qū)口門處的崩塌展寬過程，取得了較好的效果。苑希民等^［11］采用全二維氣相色譜理論進(jìn)行全二維水動(dòng)力模型分析，建立了考慮潰口線性展寬的河道-灌區(qū)全二維動(dòng)態(tài)耦合模型，并將模型應(yīng)用于黃河寧蒙段河道與左右岸灌區(qū)的漫潰堤洪水演進(jìn)模擬，但缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。朱勇輝等^［12］總結(jié)了堤壩漫潰機(jī)理、模型及潰決洪水模擬技術(shù)，并成功應(yīng)用于唐家山、白格等堰塞湖潰決險(xiǎn)情的應(yīng)急處置和決策制定中。胡德超等^［13］采用湖泊與民垸整體二維水動(dòng)力數(shù)值模擬方法復(fù)盤團(tuán)洲垸的潰堤洪水，但沒有對(duì)實(shí)測(cè)潰堤過程進(jìn)行詳細(xì)分析。綜上所述，盡管關(guān)于堤壩潰決的研究很多，但大部分主要針對(duì)漫潰情況，較少分析管涌導(dǎo)致的堤防潰決，且缺少詳細(xì)的原型觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)潰決過程、經(jīng)驗(yàn)公式或數(shù)學(xué)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。

本研究收集2024年7月5日洞庭湖團(tuán)洲垸潰堤過程中的原型觀測(cè)數(shù)據(jù)，復(fù)演潰口口門寬度及流量過程，并采用基于單元中心格式有限體積法的平面二維水動(dòng)力學(xué)模型模擬潰口發(fā)生后團(tuán)洲垸內(nèi)的洪水演進(jìn)過程，分析垸內(nèi)水位、淹沒水深與面積、流速分布等致災(zāi)要素的時(shí)空變化特征。

1 洞庭湖團(tuán)洲垸潰堤過程分析

1.1 潰堤險(xiǎn)情發(fā)展與處置過程

2024年7月5日15∶30，湖南省岳陽市華容縣團(tuán)洲垸團(tuán)北村洞庭湖堤（樁號(hào)19+800）發(fā)生管涌險(xiǎn)情（圖1）；16∶30堤防開始潰決，口門寬度約為20 m，但此時(shí)仍在搶護(hù)；17∶48，緊急封堵失敗后堤壩大幅潰決，此后潰口口門持續(xù)沖刷展寬；7月6日00∶00展寬至170 m，隨后至08∶00口門最大展寬達(dá)到226 m；團(tuán)洲垸內(nèi)水位持續(xù)上漲，直至13∶00，垸內(nèi)外水位基本持平，流速放緩;7月6日15∶00開始對(duì)口門進(jìn)行封堵，至7月8日22∶31，潰口封堵合龍工作順利完成^［14-18］。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況，潰口的發(fā)展及處置主要分為以下5個(gè)階段：① 下挫和沖槽階段，堤防背水面首先發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象，此時(shí)堤防內(nèi)部已形成滲流通道并迅速發(fā)展為管涌，土體掏空后堤防下挫形成潰口，而后洞庭湖內(nèi)不飽和水流迅速?zèng)_刷堤防，形成窄深型的河槽；② 橫向展寬階段，水流持續(xù)沖刷口門兩側(cè)坡腳，底部掏空后，上層懸空土體發(fā)生崩塌，導(dǎo)致口門迅速展寬；③ 穩(wěn)定泄流階段，潰口口門發(fā)展至一定寬度后，水流向垸內(nèi)演進(jìn)，垸內(nèi)水位持續(xù)上漲，直至垸內(nèi)水位與洞庭湖水位基本持平，由于洞庭湖區(qū)水位仍呈下降趨勢(shì)，決口處出現(xiàn)逆流，即水流由團(tuán)洲垸內(nèi)向洞庭湖區(qū)流動(dòng)；④ 封堵合龍階段，堤內(nèi)外水位持平后，具備封堵合龍的條件，實(shí)施潰口封堵合龍；⑤ 抽排水階段，潰口合龍后進(jìn)行抽排，垸內(nèi)水位持續(xù)下降。

圖2給出了堤內(nèi)外水位及口門寬度隨時(shí)間的變化。由于水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作最早于2024年7月5日23∶00開展，故潰口初期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺失。堤外水位呈先波動(dòng)、后上漲、最后消退的過程，而堤內(nèi)水位呈先上漲、后消退的過程。在潰口過程中，堤內(nèi)外水位差逐步減小，水位差大于0.21 m時(shí)口門仍持續(xù)展寬，而小于0.21 m后，口門寬度保持不變。因此，總體而言潰口發(fā)展過程與已有研究中水槽試驗(yàn)或物理模型試驗(yàn)的過程基本一致^［5-7］。不同之處在于，室內(nèi)試驗(yàn)中潰決類型通常為漫潰，故首先破壞的是堤防岸坡表面，而后發(fā)生垂向沖刷，而管涌通常是在堤防內(nèi)部形成滲流通道，而后發(fā)展成管涌，堤防直接下挫，發(fā)展過程更加迅速，處置難度更大。

以往研究較少分析堤壩實(shí)測(cè)的潰口形態(tài)，圖3給出了團(tuán)洲垸潰口的最終形態(tài)以及典型橫斷面及縱剖面的形態(tài)。平面形態(tài)方面，潰口呈喇叭狀，寬度由洞庭湖向團(tuán)洲垸內(nèi)逐步減小，最大和最小寬度分別為251 m和200 m，而漫潰時(shí)通常為反向喇叭，即迎水面寬度小于背水面寬度^{［5，7］}。圖3同時(shí)給出了潰口中部典型斷面的橫斷面形態(tài)，總體為對(duì)稱形，底部中部高兩側(cè)低，而兩岸岸坡的坡比分別為1∶2.59和1∶2.63，表明該段堤防岸坡的穩(wěn)定坡比約為1∶2.6。潰口縱剖面形態(tài)總體上高程由湖區(qū)向垸內(nèi)呈減小趨勢(shì)，沿程存在多個(gè)陡坎，均由不飽和水流沖刷而成。

1.2 潰堤過程分析

由于潰口發(fā)展迅速，監(jiān)測(cè)組到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，潰口口門寬度已達(dá)155 m，流量超過5 000 m³/s，因此缺少前期過程的監(jiān)測(cè)。為模擬潰口過程中團(tuán)洲垸的洪水演進(jìn)過程，有必要復(fù)演觀測(cè)前潰口寬度及流量隨時(shí)間的變化過程。采用多項(xiàng)式擬合法復(fù)演了開展應(yīng)急監(jiān)測(cè)前潰口口門寬度及流量過程的變化，并對(duì)開展監(jiān)測(cè)后的展寬和流量過程進(jìn)行線性插值，最終得到潰口發(fā)生到堤內(nèi)外水位達(dá)到平衡的過程中口門寬度和流量的變化過程，如圖4所示。為驗(yàn)證潰口流量過程的準(zhǔn)確性，基于擬合結(jié)果計(jì)算了從潰口開始形成（7月5日16∶00）到堤內(nèi)外水位基本平衡（7月6日13∶00）的過程中進(jìn)入團(tuán)洲垸的總水量約為2.53億m³，與根據(jù)設(shè)計(jì)庫容曲線計(jì)算的總水量（2.63億m³）基本接近，表明反推的流量過程具有一定的精度。

2 平面二維水動(dòng)力學(xué)模型

2.1 控制方程

本研究采用的平面二維水動(dòng)力學(xué)模型的控制方程由連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程組成。忽略擴(kuò)散項(xiàng)時(shí)，控制方程組的守恒形式可表示為^［9］

?U?t+?E（U）?x+?G（U）?y=S（1）

式中：U為守恒變量向量；E和G分別為x和y方向的對(duì)流通量向量；S為源項(xiàng)向量。其中U，E，G，S的表達(dá)式如下：

式中：h為水深，u和v分別為x和y方向的流速；S和S分別為底坡源項(xiàng)和摩阻項(xiàng)；S和S分別為x和y方向的河床比降，S=?Z/?x，S=?Z/?y，其中Z為床面高程；S和S分別為x和y方向的摩阻坡度，可表示為S=n²uu²+v²/h^4/3，S=n²vu²+v²/h^4/3，其中n為曼寧糙率系數(shù)。

2.2 數(shù)值解法

采用有限體積法求解平面二維水動(dòng)力方程，將計(jì)算區(qū)域劃分為非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，守恒變量值儲(chǔ)存在網(wǎng)格中心，相鄰網(wǎng)格單元通過界面連接。采用HLL格式計(jì)算界面通量，其中黎曼問題中波速的計(jì)算參考Fraccarollo等^［19］提出的方法。采用Duran等^［20］提出的基于MUSCL格式改進(jìn)的變量重構(gòu)方法確?？臻g的二階精度，該方法將淺水控制方程中的水深替換為水位，其數(shù)值離散格式嚴(yán)格滿足well-balance特性和水深正性，本文模型仍以水深為守恒變量，主要借鑒其通量計(jì)算方法。底坡源項(xiàng)采用Valiani等^［21］提出的DFB方法進(jìn)行離散求解，摩阻項(xiàng)則采用半隱式模式計(jì)算。采用預(yù)估、校正兩步格式確保時(shí)間的二階精度^［22］。河床設(shè)定為定床，河岸邊界采用無滑移邊界條件，即設(shè)定U和V均為0。本研究參考夏軍強(qiáng)等^［23］的研究，采用凍結(jié)法處理動(dòng)邊界問題。此外，采用OpenMP并行技術(shù)提高模型的計(jì)算效率。

3 堤壩潰口過程中團(tuán)洲垸內(nèi)洪水演進(jìn)過程模擬

基于潰口口門寬度及流量過程的推演結(jié)果，采用二維水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算堤防決口后團(tuán)洲垸內(nèi)的洪水演進(jìn)過程，分析垸內(nèi)水位、淹沒水深與面積、流速分布等致災(zāi)要素的時(shí)空變化。

3.1 模型計(jì)算條件設(shè)置

3.1.1 進(jìn)出口邊界條件

模型進(jìn)口邊界條件直接采用前文分析得到的潰口寬度和流量變化過程。團(tuán)洲垸與錢南垸之間存在隔堤，且此次潰口隔堤雖然存在多處散浸險(xiǎn)情，但并未發(fā)生潰口，故將除潰口外的圍堤設(shè)置為固壁邊界，將離潰口最遠(yuǎn)且高程最低的堤段設(shè)為自由出流邊界。

3.1.2 河床邊界條件及模型參數(shù)設(shè)置

團(tuán)洲垸總面積約50.15 km²，南北長(zhǎng)13 km，東西寬約5.5 km，垸內(nèi)無高地，地勢(shì)起伏不大、較為平坦，地面高程在28.0～31.0 m之間（吳淞高程）。本次研究收集了團(tuán)洲垸遙感影像及垸內(nèi)地形數(shù)據(jù)，確定了模型計(jì)算區(qū)域，并將其劃分為三角形網(wǎng)格，如圖5（a）所示，同時(shí)對(duì)潰堤區(qū)域進(jìn)行局部加密處理。計(jì)算區(qū)域共有35 029個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和69 163個(gè)網(wǎng)格單元，網(wǎng)格單元的面積為249.6～1 053.1 m²。初始地形采用團(tuán)洲垸實(shí)測(cè)地形，并插值生成DEM（圖5（b））。插值后，垸內(nèi)高程為24.0～32.0 m，洞庭湖堤堤頂高程約為34.5～34.7 m。

圖5 模型計(jì)算網(wǎng)格及地形

Fig.5 Cormputaional grid and initial bathymetry for simulation

考慮到計(jì)算區(qū)域?yàn)┑氐耐恋乩妙愋洼^為復(fù)雜，可劃分為閑置灘地、耕地、林地、村莊、涉水工程用地5種，但這些區(qū)域的邊界難以界定，此處對(duì)糙率的取值進(jìn)行簡(jiǎn)化，給定模型初始糙率系數(shù)為0.03，并根據(jù)淹沒情況自動(dòng)調(diào)整不同區(qū)域的糙率系數(shù)，最終計(jì)算區(qū)域的糙率取值為0.030～0.039。首先設(shè)定最小水深（h）和臨界水深（h），根據(jù)節(jié)點(diǎn)水深（h）與上述兩個(gè)水深的相對(duì)大小。計(jì)算過程中調(diào)整糙率的原則如下^［9］：當(dāng)h≤h時(shí)，n=n×exp［3×（h-h）］；當(dāng)h<h≤h時(shí)，n=n×exp［3×（h-h）］；當(dāng)h>h時(shí)，n=n。

3.2 潰口附近流量與水位過程驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果的合理性，圖6（a）和（b）分別給出了潰口流量、堤內(nèi)實(shí)測(cè)水位與CS2斷面模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比情況。由圖6可知，除了在模型計(jì)算的初始階段，潰口水流尚未演進(jìn)到CS2斷面時(shí)，CS2斷面的流量過程與潰口實(shí)測(cè)流量過程有差別外，其余時(shí)段兩者基本吻合。此外，CS2斷面的水位變化過程與堤內(nèi)實(shí)測(cè)水位基本吻合，且最大水位基本相等，前期兩者之間的差別是由于堤內(nèi)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)靠近堤防，比CS2更靠近潰口導(dǎo)致的。后期計(jì)算水位偏高的原因是本文模型未考慮河床沖淤過程，導(dǎo)致時(shí)刻末靠近潰口區(qū)域的高程偏大。因此，本文模型的計(jì)算結(jié)果基本能夠反映團(tuán)洲垸堤防潰決后的洪水演進(jìn)過程。

3.3 垸內(nèi)洪水演進(jìn)過程

3.3.1 垸內(nèi)水位變化

選取了團(tuán)洲垸內(nèi)典型監(jiān)測(cè)斷面（CS2～CS6），點(diǎn)繪了各斷面平均水位隨時(shí)間的變化過程，結(jié)果如圖7所示。各斷面水位變化趨勢(shì)基本一致，在潰堤水流尚未演進(jìn)到該斷面時(shí)水位與斷面平均高程一致，即水深為0 m，當(dāng)潰堤水流演進(jìn)到該斷面時(shí)，水位開始上漲，且上漲速率先快后慢，最終各斷面水位上漲趨勢(shì)速率保持一致，并在t=20 h時(shí)維持在31.955 m左右，與原型觀測(cè)的堤內(nèi)水位（31.960 m）基本一致。圖中CS2～CS6的水位上漲時(shí)間逐步推后，分別為t=1.2 h、t=2.8 h、t=4.6 h、t=7.0 h和t=8.8 h。此外，水流從CS1演進(jìn)至CS7的時(shí)間約為11.6 h。

3.3.2 淹沒水深及面積變化

圖8給出了t=19 h（2024年7月6日12∶00）時(shí)模型計(jì)算的淹沒水深和基于遙感影像識(shí)別的淹沒區(qū)域。需要說明的是，遙感影像源于高分三號(hào)衛(wèi)星，由武漢大學(xué)提供。由圖8（a）可知，截至7月6日12∶00，團(tuán)洲垸內(nèi)低洼區(qū)域已基本被淹沒，僅垸內(nèi)安全區(qū)尚未被淹沒，面積約為3.12 km²。與遙感影像識(shí)別的淹沒區(qū)域相比（圖8（b）），兩者基本吻合，表明模型計(jì)算的淹沒范圍基本可靠。

根據(jù)進(jìn)口流量的變化過程，選取了4個(gè)特征時(shí)刻：流量快速上漲階段（t=4 h，Q=3 759 m³/s），流量接近洪峰流量時(shí)刻（t=10 h，Q=4 995 m³/s），潰口寬度達(dá)到最大的時(shí)刻（t=15 h，Q=4 070 m³/s）以及計(jì)算時(shí)段末（t=20 h，Q=446 m³/s）。各時(shí)刻淹沒水深的分布如圖9所示。

t=4 h時(shí)，潰口快速?zèng)_刷展寬，口門寬度約為114 m，潰口流量接近3 000 m³/s，約48.6%的區(qū)域被淹沒，淹沒區(qū)域主要集中在潰口口門和團(tuán)東電排閘附近，最大淹沒水深約為5.92 m，位于潰決口門附近，大部分區(qū)域的淹沒水深為0～0.5 m，淹沒水深超過0.5 m的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)約占43.2%。圖9（a）表明，堤防潰口后，團(tuán)洲垸內(nèi)順堤行洪，水流主要順著錢團(tuán)間堤向垸內(nèi)演進(jìn)。t=10 h時(shí)，潰堤水流已演進(jìn)至垸內(nèi)大部分區(qū)域，淹沒區(qū)域約占92%，最大淹沒水深約為7.10 m，大部分區(qū)域的淹沒水深為3～6 m，約90%的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)淹沒水深超過0.5 m（圖9（b）），淹沒水深超過1.5 m的區(qū)域約占79%。此時(shí)，錢團(tuán)間堤已全線偎水，堤角水深約為1～3 m。如圖9（c）所示，t=15 h時(shí)，團(tuán)洲垸內(nèi)除安全區(qū)以外的所有區(qū)域都被淹沒，淹沒范圍增加至93.5%，垸內(nèi)水位繼續(xù)上漲，最大淹沒水深增加至7.62 m，淹沒水深超過0.5 m的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)占比增加至93%。此時(shí)，錢團(tuán)間堤堤角處水深增加至3～5 m。計(jì)算時(shí)段末（t=20 h），全垸極少區(qū)域未被淹沒（安全區(qū)），最大淹沒水深增加至8.2 m，接近93.5%的區(qū)域淹沒水深超過0.5 m，約92.7%的區(qū)域淹沒水深超過1.5 m（圖9（d））。淹沒水深較大的區(qū)域位于團(tuán)北、團(tuán)東電排閘、團(tuán)福閘和錢團(tuán)間堤附近。

洲灘民垸淹沒范圍是灘區(qū)受災(zāi)的重要特征之一，此處定量統(tǒng)計(jì)團(tuán)洲垸內(nèi)淹沒面積隨時(shí)間的變化情況。參考《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》^［24］，根據(jù)淹沒水深大小可將淹沒區(qū)域分成3個(gè)等級(jí)：淹沒水深小于0.5 m的輕度淹沒區(qū)，淹沒水深在0.5～1.5 m的中度淹沒區(qū)和淹沒水深大于1.5 m的重度淹沒區(qū)。表1給出了不同時(shí)刻團(tuán)洲垸處于不同淹沒程度的面積及其占比。t=4 h時(shí)，未被淹沒的面積最大（51.39%），其次為重度淹沒的面積（23.37%），而后為中度淹沒的面積（19.87%），輕度淹沒的面積最?。?.37%）。t=10 h時(shí)，處于輕度和中度淹沒的面積占比均低于15%，78%以上的區(qū)域處于重度淹沒。t=15 h時(shí)，92%以上的區(qū)域處于重度淹沒狀態(tài)。計(jì)算時(shí)段末，重度淹沒的區(qū)域占比約為92.7%，中度和輕度淹沒的面積分別為0.14 km²和0.43 km²。

為反映重點(diǎn)區(qū)域的淹沒發(fā)展情況，圖10給出了圖5（b）中4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的水深變化過程，分別代表團(tuán)北（P1）、團(tuán)東電排閘（P2）、團(tuán)福閘（P3）和錢團(tuán)間堤（P4）的淹沒情況。總體而言，各觀測(cè)點(diǎn)的水深均呈穩(wěn)步上升的趨勢(shì)，并在計(jì)算時(shí)段末達(dá)到最大值，最大值分別為5.32，7.09，3.91 m和4.33 m。由此可見，團(tuán)北和團(tuán)東電排閘的淹沒程度較高，而錢團(tuán)間堤和團(tuán)福閘的淹沒程度相當(dāng)。

3.3.3 水流流速分布變化

圖11給出了與水深相應(yīng)的流速分布。不同時(shí)刻，最大流速均集中于潰口口門附近，垸內(nèi)其他區(qū)域的流速相對(duì)較小。

t=4 h時(shí)，被淹沒區(qū)域的平均流速約為0.37 m/s，35%以上被淹沒區(qū)域的流速小于0.50 m/s，98%以上淹沒區(qū)域的水流流速小于2.00 m/s，口門處局部區(qū)域的流速超過2.50 m/s（圖11（a））。 t=10 h時(shí)，相較于t=4 h，全域流速顯著增加，被淹沒區(qū)域的平均流速增加到0.43 m/s，口門處平均流速增加至3.64 m/s，絕大部分淹沒區(qū)域的流速小于0.50 m/s，75%以上被淹沒區(qū)域的流速小于0.50 m/s，98%以上淹沒區(qū)域的水流流速小于2.00 m/s（圖11（b））。t=15 h時(shí)，幾乎全垸的水體都在流動(dòng)，但隨著堤內(nèi)外水位差不斷降低，被淹沒區(qū)域的平均流速也減小至0.22 m/s，口門處平均流速約為2.60 m/s，94%以上淹沒區(qū)域的水流流速小于0.5 m/s，約5%淹沒區(qū)域的水流流速介于0.50～2.00 m/s之間（圖11（c））。計(jì)算時(shí)段末（t=20），由于堤內(nèi)外水位基本達(dá)到平衡狀態(tài)，垸內(nèi)流速進(jìn)一步降低，平均流速減小至0.05 m/s，口門處平均流速約為2.00 m/s，99%被淹沒區(qū)域的水流流速小于0.50 m/s，水體流動(dòng)非常緩慢（圖11（d））。

圖12給出了上述監(jiān)測(cè)點(diǎn)的流速變化情況，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的流速均先增大后減小。團(tuán)北區(qū)域（P1）的流速變化也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最大流速約為2.62 m/s。P2、P3、P4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的流速也呈先增大后減小的趨勢(shì)，最大流速分別為0.33，0.20 m/s和0.63 m/s，均不超過1.00 m/s。P2、P3和P4均在水流淹沒初始階段出現(xiàn)最大流速，此后呈減小趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

本文收集了2024年7月團(tuán)洲垸潰堤時(shí)實(shí)測(cè)口門寬度及流量數(shù)據(jù)，分析計(jì)算了潰口流量過程，并采用基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限體積法的平面二維水動(dòng)力學(xué)模型模擬了團(tuán)洲垸潰堤后的洪水演進(jìn)過程，主要結(jié)論如下：

（1）采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)還原了潰口口門寬度和流量過程的變化，基于流量過程推求了進(jìn)入團(tuán)洲垸的總水量為2.53億m³，與基于庫容曲線反算的水量（2.63億m³）基本相當(dāng)，表明本研究擬合的流量過程基本合理。

（2）收集了團(tuán)洲垸的地形數(shù)據(jù)，并模擬了潰口開始（7月5日16∶00）至堤內(nèi)外水位達(dá)到平衡（7月6日13∶00）時(shí)段內(nèi)團(tuán)洲垸的洪水演進(jìn)過程。驗(yàn)證了潰口附近流量和水位過程與實(shí)測(cè)過程基本相符，且7月6日12∶00模型計(jì)算的淹沒范圍與基于遙感影像提取的范圍基本一致，表明本模型模擬的垸內(nèi)洪水演進(jìn)過程基本合理。

（3）分析了垸內(nèi)水位、淹沒水深與面積以及水流流速的變化情況。垸內(nèi)典型斷面的水位均呈逐步增大的趨勢(shì)，最終維持在31.955 m，與實(shí)測(cè)堤內(nèi)水位（31.960 m）基本一致。在潰口后15 h內(nèi)，垸內(nèi)93.5%的區(qū)域被淹沒，在計(jì)算時(shí)段末，93.5%的區(qū)域淹沒水深超過0.5 m，92.7%的區(qū)域處于重度淹沒狀態(tài)，淹沒水深超過1.5 m，最大淹沒水深約為8.2 m。潰口口門處流速最大可達(dá)3.64 m/s，垸內(nèi)流速均呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，各時(shí)刻（t=4 h、t=10 h、t=15 h和t=20 h）平均流速分別為0.37，0.43，0.22 m/s和0.05 m/s。

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（編輯：謝玲嫻）

Analysis on embankment failure process and flood routing simulation of

Tuanzhou embankment in Dongting Lake in 2024LIU Xin¹，GUAN Xuewen¹，ZHANG Jun¹，LUO Xing²，ZHANG Xinyue³，TONG Bingxing¹

（1.Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resource Commission，Wuhan 430010，China； 2.Middle Yangtze River Bureau of Hydrology and Water Resources Survey，Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China；3.Three Gorges Bureau of Hydrological and Water Resources Survey，Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Yichang 443000，China）

Abstract： Flood storage and detention areas play an important role in flood control in the middle and lower Changjiang River，so it is significant to study the simulation method of the flooding processes in the flood storage and detention areas.Based on the measured width and flow discharge data of the embankment failure at Tuanzhou embankment alongside the Dongting Lake in 2024，the discharge process at the breach was reproduced，and the flood evolution was simulated by using a two-dimensional hydrodynamic model to analyze the temporal and spatial variations of disaster-causing factors，including water inundation depth and flow velocity.The results showed that：① the development of embankment failure included three stages，namely，downward scouring，lateral widening and steady discharging；the total water volume entering the Tuanzhou embankment was estimated as 2.53×10⁸ m³ based on the discharge process，which was basically equivalent to the water volume （2.63×10⁸ m³） back-calculated according to the reservoir capacity curve.② The discharge and water level processes near the breach were basically consistent with the measurements，and the maximum water level in the Tuanzhou embankment was 31.955 m，which was basically consistent with the measured water level （31.960 m）.③ The inundation range calculated by the model was basically consistent with the range extracted based on remote sensing images.At the end of the calculation period，92.7% of the area was in severe inundation （the inundation depth >1.5 m），the maximum inundation depth was about 8.2 m，and the flow velocity in the embankment increased first and then decreased，with the average flow velocities at each time （t=4 h，t=10 h，t=15 h and t=20 h） were 0.37，0.43，0.22 m/s and 0.05 m/s.The results can provide technical support for the risk assessment and flood control of embankment failure.

Key words： embankment failure；flood routing；hydrodynamic model；Tuanzhou embankment；Dongting Lake; flood storage and detention area