佛山市高明区洪水风险水动力模型构建及预警

康志伟

（佛山市高明区海口泵站，广东 佛山 528000）

1 高明区概况[1-2]

1.1 自然地理与水文气象

佛山市高明区地处广东省中部，珠江三角洲西翼，区内形成一个西、南、北三面环山、西南向东北倾斜的狭长地形，区内多为海拔150m以下的低矮山岗和丘陵。 高明区雨量充沛，影响全区的灾害性天气主要有热带气旋（台风）、暴雨等。 高明区接近南海，经常受台风侵袭。 台风发生时，往往带来暴风雨和风暴潮。

据实测资料统计， 高明区多年平均降雨量1656mm，最大降雨量为2001年的2527.8mm，降雨量年内分配不均匀，汛期多年平均降雨量占全年降雨量的80.4%～82.6%。 暴雨具有次数多、强度大、历时长的特点，由于区域地形坡度较陡，汇流速度快，洪水暴涨暴落。 如遇上西江、北江发生洪水，外江洪潮水位较高的情况下，则洪水降落缓慢，不但本区暴雨产生的涝水难以排出， 还有外江洪水倒灌的压力，从而造成洪涝灾害。 由于本区由山丘和平原构成，降雨空间分布不是很均匀，也易造成洪水及泥石流灾害。

1.2 河流水系

高明区周边水系主要有西江干流， 高明区内河流众多，主要河道15条。其中属西江一级支流的有高明河， 流域面积100km2以上的二级支流有杨梅河和更楼河。河流众多，水量丰富，当区域内发生暴雨，同时西江干流洪水水位高涨， 此时高明河及其支流受西江水位顶托而高涨，而高明河蓄洪能力较差，洪水易涨难退，容易导致洪涝灾害。

西江是珠江的干流之一，全流程20.37km。 多年平均径流量2240亿m3，水位为2.10m。 西江洪水的特点是峰高量大、历时长、涨落较缓慢，洪水过程呈多峰或肥胖单峰型。 高明河流域的河段多为山地丘陵区，坡度较大，流量过程具有山区性河流暴涨暴落特点。 所以研究分析高明区的洪水模型对于预防洪灾具有非常重要意义。

2 高明区洪水风险分析

2.1 洪水风险分析方法及方案

高明区核心城区具备水动力学进行洪水风险分析的条件，洪水风险分析方法选用水动力学法［3］。 超标准洪水使用HEC-RAS模型计算，该水动力学模型有着强大的功能和良好的精度。

在西江干流发生50，100，200年一遇洪水情况下，计算单一口门溃决条件下的洪水淹没情况，十三围西江干流大堤设置2个溃口位置， 对应有6个计算方案。

2.2 模型构建与验证

根据珠江河网地形与水系资料等建立珠江三角洲一维河网模型，对高明区核心城区（十三围保护区）建立二维水动力学模型，在溃堤处建立一二维耦合模型结合溃堤计算进行洪水淹没演进分析计算。 模型边界的准确控制是提高洪水风险分析精度的必要条件，为确定合理的边界条件，必须充分考虑河道的连续性与整体性［4］。 模型主要边界条件处理如下：

（1）珠江河网一维模型边界条件取博罗、麒麟咀、老鸦岗、石角、高要、四会、石咀流量边界和下游八大口门潮位边界。

（2）十三围保护区二维水动力学模型边界条件主要是保护区设计暴雨过程、 高明河与杨梅河的各频率设计洪水过程。

2.2.1 珠江一维河网水动力学模型

基于圣维南方程， 一维河道非恒定流的水动力学连续方程为：

然后通过水量平衡关系， 在河道交汇处连接各河段：

式中 Q为流量；A为断面过水面积；n为糙率；i为底坡；R为水力半径。

一维模型构建：针对以西、北江为主的珠江三角洲的防洪保护区片区，河网水动力特性复杂，河网关联性大，由西江、北江、东江等水系、珠江干流与其他支流组成，它们之间相互联系、互相影响。 所以计算外江河道洪水和溃堤洪水应考虑在一致的河网模型下进行，针对本项目涉及到的西江干流河段，使用珠江三角洲河网地形资料， 建立珠江三角洲一维河网模型进行外江洪水演讲计算，共有2075个计算断面、1734 个 计 算 河 段、213 个 计 算 汊 点， 河 段 总 长 约1966.6km。

2.2.2 高明区核心城区（十三围保护区）二维水动力学模型

2.2.2.1 模型基本原理

随着数值计算方法和计算机技术的快速发展，二维水动力学模型已经成为水利工程界分析河道洪水、溃堤洪水和溃坝洪水时的常用技术手段［5-6］。 对于十三围保护区内的洪水演进模拟， 采用二维数学模型能够提供更加详细的水情信息。 二维水动力学模型的控制方程［7-8］如下所示：

连续方程：

2.2.2.2 二维模型构建

十三围保护区二维水动力学模型的建模工作如下：

（1）确定范围。根据保护区地形地理特征和洪水特征等确定计算的地理边界。

（2）剖分网格。 采用网格剖分工具进行网格剖分。 根据面积大小，确定最大三角形面积、 最小网格面积和最小角度，并形成网格数据，确定并设置各个单元网格的属性（包括 编号、编号、类型、高程、糙率、面积修正率等）。

（3）分析确定计算边界条件。保护区的计算边界条件包括高明河流量边界条件、 杨梅水流量边界条件、保护区内降雨边界条件。

（4）参数率定与验证。选择不少于两场有实测数据的河道洪水率定模型中河道洪水计算所需的有关参数，特别是河道糙率。

2.2.3 耦合模型

将河网一维与二维洪水非恒定流数学模型耦合计算，针对不同的研究区域，运用一、二维洪水演进模型，发挥模型的各自优势。模型耦合的实现靠洪水演进一维、 二维数学模型通过水流过渡面上的连接条件。水流过渡面是指堤防溃决后溃口的所在位置。模型耦合的关键在于准确描述溃口处内外水流信息的交互， 从而用于解决河道溃堤及溃堤水流演进问题。 河道溃口处的上下游水流信息交互示意如图1。

图1 一二维耦合模型溃口上下游水流交互信息示意图

二维计算单元在溃口处通过网格点连接至一维计算单元， 因为一维模型计算结果中的水力学参数为断面平均值， 通过计算得到的二维模型是各个网格的平均值， 因此需要在溃口连接处转化和衔接一维模型与二维模型的交互数据。 二维模型的边界条件是一维模型中的流量值Q，将该流量值分布至二维模型计算单元的流量边界上。 由于在连接处二维网格的水位值不等， 取各个计算网格水位的平均值代入一维模型，以计算下一时段，从而实现耦合计算一维、 二维模型。

2.3 洪水计算成果

2.3.1 西江50年一遇洪水

本方案模拟时段长度240h。 西江50年一遇设计洪水，北江相应洪水，遭遇口门多年平均高潮位。 溃口位置为江根段，宽度为450m，底高程5.5m，溃堤水位8.10m， 溃决方式采用瞬时全溃， 溃口最大流量2635m3/s，溃决累积水量2.95亿m3。 溃口流量过程计算结果如图2。

图2 溃口流量及溃口处内外水位图

由图2可知，t=91h河道水位达到溃决水位；在溃决发生初期，溃口流量迅速升高至最大值2635m3/s；之后随着保护区淹没水位升高， 溃口流量迅速降低。 在溃决发生后28h内（t=91～119h），溃口流量在2600～1500m3/s之间波动。随着洪峰过境外江水位下降、保护区内淹没水位升高，溃口流量降低，t=168h保护区内淹没水位等于外江水位；之后外江水位低于保护区内淹没水位，洪水通过溃口由保护区内流向河道。

2.3.2 西江100年一遇洪水

本方案模拟时段长度为240h。西江100年一遇设计洪水，北江相应洪水，遭遇口门多年平均高潮位。溃口位置为江35根段，宽度450m，底高程5.5m，溃堤水位8.40m，溃决方式采用瞬时全溃，溃口最大流量3137m3/s，溃决累积水量为3.30亿m3。 溃口流量过程计算结果如图3。

图3 溃口流量及溃口处内外水位图

由图3可知，t=88h河道水位达到溃决水位；在溃决发生初期， 溃口流量迅速升高至最大值3137m3/s；之后随着保护区淹没水位升高，溃口流量迅速降低。在溃决发生后28h内（t=88～128h），溃口流量在3100～1500m3/s之间。 随着洪峰过境外江水位降低、保护区内淹没水位升高，溃口流量降低，t=162h保护区内淹没水位等于外江水位； 之后洪水通过溃口由保护区内流向河道。

2.3.3 西江200年一遇洪水

本方案为十三围保护区江根段溃口， 模拟时段长度为240h。 西江200年一遇设计洪水，北江相应洪水，遭遇口门多年平均高潮位。 溃口位置为江根段，宽度450m，底高程5.5m，溃堤水位8.80m，溃决方式采用瞬时全溃，溃口最大流量3850m3/s，溃决累积水量3.70亿m3。 溃口流量过程计算结果如图4。

图4 溃口流量及溃口处内外水位图

由图4可知，t=87h河道水位达到溃决水位；在溃决发生初期， 溃口流量迅速升高至最大值3800m3/s；之后随着保护区淹没水位升高，溃口流量迅速降低。在溃决发生后28h内（t=87～115h），溃口流量在3100～2000m3/s之间。 随着洪峰过境外江水位下降、保护区内淹没水位升高，溃口流量逐渐降低，t=159h保护区内淹没水位等于外江水位； 之后洪水通过溃口由保护区内流向河道。

3 预防与预警

3.1 灾害监测

高明区洪涝灾害监测要素包含暴雨监测、 洪水监测、堤防工程信息监测、水利设施损毁信息。 监测时段应覆盖灾害发展的整个过程。

（1）暴雨。 水文部门在实测降雨量1h超过30mm，3h超过50mm，6h超过100mm时， 及时报告区三防指挥机构和相关单位。

（2）洪水。 水文部门负责确定洪水预警区域、级别和洪水信息发布范围， 并按程序向社会发布洪水预警。当江河发生超标准洪水时，每1h上报1次水情，每3h发布1次洪水预报。

（3）堤防工程信息。 区住建水利局应在每天20：00前向区三防指挥机构报告工程出险情况； 出现重大险情的， 应在险情发生后0.5h内报告区三防指挥机构。

（4）水利设施损毁信息。 水利设施损毁发生后，有关部门应及时向水行政主管部门报告损毁情况，区级水行政主管部门应收集动态灾情，全面掌握受灾情况，并及时向上一级水行政主管部门报告。 重大灾情在灾害发生后1h内将初步情况报区三防指挥机构。

3.2 超标洪水预警

西江流域佛山市主要控制站的水位（流量）将接近或达到50年一遇或达到或超过历史最高水位 （流量），水文部门发布洪水红色预警，当水位（流量）持续上升（增大），超过洪水红色预警标准，水文部门及时上报区三防指挥部， 由区三防指挥部发布超标洪水预警，洪水红色预警持续生效。

预防预警准备工作包括思想准备、组织准备、工程准备、物料准备、民生准备、通信准备等，区三防指挥部接到超标洪水预警后， 通过各类渠道如电视网络、广播媒体、微博、微信、手机短信等信息平台向社会发布。同时，将洪水预警情况及时通知各镇三防指挥部以区属各单位，各单位接到通知后要加强值班，密切注意江河水位情况，做好各项准备工作，随时参与防洪抢险。

4 结语

通过对西江高明段的洪水分析及采用HECRAS模型分析，建立了珠江三角洲一维河网模型，对高明区核心城区（十三围保护区）建立二维水动力学模型， 在溃堤处建立一二维耦合模型结合溃堤计算进行了洪水淹没演进分析计算。 计算了西江50，100，200年一遇洪水发生时， 堤防出现溃口后的洪水流量及溃口内外洪水水位变化过程， 并提出相应监测、预警措施。

研究高明非核心区、 计算河道的河网模型基于珠江三角洲一维河网模型，如需更精确的计算，应建立整个高明区的一维河网模型。