飞来峡库区临时蓄滞洪区洪水风险分析

王红旗，冯靖雲，范子武

（1.华南农业大学水利与土木工程学院，广州 510642；2.南京水利科学研究院，南京 210029）

0 引 言

蓄滞洪区是江河流域防洪减灾体系中的重要组成部分，是牺牲局部保全局，最大程度减小洪水灾害损失的重要举措。国内外学者从建设与管理、生态修复、洪水演进数值模拟与风险图绘制、避险转移等多个方面开展了蓄滞洪区的研究［1-4］。王小笑等［5］构建了二维数学模型，利用GIS 反演技术对蓄滞洪区进行危险程度分区并编制洪水风险图，为蓄滞洪区管理提供科学依据；Qiang Liu 等［6］提出有限体积法进行数值求解河道与蓄滞洪区一二维耦合水动力模型，更真实模拟洪水演进过程；果鹏等［7］提出受淹对象失稳机制的洪水风险分析方法，评估蓄滞洪区的洪水风险等级，具有更好适用性。目前，蓄滞洪区的洪水风险分析逐渐成为众多学者的研究重点［8，9］。

飞来峡水库作为北江防洪体系的关键性工程，通过与潖江蓄滞洪区联合运用，可将下游北江大堤防洪标准由100年一遇提高到300年一遇，确保广州、佛山等城市的防洪安全。飞来峡水库自1999年投入运行以来，先后成功抗击了“05·6”珠江流域超100年一遇特大洪水，“06·7”和“13·8”北江近50年一遇洪水。飞来峡库区人口总数多、分布广，涉及的社会经济总量大，当启用库区临时蓄滞洪区调洪，将产生不同程度的淹没损失。在调蓄300年一遇洪水的情况下，飞来峡库区临时淹没影响人口约27.7万人，淹没耕地7 633 hm2。本文以飞来峡水库为主要研究对象，构建水力学模型模拟洪水演进过程，分析了沿程断面最高水位、洪水淹没面积与洪峰抵达时间，分析了库区临时蓄滞洪区不同年型与频率的洪水风险，有利于增强临时蓄滞洪区居民及管理工作人员的风险意识。

1 飞来峡库区临时蓄滞洪区概况

飞来峡水库位于广东省北江干流中游清远市境内，坝址控制流域面积34 097 km2，占北江流域面积的73%，总库容19.04亿m3，防洪库容13.36 亿m3，正常库容4.23 亿m3。库区临时淹没涉及英城、波罗坑、连江口和社岗4 处蓄滞洪区，各临时蓄滞洪区概况如表1。

表1 飞来峡库区临时蓄滞洪区概况Tab.1 Overview of the temporary flood storage and detention area in Feaixia Reservoir

2 模型方法

本文对河道采用一维水动力建模，对蓄滞洪区进行二维水动力建模，一维河道和二维洪泛区在堤岸处进行耦合模拟洪水演进过程。

2.1 河道内洪水演进模拟

在一维单宽水流情况下，圣维南方程组描述为：

式中：B为河面总宽度，m；H为水位，m；Q为流量，m3/s；s0为旁侧入流流量，m3/s；A 为断面面积，m2；Vx为旁侧入流在水流方向上的流速分量，m/s；K 为流量模数；α 为动量修正系数。对上式采用HLL格式的黎曼近似解计算一维模型通量。

2.2 洪泛区内洪水演进模拟

洪水在洪泛区的水流运动具有明显的二维特征，采用守恒型式的洪流方程作为控制方程：

2.3 一二维耦合洪水模拟

一维河道与二维洪泛区水流运动控制方程的统一形式表示为：

式中：D 为系数矩阵；∇F 表示变量F 对空间变量的偏导数和；S为源项；Ω为控制体范围；t为时间变量；Ts为持续时间。对上式采用中心形式的有限体积法求解一二维耦合模型［11］。

3 模型的构建及验证

3.1 模型的构建范围

本次模型的构建范围为飞来峡水库库区，北起北江干流马竞寮站，南至水库坝址，东起连江支流高道站，西至滃江支流长湖坝下，总面积606.6 km2。其中一维动库调洪模型范围从马竞寮至坝址河段总长约95.8 km；二维调洪模型的范围为飞来峡水库坝址以上的防洪保护区，包括英德、波罗坑、连江口及社岗4处临时蓄滞洪区。

3.2 边界条件

模型上边界条件为马径寮站、高道站、长湖站的实测流量；下边界条件为按照飞来峡水库调度规则确定的水位流量关系曲线。

3.3 模型率定与验证

3.3.1 参数率定

采用非恒定流变步长法进行多次试算，并综合考虑模型收敛及计算时间等因素，对模型的计算参数进行设定。北江干支流不同河段经过调整优化后的糙率取值见表2。

表2 北江流域干支流不同河段糙率取值Tab.2 Roughness value of different river sections of main tributaries in Beijiang River Basin

利用“68·6”和“82·5”两场典型洪水进行河道糙率率定，率定过程及最终模拟成果如下：“68·6”型洪水洪峰流量实测值为15 000 m3/s，计算洪峰流量为14 787 m3/s，相对误差为1.42%；“82.5”型洪水实测洪峰流量为18 000 m3/s，计算洪峰流量为17 307 m3/s，相对误差为3.85%。两场年型洪水横石站计算流量过程与实测流量过程基本一致，见图1。

图1 横石站实测和计算的流量过程线比较Fig.1 Comparison of flow process line measured and calculated at Hengshi station

3.3.2 模型验证

模型的验证利用了北江流域2006年7月和2008年6月发生的两场洪水的实测资料，验证结果见表3。

表3 干流主要水位站点验证结果Tab.3 Verification results of main water level stations in the main stream

模型验证结果表明，干流主要站点模拟水位的相对误差均小于3%。其中2008年6月场次洪水验证中，连江口绝对误差达0.59 m，与水位测量存在误差有关。总体而言，模拟成果具有较高精度，所构建的模型及设定的计算参数合理可行［12，13］。

4 洪水风险分析

根据率定的北江流域干支流不同河段糙率参数值（见表2），选取北江流域发生的两场典型洪水“68·6”型和“82·5”型进行动库调洪演算。对该两场典型洪水分别设计300、200、100和50年一遇共8 种工况，选取沿程英德大桥、盲仔峡、连江口以及坝址等典型断面，统计其沿程断面水位过程、洪水淹没面积以及洪峰抵达时间。结合基于DOM 及DEM 叠加图统计的库区人口与房屋调查数据，分析4处临时蓄滞洪区的淹没风险。

4.1 人口与房屋淹没分析

在“68·6”和“82·5”两种年型，重现期为50年、100年、200年和300年等不同频率洪水条件下，各临时蓄滞洪区所在处典型断面最高水位统计见表4。各临时蓄滞洪区涉及乡镇人口及房屋淹没统计见表5。

表4 不同工况下沿程断面最高水位 mTab.4 The highest water level along the section under different working conditions

表5 不同水位高程库区临时蓄滞洪区涉及乡镇人口及房屋淹没调查统计表Tab.5 Statistical table of temporary flood storage and detention areas in different water level elevation reservoir areas involving township population and housing flooding

可以看出，不同年型、不同重现期洪水沿程最高水位均呈相同的变化趋势：不同设计洪水依次经过英德大桥、盲仔峡、连江口及坝址处，沿程水位逐渐降低；相同年型下，洪水频率越小，沿程断面最高水位越大。以“68·6”年型300年一遇为例，坝址处最高洪水位达32.6 m，比水库防洪高水位31.17 m 超高1.43 m，距校核洪水位33.17 m 仅0.57 m，启用临时蓄滞洪区防洪十分迫切。结合调查统计数据，洪水重现期越大，各城镇的淹没房屋面积与受影响人口越多，洪灾损失越严重。其中，连江口镇所在地高程较低，其所处的连江口临时蓄滞洪区最先遭受洪水威胁；当遭遇100年一遇以上洪水时，英德镇淹没房屋面积及受影响人口倍增，面临最严重的洪灾损失。

4.2 淹没范围影响分析

通过模拟淹没分别得到8种设计工况的洪水淹没面积见表6。图2 给出了“68·6”年型50年、100年、200年和300年一遇洪水时，飞来峡库区临时蓄滞洪区的淹没范围示意图。

图2 “68·6”年型不同重现期洪水淹没范围示意图Fig.2 Schematic diagram of the“68·6”flood

表6 模拟洪水淹没面积统计表Tab.6 Statistical table of simulated flood inundation areas

从淹没数据及范围示意图可看出，两种年型洪水的淹没面积都随着洪水重现期的增大而增加。当发生300年一遇洪水时，整个库区临时蓄滞洪区的洪水淹没面积最大，在“68·6”年型洪水下，洪水淹没面积最大可达290 km2。

4.3 洪峰抵达时间分析

对8 种设计工况条件下，以河道内洪峰到达白石窑处的时刻为起始点，分别统计各设计工况条件下洪水由白石窑至英德大桥、盲仔峡、连江口及坝址的用时，见表7。

表7 典型断面洪峰抵达时间统计表 hTab.7 Statistics of flood peak arrival time of typical section

从结果可看出，“68·6”型洪水洪峰抵达坝址时间较短，而“82·5”型洪水洪峰抵达坝址时间略长。同时年型洪峰抵达时间随洪水频率的减小而缩短，如300年一遇洪水要比50年一遇洪水快2～3 h，即大洪水传播速度更快，临时蓄滞洪区启用时间越紧张。当遭遇300年一遇洪水，洪峰抵达英城临时蓄滞洪区只需3.0～4.5 h，抵达波罗坑临时蓄滞洪区需要5.5～6.5 h，抵达连江口蓄滞洪区需要6.0～7.0 h，抵达社岗临时蓄滞洪区仅需10.0～12.0 h，洪峰抵达时间之快使蓄滞洪区调度困难，也给人员及时转移带来极大的挑战。

5 结论与建议

（1）基于飞来峡库区地形地貌及北江干支流洪水特征，构建了洪水演进水动力数学模型。采用“68·6”和“82·5”两场典型洪水率定模型参数，通过流量过程线比较，洪峰流量误差较小；并利用2006年7月和2008年6月两场实测洪水资料进行模型验证，通过与干流主要水位站点的实测水位比较，水位误差较小。所构建的洪水演进模型参数设置合理，具有较高的精度，模拟结果可用于飞来峡库区临时蓄滞洪区洪水淹没风险分析。

（2）运用一维、二维及水力学耦合模型，模拟飞来峡库区临时蓄滞洪区洪水演进模型，设计“68.6”和“82.5”年型重现期分别为300年、200年、100年及50年共8种不同工况。以“68.6”年型300年一遇为例，沿程各典型断面均超过32 m，各临时蓄滞洪区人口与房屋均受不同程度的淹没影响，其中连江口临时蓄滞洪区地势较低洼，最先遭遇洪水风险；英城蓄滞洪区工农业总产值65.23 亿元，其中英城街道是英德市政治、经济、文化、教育与信息中心，一旦启用英城临时蓄滞洪区，转移迁安难度大且成本高［14-16］；整个飞来峡库区临时蓄滞洪区洪水淹没面积高达290 km2，洪峰抵达飞来峡库区各临时蓄滞洪区的时间不超过12 h，应及时启动英城、波罗坑、连江口及社岗临时蓄滞洪区安全转移预案。

（3）近年来异常天气多发，极端暴雨洪水事件频现，在北江流域遭遇大洪水时，为减轻下游防洪压力及保护重要城市安全，考虑启用库区临时蓄滞洪区滞纳部分洪水，区域内受淹没风险在所难免。因此，在非工程措施方面需要定期开展洪水情景模拟，调度时充分考虑临时蓄滞洪区的洪灾损失程度，并构建飞来峡水库实时预报调度模型，提高洪水预见性和科学决策水平，对淹没风险进行预判以提高风险防范意识，合理设计转移撤退路线，提前预报预警并做好人员转移避险预案的演练工作，强化“四预”措施以减少人员伤亡和财产损失。