松滋江堤防洪保护区洪水风险研究(Ⅰ)——模型的建立与验证

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(长江科学院 水利部江湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

长江是我国最大的河流，特殊的气候、地理特征导致流域洪涝、台风和山洪等灾害频繁发生，历史上造成了大量的人员伤亡和严重的经济损失。长江中下游地处冲积平原，沿江人民生命财产和工农业生产设施主要靠堤防保护，洪水来量大与河槽泄流能力小的矛盾极为突出，洪水灾害较为频繁。中游荆江河段由于两岸支流众多，江湖关系复杂，更是长江流域防洪的重点[1]。松滋江堤是荆江河段防洪工程体系的组成部分，20世纪以来松滋江堤发生了4次溃决，并发生多处管涌险情[2]。

国内外目前已有较为成功的河网模型[3-5]，基于荆江—洞庭湖区域的一、二维模型也得到了较为充分的应用及验证[6-8]。但是考虑到荆江分蓄洪区的应用，针对特大洪水下长江干流洪水、松滋河分流洪水的演进过程以及防洪保护区内洪水的吐纳及其相互影响的规律很少涉及。因此本文运用较为成熟的河网汊点分组解法建立求解河网模型[9]，并通过堤防溃口与防洪保护区内的平面二维水流模型进行耦合[10]，建立了荆江—防洪保护区洪水演进模型。由于防洪保护区缺乏实测资料进行验证，本文从水量平衡、不同方案下松滋口分流情况及溃口进洪过程对计算结果进行了合理性分析。

图1 松滋江堤示意图Fig.1 Sketch of Songzi Levee

2 松滋江堤防洪保护区概况

松滋江堤位于长江上荆江河段南岸松滋市境内，西起松滋老城，东至涴市隔堤，全长51.2 km，其中松滋老城至胡家岗为沿松滋河的支堤，长16.8 km；东大口至灵钟寺为沿采穴河的民堤，长9.8 km；灵钟寺至涴市隔堤为长江干堤，长24.6 km。松滋江堤走向如图1所示。

松滋江堤防洪保护区位于长江中游南岸，涵盖湖北省松滋市、公安县及湖南省安乡县等区域。保护区地处巫山余脉和武陵山余脉向江汉平原过渡的交汇处，地势自西北向东南倾斜，西高东低，平原湖区地势由北向南微倾。保护区内平展广阔，河渠纵横，有松东河、松西河自北向南汇入洞庭湖，同时松东河、松西河间还有大大小小的串河相连(如图2所示)。

图2 松滋江堤防洪保护区水系分布Fig.2 Distribution of river system in flood protection area enclosed by Songzi Levee

图3 枝城站1870年型1 000 a一遇设计洪水过程Fig.3 Process of a 1 000-year event flood at Zhicheng station

3 洪水分析方案确立

松滋江堤防洪保护区洪水来源主要包括长江干流枝城以上洪水以及沮漳河洪水。本文以1 000 a一遇洪水过程为例，枝城入流考虑三峡水库调度作用(洪水过程如图3所示)，同时考虑荆江地区分洪区运用。

根据堤防历史溃口、近年险工险段情况[11]，选定了松滋江堤涴市溃口、灵钟寺溃口、新华垴溃口等作为洪水分析拟定的溃口位置(如图1所示)。溃口尺寸设定为梯形，溃口坡度定为1∶2，溃口宽度分别为800，300，600 m；溃口情况见表1。拟定灵钟寺溃决历时为1 h，涴市横堤及新华垴溃口的溃决历时取1.5 h。溃口发展过程拟定为：初始时刻溃口宽度及深度分别为最大溃口宽度和深度的1/5，之后随时间线性扩展至最终溃口尺寸，堤防溃口坡度均设定为1∶2。

表1 松滋江堤拟定溃口情况Table 1 Attributes of breaches of Songzi Levee

4 洪水分析模型建立

4.1 建模思路

本文构建了一、二维耦合的水动力学模型模拟长江干流及松滋江堤防洪保护区内的洪水演进过程。其中一维河网模型模拟长江干流、松滋河干流、采穴河、沮漳河及虎渡河的洪水演进(见图4)，二维模型模拟保护区内的洪水演进，计算范围约2 000 km2。

图4 一维模型布置示意图Fig.4 Layout of 1-D model

考虑到防洪保护区内松滋河水系纵横交错，且河道平面尺度远小于保护区，为保证河道内洪水演进模拟的精确性，二维模型中对松滋河河道范围内进行局部加密。一、二维模型通过堤防溃口进行耦合。模型构建示意图见图5。

图5 模型构建示意图Fig.5 Layout of the coupled model

4.2 模型率定及验证

一维模型采用2010年水文资料进行率定，2012年水文资料进行了验证，计算结果与实测资料对比如图6所示。可见验证结果与实测洪水的最大水位误差绝对值≤20 cm，最大流量相对误差(实测流量与计算流量之差的绝对值/实测流量)≤10%；并且水位涨落趋势和流量变化趋势基本一致。因此糙率的取值是合适的，模型计算结果基本可靠。

图6 一维模型计算结果与实测数据对比Fig.6 Comparison between observed data and computed results of 1-D model

保护区内糙率根据研究区域的土地利用类型，参考《洪水风险图编制技术细则》给定的糙率取值范围，结合下垫面的实际情况综合确定。同时对其敏感性进行了分析，具体措施如下:以涴市溃口为例，溃口流量设置为3 000 m3/s在保护区内选取5个取样点(A—E)，分别比较各点的洪水到达时间和最大流速。取样点位置见图5(a)，计算结果见表2。可以看出，糙率取值对洪峰到达时间基本无影响，对最大流速影响较小，因此总的来说糙率取值对计算结果影响不大。

表3 计算成果水量平衡分析Table 3 Water budget of computed results

注：初始水量、终止水量分别为计算开始时刻、结束时刻模型范围内的槽蓄水量；水量误差计算方式为：初始水量+枝城入流量+倒灌水量-终止水量-沙市出流量-松滋口分流量-溃口分泄水量；相对误差计算方式为：水量误差/枝城入流量×100%

表2 不同糙率取值对洪水到达时间和最大流速的影响Table 2 Influence of roughness coefficient on arrivaltime and maximum velocity of flood

5 洪水计算成果合理性分析

5.1 水量平衡分析

以1 000 a一遇洪水各单一溃口方案的计算结果为例对水量平衡进行分析(见表3)。在整个洪水过程中，枝城站入流量为1 528亿m3，沙市站出流量在1 237亿～1 255亿m3之间，松滋口分流量在165亿～184亿m3之间，荆江分洪区分洪量在42亿～74亿m3之间。水量误差最大的为新华垴溃口，误差值为0.06亿m3，但相对误差依然<0.01%。因此，认为本次计算成果满足水量平衡要求。

5.2 松滋口分流成果

在整场洪水过程中，松滋口分流变化趋势与枝城入流过程一致。当松滋江堤发生溃决后，分泄一部分流量入保护区，使得松滋口分流有所减小。涴市横堤溃口、新华垴溃口、灵钟寺溃口溃决后，松滋河最大分流量分别减小790，2 684，2 691 m3/s。

不同溃口方案比较来看(图7)，由于涴市横堤溃口距离松滋口较远，该溃口溃决对其分流影响最小；新华垴溃口与灵钟寺溃口位于松滋河上，对其分流过程影响较大。在各溃口进洪过程中，松滋口分流减小幅度随着干流水位的上升而增加，即干流水位越高，溃口进洪流量越大，松滋口分流减小越多；当溃口开始吐洪入江时，松滋河分流略有增加，其中涴市溃口吐洪入江通过抬升干流水位增加松滋口分流，而新华垴溃口倒灌的流量直接进入松滋河，因此对松滋口分流增加的影响在新华垴溃口表现得最为突出。

图7 设计洪水下各溃口方案松滋口分流过程Fig.7 Discharge diversion in Songzi flow-separating mouth under designed flood

5.3 溃口进(吐)洪过程

1 000 a一遇洪水条件下，涴市横堤溃口、新华垴溃口、灵钟寺溃口最大分流量分别为7 912，6 081，1 984 m3/s。当保护区内水位超过外江水位后，保护区内积水开始倒灌入江。涴市横堤、新华垴最大倒灌流量分别为1 344和407 m3/s。各单一溃口进洪过程如图8(a)—图8(c)所示，进洪流量为正表示分泄干流水量入保护区，为负表示保护区内蓄水倒灌入江。在洪水过程中，外江水位不断抬升，直至超过堤防设计水位，堤防发生溃决。在溃决发生后2 h内，随着溃口发展，溃口流量急剧增加，溃口附近保护区内水位抬升明显，同时外江水位陡降。此后，溃口进洪量总体与外江水位变化趋势一致。随着溃口分泄干流洪水不断进入保护区，区内水位逐渐抬升，当保护区水位与外江水位齐平后，溃口分泄流量逐渐减小直至变为0，外江水位继续降低，当低于保护区内水位后，保护区积蓄的水量便开始通过溃口倒灌入江,溃口流量<0(如涴市横堤溃口与新华垴溃口即为此情况)；或者外江水位降低至与溃口底部高程齐平后，溃口进洪量也将逐渐减小，但由于溃口底部高程高于保护区内水位，无流量倒灌(如灵钟寺溃口)。

以涴市溃口为例，分析溃口上下游断面及溃口流量过程：在堤防未溃决前，溃口上下游断面流量一致，当溃决发生后下游断面流量出现一个短暂的急剧降落。约2 h后，当溃口充分发展，溃口流量较为平稳后，下游断面流量又呈现与上游断面一致的变化趋势。当上游来流量减小时，溃口分流量减小，反之亦然；当水流开始通过溃口倒灌入江时(溃口流量<0)，下游断面流量则大于上游断面，如图8(d)所示。

图8 设计洪水条件下溃口进洪过程Fig.8 Discharge diversion in dyke breach under designed flood

6 结 语

本文在适当概化复杂的荆江洞庭湖关系基础上，建立了通过溃口耦合的上荆江河段—松滋江堤防洪保护区一二维耦合的数学模型，并采用实测资料、糙率敏感性分析手段分别对一二维模型进行了率定及验证，同时从多方面对洪水计算成果进行了合理性分析。结论表明模型的计算成果满足水量平衡要求，溃口计算及松滋口分流成果不仅符合水动力学的基本规律，也与洪水特征、溃口特性相吻合。总体来说计算成果可信度较高，基本合理可靠，该模型可用于保护区洪水演进过程模拟计算。