高陂水利枢纽超蓄淹没动态模拟及实景三维可视化

向枝叶， 丛沛桐

(华南农业大学水利与土木工程学院， 广州 510642)

受气候变化和人类活动影响，极端降雨和大洪水发生的概率显著增加[1-2]，给大中型水库带来了较大的超蓄淹没风险，开展库区超蓄淹没风险动态模拟和三维展示研究，对于防洪减灾工作的快速落实具有重要意义。

近年来，二维水动力模型已成为研究洪水演进规律、评估洪水风险的重要方法和手段。李大鸣等[3-4]提出了单元水量出流修正法，建立了基于改进水量平衡模式的二维洪水演进模型，并用于蓄泄洪区和水库下游山区的洪水模拟。刘鹏飞等[5]采用基于二维浅水方程的CJK3D-WEM软件模拟了长江下游河段的潮流影响。张大伟等[6]为模拟存在挖沙坑、桥墩、丁坝等的复杂河段水流，建立了基于Godunov格式的精细化二维水动力模型，可用于复杂研究区域的防洪评价工作。在洪水风险可视化研究方面，许小华等[7]基于洪水分析模型实现了洪水风险实时分析系统，结合地图服务可进行洪水风险二维平面展示。牛帅等[8]考虑了降雨、潮位等动态因子输入，建立了基于一、二维水动力模型的易涝区动态洪水风险分析模型。王峰等[9]利用倾斜摄影技术，整合了三维场景构建、洪涝数据及数字高程模型(digital elevation model，DEM)数据，开发了Flood-3DGIS系统，可三维展示高精度的城市洪涝淹没过程。

目前，在洪水风险分析及可视化展示方面的研究多集中在水库下游、蓄泄洪区等区域，而关于水库不同来水、不同调度方案下的库区动态超蓄淹没实景三维可视化展示的研究较少。现以韩江高陂水利枢纽库区为研究对象，利用激光雷达(light detection and ranging，LIDAR)数据获取高分辨率地形，为更加准确地概化水库，反映真实库容情况和淹没情形，模拟堤防对洪水的阻挡作用，建立基于无结构网格有限体积法和Villemonte公式的动态超蓄淹没风险分析模型，模型可输入任意来水、调度方案进行动态洪水风险模拟，并通过系统实现实景地物三维淹没情景展示，以期对风险预警预报、水库调度运行、避洪转移提供重要的指导作用。

1 二维超蓄淹没模型

1.1 基本控制方程

均匀流体流动满足Boussinesq理论且服从静水压力假设即为浅水流动。模型采用浅水方程的守恒形式描述洪水在库区的演进过程，忽略水面风应力和柯氏力的二维浅水方程组的矢量形式[10-11]为

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(4)

(5)

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式中：U为守恒向量；F、G分别为x、y方向的通量向量；S为源项向量；h为水深，m；u、v分别为x、y方向的流速分量，m/s；zb为河床底高程，m；qL为单位面积旁侧入流源项，m/s；Sfx、Sfy为河床底摩阻项；n为糙率。

浅水方程的空间离散方法为基于无结构三角形网格单元中心格式的有限体积法，界面法向数值通量的计算采用Roe格式的近似Riemann解，时间积分采用Euler向前格式。

1.2 堰流公式

一般在二维水动力模型中，线状阻水构筑物可通过加密网格抬高地形或使用堰流公式两种方法添加至模型中[12-14]。采用Villemonte堰流公式精细化模拟线性构筑物[15]，可避免因局部加密网格，网格过渡不均匀造成模型失稳问题的发生，表达式为

(7)

式(7)中：Qs为过堤流量，m3/s；W为堤顶宽度，m；Hw为堤顶高程，m；C为流量系数，取值为1.838；Hus为上游水位，m；Hds为下游水位，m。

2 模型构建

2.1 项目区概况

韩江高陂水利枢纽(以下简称枢纽)位于广东省梅州市大埔县高陂镇上游约5 km处的韩江干流上，如图1所示，是韩江流域防洪供水体系中的控制性水利工程，坝址以上集雨面积26 590 km2，正常蓄水位38 m，设计洪水位、校核洪水位47.44 m，总库容3.656×108m3，防洪库容达2.673×108m3。项目主体工程已于2021年1月下闸蓄水，与上游永定棉花滩水库及下游堤防共同构成“堤库结合”的防洪体系，保护人口624.29万人，为粤东地区经济社会的可持续发展提供安全保障。

图1 韩江高陂水利枢纽位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the location of Gaobei hydro-junction

工程移民征地范围由停发流量(6 700 m3/s)回水线确定，枢纽防洪库容全部置于正常蓄水位以上，下闸蓄洪库区将产生超蓄淹没，居民迁移线至设计洪水位回水线之间仍存有大量的人口、房屋及文物单位等，一旦库区超蓄将造成难以估量的损失，甚至会对社会稳定形成冲击[16]。对库区开展超蓄淹没风险研究是十分必要的。

2.2 地形数据处理及网格剖分

模型地形数据采用近期的LIDAR实测数据，LIDAR数据经解算、分类处理成点数据，高程点经检查后生成Delaunay不规则三角网并输出为匹配模型网格大小的地形，得到分辨率为2 m的数字高程模型(digital elevation model，DEM)，详尽的地形数据为精细化建模提供了基础。

二维建模范围由试算的100年一遇洪水淹没范围外扩确定，总面积约为188 km2，覆盖库区正常运用淹没面积27.78 km2，网格剖分边长沿河道边界向河道两岸外侧由最小10 m到最大60 m渐变，网格角度控制在30°～120°，网格质量满足精度和计算速度的要求。地形插值方法为自然邻点插值法，建模区地形如图2所示。

图2 建模区地形Fig.2 Topography of modeling area

2.3 定解条件

边界条件和初始条件合称定解条件，是求解非恒定流问题的必要条件。为减少模拟累积误差、提高模型稳定性，上游边界给定上游来水过程，下游控制边界给定调度模型输出的库水位过程；闭合边界选择无滑移条件。

以坝址遭遇30、50、100年设计频率洪水的情况的计算工况为例，进行模型分析，各重现期入库洪峰流量、库水位如表1所示。

干湿边界采用单元分区法处理，设置干水深hdry=0.005 m，湿水深hwet=0.05 m，由此为依据将研究区网格单元分为干区、半干半湿区及湿区，干区不参与计算，半干半湿区仅进行水量通量计算。

初始条件为匹配下游边界条件设为正常蓄水位38 m。

表1 各重现期洪峰流量-水位成果表Table 1 Flood peak discharge and water level results

2.4 线性构筑物概化

库区内需考虑堤防、公路等工程对洪水的阻挡作用，将堤防和公路概化为线性构筑物添加至二维模型中。建模区内堤防工程包括三河镇汇城堤、大麻镇的附麻堤、党溪村的塘溪堤，其中附麻堤和塘溪堤现状已完成堤防达标建设，建设标准为20 a一遇洪水，堤顶高程如表2所示。区域内的主要交通通道为省道(S222、S333)县道、乡道以及村道，主要研究省道和县道的阻水影响，乡道和村道因阻水作用不明显而不作概化。

表2 堤顶高程表Table 2 Elevation of embankment top

2.5 参数设置

二维模型糙率取值采取分区设置，将下垫面分类为河道、村镇、道路、水田、旱地、林地、空地共七类，其中韩江主槽糙率依据广东省水利电力勘测设计研究院实测资料推求的断面高水位糙率分段设置，在0.030～0.045；除河道以外的区域根据下垫面的土地利用类型，参照糙率经验取值表赋初值，不同下垫面糙率取值如表3所示。

表3 不同下垫面糙率取值Table 3 Roughness values of different underlying surfaces

2.6 结果与分析

2.6.1 合理性分析

(1)水量平衡分析。由入流边界、模型模拟结果分别统计出上游来水量、下游出流量以及枢纽时段库容量，水面蒸发损失折算取值为0.39 m3/s，计算的相对误差为1.3×10-7，小于1×10-6，满足《洪水风险图编制导则》(SL 483—2017)技术要求。

(2)如图3所示，30、50、100年一遇洪水工况下，超蓄淹没模型模拟的水面线结果与已批复的初步设计报告成果差值绝对值在0.00～0.13 m，说明模拟结果与初设计算成果基本相符。

(3)淹没范围合理性分析。结合DEM数据进行对比分析，30、50、100年一遇方案淹没形态及范围大致相同，洪水演进范围主要集中在原河道，两岸平原低洼地区被淹没，结果与研究区地形走向相符，地形高区未发生淹没，且本次模拟的淹没范围与已批复的高陂水利枢纽超蓄淹没影响专题报告基本一致，说明淹没范围分布合理。

综上，水量相对误差、水面线、淹没范围等成果均与实际吻合，说明模型合理可靠。

图3 韩江干流水面线成果Fig.3 Water surface profile results of Hanjiang main stream

2.6.2 超蓄淹没分析

当坝址遭遇30年一遇的洪水时，天然情况下河道两岸已产生淹没，枢纽下闸蓄洪将加大库区上游淹没风险。如表4所示，遭遇30、50、100年一遇洪水时，临时淹没面积(居民迁移线对应范围不纳入统计)分别为9.09、11.43、13.78 km2，其中水深大于4.0 m的淹没面积分别占总面积的56.6%、62.9%、70.6%。库区两岸大多为陡峭的山体，洼地平原分布其中，随着洪水量级的增大，两岸山体的阻挡使洪水演进范围集中在主河道，河道水位迅速上涨，因此0.0～4.0 m水深范围的淹没面积增幅不大；同时洪水涌入洼地平原区，积水加深，水深大于4 m的淹没面积增幅明显。

表4 淹没水深分布统计Table 4 Statistics of submerged depth distribution

如图4所示，遭遇30～100年一遇洪水时，韩江沿岸地区的淹没水深基本在0～14 m，淹没深度由上游向下游呈递增趋势。高陂镇、银江镇的银滩村、大麻镇、三河镇以及茶阳镇均为易受洪灾区域。

2.6.3 淹没损失评估

根据本次淹没模拟结果和区域社会经济情况，对不同频率的洪水淹没损失进行统计评估，包括受灾人口、淹没房屋、淹没耕地面积、主要专业项目等指标，统计结果见表5。

3 动态淹没模拟三维可视化系统

因洪水现象的随机性和调度方案的多样性，为满足实际调度会商需求，设计了动态淹没模拟三维可视化系统。系统采用B/S(浏览器/服务器)的模式，数据交换接口接入任意来水、调度方案等动态因子，通过模型管控平台调用水文模型、水库调度模型，计算输出来水过程和库水位过程进入超蓄淹没模型进行风险模拟；倾斜摄影原始数据经后处理软件处理，完成图片和地形的融合，构建三维实景模型，最后将超蓄淹没结果与三维实景模型相融合，进行淹没风险(淹没范围、水深等)的三维可视化展示，系统技术流程如图5所示，三维实景效果如图6所示，100年一遇枢纽超蓄淹没风险三维可视化展示如图7所示。

表5 高陂水利枢纽库区超蓄淹没损失统计表Table 5 Statistics of flooding loss of over-impoundment of Gaobei hydro-junction

图4 不同频率淹没水深图Fig.4 Different frequency submerged depth map

图6 三维实景效果图Fig.6 3D terrain rendering

4 结论

为研究高陂水利枢纽库区的超蓄淹没风险，建立了动态超蓄淹没风险分析模型，模拟了30、50、100年一遇设计洪水淹没情景，得出以下结论。

(1)从水量平衡、水面线误差、淹没范围与地形走向相关性进行了合理性分析，结果表明，超蓄淹没模型结果合理可靠，符合实际，可用于高陂水利枢纽超蓄淹没风险分析。

(2)当遭遇30年一遇以上洪水时，高陂水利枢纽库区超蓄淹没影响的主要范围为高陂镇、银江镇的银滩村、大麻镇、三河镇以及茶阳镇等区域。

(3)动态超蓄淹没三维可视化系统以模型管控平台为智能引擎，驱动水文预报模型、水库调度模型，实现来水和调度方案的动态输入，模拟库区超蓄淹没风险，并利用三维可视化技术，直观展示超蓄淹没范围、水深、转移路线等风险信息。这对于灾前预警预报、调度决策和快速撤离受灾群众具有重要的指导意义，能为其他地区洪水风险模拟及三维可视化展示系统设计提供思路和参考。

图7 100年一遇洪水淹没风险三维展示Fig.7 3D display of 100 a flood inundation risk