江西丰城市“2023.5”溃堤洪水险情反演与溃坝险情模拟分析

李德龙 许小华 黄 萍 张秀平 李亚琳 丁志雄

（1.江西省水利科学院，南昌 330000；2.江西省鄱阳湖流域生态水利技术创新中心，南昌 330000；3.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；4.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

2023年5月5—6日，江西丰城市清丰山溪上游降大暴雨，洪水频率超10年一遇，导致江西丰城市丽村镇清丰堤桩号K8+915—K8+946 段出现漫顶，随后出现溃口并引发洪涝灾害，同时受短历时强降雨影响，丰城市铁路镇牛坑水库溢洪道堵塞导致水位急剧上涨，随时有可能出现溃坝险情。

目前已有对类似洪水险情反演与模拟分析的相关研究[1-5]，主要方法包括水动力学方法、遥感监测方法等，且应用效果较好。为复盘江西丰城市溃堤洪水发生、发展过程，本文利用水动力学方法[6-7]反演了溃堤险情，并利用遥感监测方法[8-9]开展了洪涝灾害应急监测应用研究。为应对水库可能的溃坝险情，做好提前部署并最大限度降低受灾损失，本文利用水力学经验公式法快速分析了水库溃坝淹没范围。研究成果可为受灾区域的灾后评估和防洪应急抢险决策提供参考。

1 研究区概况

清丰堤位于江西樟树市观上镇、丰城市丽村镇境内，地处清丰山溪主流丰水河中游，距丰城市新城区约17 km。清丰堤全长15.69 km，其中樟树市观上镇段5.19 km，丰城市丽村镇段10.50 km。清丰堤起于洑溪桥河汇入丰水河，向南顺丰水河左侧向上，途经昌吉赣客运专线、石上镇、龙潭村、680乡道桥等地，至湖头村低山丘陵，向上跨越沿河低山，从简车陂对岸低山起，途经根竹至早禾田村低山丘陵。

牛坑水库位于丰城市铁路镇向阳村境内，距丰城市城区51.50 km，坝址处位于115.85°E、27.83°N，属清丰山溪流域丰水河支流，坝址以上控制流域面积2.04 km2，总库容38.32 万m3，设计灌溉面积133.33 hm2，实际灌溉面积100 hm2，是一座以灌溉为主兼顾防洪综合效益的小（2）型水库。水库正常蓄水位167.90 m（黄海高程），相应库容31.16万m3；死水位149.60 m，相应库容0.2万m3；设计洪水标准为10年一遇，设计洪水位169.25 m，相应库容36.32万m3；校核洪水标准为200年一遇，校核洪水位169.74 m，相应库容38.32 万m3；最大坝高25.90 m，坝顶高程170.55 m，坝顶长度113 m，坝顶宽度5 m。

2 险情分析

2.1 溃堤险情

5 月5—6 日，清丰山溪上游降特大暴雨，洪水频率超10 年一遇。5 月6 日6 时左右，清丰堤桩号K8+915—K8+946 段出现漫顶，7 时50 分左右,圩堤发生溃口并扩大，8 时30 分，溃口宽度发展到20 m 左右，11 时，溃口宽度发展到30 m 左右。溃口位于丰城市丽村镇尚山村清丰堤，在京九线铁路桥墩中间（图1）。漫堤溃口断面以上流域过程平均降雨量达295.9 mm，险情对4 个村小组200 余人的生命安全造成威胁，超过66.67 hm2农田被淹。

图1 清丰堤溃堤现场

2.2 大坝险情

牛坑水库库区两边为高山，地势较高，中间地势低平，上游约500 m 还有一座2016 年废弃小（2）型水库。受短历时强降雨影响，雨水汇流快且集中，库区水位急剧上涨，接近坝顶高程。同时，水库大坝右侧溢洪道受山体滑坡影响被堵塞，导致库区洪水下泄缓慢，另受上游废弃水库泄洪的影响，牛坑水库库容接近饱和状态（图2），极易给大坝带来安全隐患。

图2 水库库区险情

3 分析方法

3.1 水动力学方法

本文针对清丰堤溃堤险情，采用中国水利水电科学研究院自主研发的洪水分析软件，在溃堤范围内构建二维水动力学模型。模型将平面水流按二维非恒定流进行模拟，将有限体积法与有限差分法的优点相结合，采用无结构不规则网格对研究区域进行离散，在网格形心处计算水深，在网格周边通道上计算流量。

二维水力学模型的基本方程如下：

连续方程：

动量方程：

式中：H为水深，m；Z为水位，m；M、N分别为x、y方向的单宽流量，m3∕s；u、v分别为流速在x、y方向的分量，m∕s；n为糙率系数；g为重力加速度，9.8 m∕s2；t为时刻；q为源汇项。

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一维非恒定流基本方程如下：

式中：Q为流量，m3∕s；A为计算断面的过水面积，m2；Sl为摩阻坡降。

水深由连续方程对任一网格的显式离散化形式求得：

式中：Qik为通道的单宽流量，m3∕s；Lik为通道的宽度，m；Ai为网格面积，m2；AXY为网格的面积修正率；DT为时间步长的一半。

通道的单宽流量由动量方程的显式离散化格式计算，根据不同的通道类型采取不同离散格式。一般型通道是指河道内的通道和普通陆面通道，其动量方程中保留局地加速度项、重力项和阻力项，离散形式为：

式中：Zj1、Zj2分别为通道两侧网格的水位，m；DLj为空间步长，m；Hj为通道上的平均水深，m。

阻水型通道是指有阻水作用的堤防、道路等，在模型中作为阻水通道，采用堰流公式计算过流量，公式如下：

式中：Hj为通道上的平均水深，m；Qj为通道的单宽流量，m3∕s；b为宽顶堰的淹没出流系数；μ1为流量系数。

3.2 遥感监测方法

选用遥感监测中常用的哨兵1 号（Sentinel-1）卫星监测清丰堤溃堤淹没范围内的情况。Sentinel-1 卫星[10-12]于2014 年4 月发射，经过半年试运营后，2014 年10 月开始逐步走向应用，以其大范围、多模式、多应用的特点为更多用户提供数据服务。Sentinel-1 是一个全天时、全天候雷达成像系统，是欧洲委员会（European Commission，EC）和欧洲航天局（European Space Agency，ESA）针对哥白尼全球对地观测项目研制的首颗卫星。Sentinel-1基于C波段的成像系统采用4 种成像模式（分辨率最高5 m、幅宽达到400 km）来观测，具有双极化、短重访周期等特点和快速产品生产的能力，可精准确定卫星位置和姿态角。另外，采用预编程、无冲突的运行模式，可实现全球陆地、海岸带、航线的高分辨率监测，也可实现全球海洋的大区域覆盖，这也为同一地区的长时间序列监测提供了技术支撑。

Sentinel-1 得到的合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）数据需要进行预处理。采用完整的遥感图像处理平台（The Environment for Visualizing Images，ENVI）对SAR 数据进行辐射定标、多视、空间滤波、地理编码、重采样及地形校正等操作，实现强度与后向散射系数的转换、斑点噪声的去除、地理参考定义、几何失真纠正。采用双峰法从预处理后的SAR 数据提取洪涝淹没区水体，双峰法的原理为：当SAR 图像中水体面积较大时，图像的灰度直方图统计结果显示明显的双峰现象，而以双峰之间谷点对应的后向散射系数值作为分隔阈值，能把图像信息划分为水体和非水体两类，从而实现水体的提取。本文利用双峰阈值法提取水体的具体方法如下：①针对整个图像，选择含有水体和陆地两种类型的样本区；②针对样本区，进行直方图统计，获取局部图像后向散射系数值分布，呈现双峰现象；③针对样本区直方图统计结果，确定双峰之间的谷点后向散射系数值；④局部直方图统计的谷点后向散射系数值，作为整个图的全局分割阈值T，然后将SAR图像划分为水体与非水体两类，最终实现淹没区水体的提取。

3.3 经验公式法

针对牛坑水库溃坝洪水风险情况，采用水力学经验公式方法[13]辅助分析水库溃坝洪水对下游区域造成的影响范围。根据相关文献资料，溃口宽度可采用水利部黄河水利委员会经验公式，坝址处溃坝流量采用肖克列奇经验公式。

溃坝决口宽度分析计算公式如下：

式中：b为溃坝决口宽度，m；W为溃坝时蓄水量，m3；B为坝顶长度，m；H为坝高，m；k为经验系数（统一取1.3）。

坝址处的溃坝流量计算公式如下：

式中：Qm为坝址最大流量，m3∕s；B为坝顶长度，m；b为溃坝决口宽度，m；H0为溃坝前上游水深，m；g为重力加速度，9.8 m∕s2。

4 结果与分析

4.1 溃堤险情分析

利用二维水动力学模型计算得到尚山村清丰堤溃口的洪水淹没水深分布情况如图3 所示。利用洪水影响评估模型，计算分析尚山村清丰堤溃口受淹面积约2.92 km2，受灾人口约320 人，淹没耕地约100 hm2，区域内最大水深约4 m，平均水深0.9 m。溃堤洪水到达最远淹没区域约9 h。

图3 溃堤洪水淹没水深图

针对溃口处，选择2023 年4 月一期高分影像作为基准底图，利用5 月二期强降雨前后的Sentinel-1 卫星影像对比分析此次降雨事件对丰城市造成的影响。重点分析了溃口所造成的淹没范围，经分析计算得到溃口造成的淹没区域约为7 km2（图4）。与水动力学模型结果对比，遥感监测的淹没面积偏大，其原因主要是水动力学模型方法主要考虑的是受灾范围，而遥感监测方法除了包含受灾范围还考虑了受降雨影响的范围。

图4 遥感监测清丰堤溃堤淹没范围图

经调研发现，本次清丰堤溃口处在1991—1992 年建成后，受京九线铁路建设影响，导致该堤段防洪设计标准较低，易受洪水影响，存在安全隐患。尤其是遭遇此次暴雨洪水过程，致清丰溪河流水位急速上涨，造成该堤段漫顶，经洪水长时间浸泡，堤段土质松动，最终出现溃堤情况。

4.2 溃坝险情分析

牛坑水库上游500 m处有一座废弃的小（2）型水库，受强降雨影响，该水库持续自然下泄洪水，给牛坑水库带来安全隐患。因此，本文根据最不利原则，采用《水力计算手册》中的小型水库溃坝洪水风险分析简易计算公式分别对2 种情况进行分析计算：①牛坑水库瞬时溃坝对水库下游区域造成的影响，对应库容为38.32万m3；②牛坑水库与上游废弃水库库容叠加对下游区域造成的影响，对应库容为58.32万m3。

图5 为情况①条件下牛坑水库溃坝洪水风险成果图。经模拟分析，牛坑水库溃坝洪水淹没历时约40 min，下游区域受淹面积约1.78 km2，平均淹没水深约1.89 m，局部区域的最大淹没水深可达3 m以上。受淹区域主要以农田为主，包含部分村庄，如丰岩、东高、南边、背边、上后山及瑶前。

图5 情况①条件下牛坑水库溃坝洪水风险成果图

经现场查勘，水库下游中间区域以农田为主，居民住宅地分布在两侧，较中间区域高程抬高约50～80 cm，且下游区域与紫云山水库库区相连，地势高程较紫云山库区水位高约3～5 m。因此，溃坝洪水对水库下游区域造成的淹没范围影响较广，但汇集时间不长，不会对下游区域的人员财产造成较大损失。

图6 为情况②条件下牛坑水库溃坝洪水风险成果图。经模拟分析，牛坑水库溃坝洪水淹没历时近1 h，下游区域受淹面积2.01 km2，平均淹没水深约2.80 m，局部区域的最大淹没水深可达4 m以上。受淹区域主要以农田为主，包含部分村庄，如丰岩、东高、南边、背边、上后山及瑶前。

图6 情况②条件下牛坑水库溃坝洪水风险成果图

对比图5和图6可知，考虑上游废弃水库叠加影响后，水库淹没水深明显增加，受淹范围明显增大，但受影响村庄数量大致相同。

5 结 语

本研究重点采用了水动力学、遥感监测和水力学经验公式等方法，反演了溃堤险情并模拟分析了溃坝险情，及时有效支撑了此次险情决策工作，为灾后建设提供了较为合理的数据基础。从模拟结果看，水动力学方法模拟的溃堤洪水淹没范围面积近2.92 km2，区域内平均淹没水深约0.90 m；遥感监测的溃坝洪水受影响范围面积约7 km2；水力学经验公式法分析的溃坝险情最大淹没范围约2.01 km2，最大平均水深约2.80 m。经现场查勘，溃堤计算结果与实测受灾范围的吻合度较高，溃坝洪水淹没范围及趋势符合现场实际地形，模拟成果具有一定的合理性，可为相似险情的快速分析提供重要的技术参考。限于资料及工作量，本文对丰城市“2023.5”场次洪水的反演与模拟分析还比较初步，有待于进一步收集相关资料做下一步深入研究。