韩江南北堤防洪保护区溃坝洪水演进数值模拟研究

王 扬，黄本胜，倪培桐，陈丕翔，董 志

(1.广东省水利水电科学研究院， 广东 广州 510635； 2.广东省水动力学应用研究重点实验室， 广东 广州 510635； 3.河口水利技术国家地方联合工程实验室， 广东 广州 510635)

1 研究背景

韩江南北堤防洪保护区洪水风险图编制项目为广东省2013年洪水风险图编制项目的重点任务之一，洪水分析模型是分析获取洪水演进及淹没信息的重要手段，为洪水风险图制作提供洪水特征等量化依据[1-2]。

目前，洪水分析计算模型主要有一维水流模型、二维水流模型及在两者基础上耦合的数学模型。对于研究不同计算区域的洪水问题(如河道洪水及溃堤洪水)，利用一、二维耦合模型可以充分发挥各自模型的优势，提高模型的计算效率和精度[3]。近年来，一、二维耦合模型的研究有了较大的发展。国外方面，Lin等[4]通过利用一维ISIS模型和二维DIVAST模型对Greenwith港口漫堤洪水进行了模拟；Liang等[5]采用动态链接库技术进行一、二维模型的耦合；Dushmanta 等[6]将有限差分法的耦合模型成功应用于湄公河的洪水模拟；Bohorquez等[7]利用一维和二维水动力学模型对冰河溃坝洪水进行了重演；Fernández-Nieto 等[8]利用叠加原理对一维与二维进行了耦合计算。国内方面，李云等[9]通过一维、二维洪水嵌套模型模拟了淮河临淮岗段溃坝洪水演进过程；黄金池等[10]利用一、二维耦合模型研究了土石坝溃坝情况下的洪水演进情况；李大鸣等[11-12]和范玉等[13]采用具有旁侧出流的河网独立计算的一、二维嵌套衔接模式，建立了洪水演进数值仿真系统；苑希民等[14-15]利用一、二维耦合数学模型，借助干湿水深理论对模型进行优化，实现了防洪保护区多源洪水运动的耦合模拟；刘海娇[16]通过建立河道与溃坝洪水偶联的水力学模型，模拟了淮河流域谷堆圩保护区洪水演进过程。

通过建立一、二维耦合的溃坝洪水数值模型，模拟韩江南北堤溃堤洪水在保护区内演进的情况，分析探讨了韩江南北堤桩号1+720 m处堤防瞬溃后溃口流量水位关系、保护区内主要城镇特征点水深和流速变化以及保护区内洪水演进情况。

2 研究区概况

韩江南北堤从潮州市湘桥区的竹竿山脚起，顺干流南下，沿西溪右岸，经梅溪至汕头市金平区岐山的梅溪桥闸止，总长度42.9 km。韩江南北堤防洪保护区北为山丘，东临韩江南北堤，西靠揭阳市炮台海堤和地都海堤，北至汕头市的牛田洋海堤和梅溪河右岸堤防。韩江南北堤保护区内水系主要分为韩江水系和榕江水系。研究区域位置见图1。

3 数据与方法

3.1 一、二维耦合数值模型

一、二维耦合数值模型的计算区域包括韩江、榕江及韩江南北堤保护区。一维模型计算断面间距控制在500 ～1 500 m以内，对于河宽较小的河段，断面间距适当缩小，使计算断面间距与河宽相匹配，河道形态变化显著的河段及建有工程(桥、闸、坝、堰等)的位置其断面适当加密。

保护区内的陆域采用平面二维模型概化。二维模型覆盖范围根据《广东省洪水风险图编制项目2013年度实施方案》以及韩江河道管理局编制的《韩江下游南北堤志》确定。模型采用不规则网格，最大网格面积不超过0.1 km2，重要地区、地形变化较大部分的计算网格适当加密，网格尺寸控制在100～200 m。当二维模型范围高于地面的线状地物(包括公路、广梅汕铁路路基等)时，将其作为挡水或导流建筑物处理。当泛滥洪水达到其顶高程时，线状地物过流按堰流模式考虑。

对于一维模型与二维模型的耦合处理，水流以侧向堰流的形式从一维河道流向二维洪泛区，耦合连接是把河道的计算水位点与二维网格单元相连，一、二维连接仅考虑质量守恒，不保证动量守恒。一、二维耦合洪水数值模型最终覆盖的区域范围如图1所示。

图1 研究区域及溃口、特征点、水文测站布置图

3.2 模型的率定和参数选取

根据现有的韩江三角洲下游河道洪水资料，采用“97.8”洪水潮安站、安揭引韩、东凤引韩3个水文站点的水位过程及水头东、水头西、上滘、梅溪口、南社、石版下、东里7个断面的洪峰流量进行模型参数的率定。

表1为韩江三角洲各河道水文测验断面洪峰流量率定结果。由表1可见，除上滘(外沙河)、南社(新津河)、东里(北溪)3个测验断面的洪峰流量计算误差超过10%，韩江三角洲其余河道水文测验断面的洪峰流量计算误差均小于5%。利用“97.8”洪水资料率定得到的韩江三角洲的糙率大致在0.029～0.061之间。

防洪保护区的糙率则根据不同的下垫面类型进行选取，保护区内糙率大致在0.012～0.08之间。图2为韩江三角洲发生“97.8”洪水时各水文测站实测与计算的水位过程对比，结果表明，计算水位与实际洪水最大水位误差在0.01 m以内。

就协商主体而言，它涵盖从中央到基层、从组织到个人多个层面、多种形式。其具体主体包括各党派、政府机构、人民团体、社会组织和普通群众等。凡是利益相关方都能够参与协商过程，而不论其组织性质、个人身份。协商主体的广泛性不仅有效地保障了各阶层群众对国家和社会层面政治生活、经济生活、社会生活、文化生活的知情权、参与权、表达权、监督权，而且有利于增进统一战线的团结和共识。协商民主是大众参与协商的机制，是推动共识形成的过程。协商主体与统一战线同盟者具有重合性。协商越充分，统一战线凝聚社会力量的功能就发挥得越充分。

表1 韩江三角洲各河道水文测验断面洪峰

3.3 溃口设置方案

通过实地调研，结合当地防汛指挥部门及有关地方专家意见，本次溃口设置于韩江南北堤桩号1

+720处(见图1)。溃口溃决方式按瞬溃处理，溃口最终底高程为背河侧地面高程。计算的水文条件采用韩江发生200一遇的洪水遭遇外海多年平均天文潮。溃口的宽度初步采用《洪水风险图编制技术细则》中经验公式计算：

Bb=1.9(log10B)4.8+20

(1)

式中：Bb为溃口宽，m；B为河宽，m。

溃口宽度计算方案组合及计算结果见表2。

4 结果与讨论

4.1 溃口流量水位过程分析

图3为溃口流量与水位变化过程线。由图3可见，韩江南北堤桩号1+720 m处堤防在外江洪峰水位对应时刻(t=120 h时刻)溃决，溃堤峰值流量为10 190 m3/s，溃堤时外江水位为17.82 m，随着外江水位降低，溃口进入保护区的流量逐渐减小，在t=219 h时刻，外江水位基本与溃口处保护区内水位相等，此时溃口由外江进入保护区内的水量基本为0。

图2 各站点实测水位与计算水位比较(“97.8”洪水)

韩江潮安站洪峰流量/(m3·s-1)相应设计频率赤坎站/(m3·s-1)东桥园站/(m3·s-1)保护区内暴雨/mm妈屿站日最高潮位/m溃口方案溃堤桩号/m溃口宽度/m19500200年一遇5481450145.01.251+720300

图3 溃口流量与水位变化过程线

4.2 淹没水深和流速分析

为探讨洪水演进过程中对保护区内各城镇和居民区的影响规律，选取了洪水演进过程中影响较大的城镇特征点来分析淹没水深和洪水流速的变化。保护区内主要城镇特征点位置见图1，特征点的水深和流速变化过程见图4～5。

由图4可知，堤防溃决后，洪水历时5 h到达离溃口较近的湘桥区等城镇，金石镇、炮台镇、地都镇、彩塘镇距溃口较远，洪水历时20 h以上才能抵达，其中金平区洪水前锋到达时间最长，为58 h。云路镇、登岗镇和湘桥区由于地势较低，最大淹没水深普遍在2 m以上，并且在洪水消退后，仍有0.9 m左右的积水。

图4 保护区内各特征点水深变化图

图5 保护区内各特征点流速变化图

4.3 洪水演进过程分析

韩江南北堤桩号1+720 m处溃堤后(溃口宽度为300m)6、12、24、48、72、96 h的洪水演进情况见图6。

溃堤后6 h，洪水前锋西南侧到达登岗围，东南侧已经到达浮洋镇。此时枫溪镇最大淹没水深超过3.0 m，保护区内淹没面积91.06 km2。溃堤后12 h，洪水前锋沿西南方向抵达榕江，南侧洪水顺地势而下到达中离溪，东南侧洪水沿广梅汕铁路东侧南下到达龙湖镇。其中枫溪镇、凤塘镇最大淹没水深超过2.5 m，保护区内淹没面积148.92 km2。溃堤后24 h，洪水前锋西南侧已经到达炮台镇，东南侧沿广梅汕铁路到达彩塘镇附近。此时枫溪镇、凤塘镇及浮洋镇最大淹没水深超过2.5 m，保护区内淹没面积208.5 km2。

溃决后48 h，西南侧洪水沿榕江北堤南下，前锋漫过地都镇向牛田洋海堤推进，东南侧洪水前锋到达大港河及外砂镇。此时枫溪镇、凤塘镇、浮洋镇的最大淹没水深超过2.0 m，保护区内淹没面积238.79 km2。

溃决后72 h，洪水沿榕江北堤南下淹没金平区，东南侧洪水淹没外砂镇大港河与南北堤汕头段区域，凤凰镇、登岗镇及浮洋镇部分涝水随枫江、中离溪等河道逐渐排入榕江。此时保护区内洪水淹没范围达到最大，主要涝区的淹没水深均超过1.5 m，保护区内淹没面积为250.65 km2。

溃决后96 h，保护区内涝水随枫江、中离溪、大港河等主要连通榕江的河流排入外江，此时保护区内除了凤塘镇等地势低洼的涝区外，大部分陆域的淹没水深不超过1.0 m。

图6 保护区内96 h内的洪水演进情况

5 结 论

本文基于一、二维水力学耦合模型，建立了韩江南北堤防洪保护区溃坝洪水演进数学模型，分析了韩江南北堤瞬溃后溃口流量水位关系、主要城镇特征点的水深和流速变化及洪水演进过程。

(1)堤防瞬溃后，溃口峰值流量出现在溃坝瞬间，随外江水位下降，溃口流量减小，至溃坝99 h后基本为0。

(2)韩江南北堤桩号1+720 m处堤防溃决后，湘桥区距溃口最近，受洪水破坏最严重，最大流速值超过1.3 m/s。云路镇、登岗镇和湘桥区由于地势较低，最大淹没水深普遍在2 m以上，建议当地防汛部门在溃堤后加强上述地区的排涝及避险转移工作。广梅汕铁路由于路基较高，一定程度上阻碍了洪水演进，造成铁路附近村庄壅水较高，建议防汛部分做好排水导流工作。