佛山市高明區洪水風險水動力模型構建及預警

康志偉

（佛山市高明區海口泵站，廣東 佛山 528000）

1 高明區概況[1-2]

1.1 自然地理與水文氣象

佛山市高明區地處廣東省中部，珠江三角洲西翼，區內形成一個西、南、北三面環山、西南向東北傾斜的狹長地形，區內多為海拔150m以下的低矮山崗和丘陵。 高明區雨量充沛，影響全區的災害性天氣主要有熱帶氣旋（臺風）、暴雨等。 高明區接近南海，經常受臺風侵襲。 臺風發生時，往往帶來暴風雨和風暴潮。

據實測資料統計， 高明區多年平均降雨量1656mm，最大降雨量為2001年的2527.8mm，降雨量年內分配不均勻，汛期多年平均降雨量占全年降雨量的80.4%～82.6%。 暴雨具有次數多、強度大、歷時長的特點，由于區域地形坡度較陡，匯流速度快，洪水暴漲暴落。 如遇上西江、北江發生洪水，外江洪潮水位較高的情況下，則洪水降落緩慢，不但本區暴雨產生的澇水難以排出， 還有外江洪水倒灌的壓力，從而造成洪澇災害。 由于本區由山丘和平原構成，降雨空間分布不是很均勻，也易造成洪水及泥石流災害。

1.2 河流水系

高明區周邊水系主要有西江干流， 高明區內河流眾多，主要河道15條。其中屬西江一級支流的有高明河， 流域面積100km2以上的二級支流有楊梅河和更樓河。河流眾多，水量豐富，當區域內發生暴雨，同時西江干流洪水水位高漲， 此時高明河及其支流受西江水位頂托而高漲，而高明河蓄洪能力較差，洪水易漲難退，容易導致洪澇災害。

西江是珠江的干流之一，全流程20.37km。 多年平均徑流量2240億m3，水位為2.10m。 西江洪水的特點是峰高量大、歷時長、漲落較緩慢，洪水過程呈多峰或肥胖單峰型。 高明河流域的河段多為山地丘陵區，坡度較大，流量過程具有山區性河流暴漲暴落特點。 所以研究分析高明區的洪水模型對于預防洪災具有非常重要意義。

2 高明區洪水風險分析

2.1 洪水風險分析方法及方案

高明區核心城區具備水動力學進行洪水風險分析的條件，洪水風險分析方法選用水動力學法［3］。 超標準洪水使用HEC-RAS模型計算，該水動力學模型有著強大的功能和良好的精度。

在西江干流發生50，100，200年一遇洪水情況下，計算單一口門潰決條件下的洪水淹沒情況，十三圍西江干流大堤設置2個潰口位置， 對應有6個計算方案。

2.2 模型構建與驗證

根據珠江河網地形與水系資料等建立珠江三角洲一維河網模型，對高明區核心城區（十三圍保護區）建立二維水動力學模型，在潰堤處建立一二維耦合模型結合潰堤計算進行洪水淹沒演進分析計算。 模型邊界的準確控制是提高洪水風險分析精度的必要條件，為確定合理的邊界條件，必須充分考慮河道的連續性與整體性［4］。 模型主要邊界條件處理如下：

（1）珠江河網一維模型邊界條件取博羅、麒麟咀、老鴉崗、石角、高要、四會、石咀流量邊界和下游八大口門潮位邊界。

（2）十三圍保護區二維水動力學模型邊界條件主要是保護區設計暴雨過程、 高明河與楊梅河的各頻率設計洪水過程。

2.2.1 珠江一維河網水動力學模型

基于圣維南方程， 一維河道非恒定流的水動力學連續方程為：

然后通過水量平衡關系， 在河道交匯處連接各河段：

式中 Q為流量；A為斷面過水面積；n為糙率；i為底坡；R為水力半徑。

一維模型構建：針對以西、北江為主的珠江三角洲的防洪保護區片區，河網水動力特性復雜，河網關聯性大，由西江、北江、東江等水系、珠江干流與其他支流組成，它們之間相互聯系、互相影響。 所以計算外江河道洪水和潰堤洪水應考慮在一致的河網模型下進行，針對本項目涉及到的西江干流河段，使用珠江三角洲河網地形資料， 建立珠江三角洲一維河網模型進行外江洪水演講計算，共有2075個計算斷面、1734 個 計 算 河 段、213 個 計 算 汊 點， 河 段 總 長 約1966.6km。

2.2.2 高明區核心城區（十三圍保護區）二維水動力學模型

2.2.2.1 模型基本原理

隨著數值計算方法和計算機技術的快速發展，二維水動力學模型已經成為水利工程界分析河道洪水、潰堤洪水和潰壩洪水時的常用技術手段［5-6］。 對于十三圍保護區內的洪水演進模擬， 采用二維數學模型能夠提供更加詳細的水情信息。 二維水動力學模型的控制方程［7-8］如下所示：

連續方程：

2.2.2.2 二維模型構建

十三圍保護區二維水動力學模型的建模工作如下：

（1）確定范圍。根據保護區地形地理特征和洪水特征等確定計算的地理邊界。

（2）剖分網格。 采用網格剖分工具進行網格剖分。 根據面積大小，確定最大三角形面積、 最小網格面積和最小角度，并形成網格數據，確定并設置各個單元網格的屬性（包括 編號、編號、類型、高程、糙率、面積修正率等）。

（3）分析確定計算邊界條件。保護區的計算邊界條件包括高明河流量邊界條件、 楊梅水流量邊界條件、保護區內降雨邊界條件。

（4）參數率定與驗證。選擇不少于兩場有實測數據的河道洪水率定模型中河道洪水計算所需的有關參數，特別是河道糙率。

2.2.3 耦合模型

將河網一維與二維洪水非恒定流數學模型耦合計算，針對不同的研究區域，運用一、二維洪水演進模型，發揮模型的各自優勢。模型耦合的實現靠洪水演進一維、 二維數學模型通過水流過渡面上的連接條件。水流過渡面是指堤防潰決后潰口的所在位置。模型耦合的關鍵在于準確描述潰口處內外水流信息的交互， 從而用于解決河道潰堤及潰堤水流演進問題。 河道潰口處的上下游水流信息交互示意如圖1。

圖1 一二維耦合模型潰口上下游水流交互信息示意圖

二維計算單元在潰口處通過網格點連接至一維計算單元， 因為一維模型計算結果中的水力學參數為斷面平均值， 通過計算得到的二維模型是各個網格的平均值， 因此需要在潰口連接處轉化和銜接一維模型與二維模型的交互數據。 二維模型的邊界條件是一維模型中的流量值Q，將該流量值分布至二維模型計算單元的流量邊界上。 由于在連接處二維網格的水位值不等， 取各個計算網格水位的平均值代入一維模型，以計算下一時段，從而實現耦合計算一維、 二維模型。

2.3 洪水計算成果

2.3.1 西江50年一遇洪水

本方案模擬時段長度240h。 西江50年一遇設計洪水，北江相應洪水，遭遇口門多年平均高潮位。 潰口位置為江根段，寬度為450m，底高程5.5m，潰堤水位8.10m， 潰決方式采用瞬時全潰， 潰口最大流量2635m3/s，潰決累積水量2.95億m3。 潰口流量過程計算結果如圖2。

圖2 潰口流量及潰口處內外水位圖

由圖2可知，t=91h河道水位達到潰決水位；在潰決發生初期，潰口流量迅速升高至最大值2635m3/s；之后隨著保護區淹沒水位升高， 潰口流量迅速降低。 在潰決發生后28h內（t=91～119h），潰口流量在2600～1500m3/s之間波動。隨著洪峰過境外江水位下降、保護區內淹沒水位升高，潰口流量降低，t=168h保護區內淹沒水位等于外江水位；之后外江水位低于保護區內淹沒水位，洪水通過潰口由保護區內流向河道。

2.3.2 西江100年一遇洪水

本方案模擬時段長度為240h。西江100年一遇設計洪水，北江相應洪水，遭遇口門多年平均高潮位。潰口位置為江35根段，寬度450m，底高程5.5m，潰堤水位8.40m，潰決方式采用瞬時全潰，潰口最大流量3137m3/s，潰決累積水量為3.30億m3。 潰口流量過程計算結果如圖3。

圖3 潰口流量及潰口處內外水位圖

由圖3可知，t=88h河道水位達到潰決水位；在潰決發生初期， 潰口流量迅速升高至最大值3137m3/s；之后隨著保護區淹沒水位升高，潰口流量迅速降低。在潰決發生后28h內（t=88～128h），潰口流量在3100～1500m3/s之間。 隨著洪峰過境外江水位降低、保護區內淹沒水位升高，潰口流量降低，t=162h保護區內淹沒水位等于外江水位； 之后洪水通過潰口由保護區內流向河道。

2.3.3 西江200年一遇洪水

本方案為十三圍保護區江根段潰口， 模擬時段長度為240h。 西江200年一遇設計洪水，北江相應洪水，遭遇口門多年平均高潮位。 潰口位置為江根段，寬度450m，底高程5.5m，潰堤水位8.80m，潰決方式采用瞬時全潰，潰口最大流量3850m3/s，潰決累積水量3.70億m3。 潰口流量過程計算結果如圖4。

圖4 潰口流量及潰口處內外水位圖

由圖4可知，t=87h河道水位達到潰決水位；在潰決發生初期， 潰口流量迅速升高至最大值3800m3/s；之后隨著保護區淹沒水位升高，潰口流量迅速降低。在潰決發生后28h內（t=87～115h），潰口流量在3100～2000m3/s之間。 隨著洪峰過境外江水位下降、保護區內淹沒水位升高，潰口流量逐漸降低，t=159h保護區內淹沒水位等于外江水位； 之后洪水通過潰口由保護區內流向河道。

3 預防與預警

3.1 災害監測

高明區洪澇災害監測要素包含暴雨監測、 洪水監測、堤防工程信息監測、水利設施損毀信息。 監測時段應覆蓋災害發展的整個過程。

（1）暴雨。 水文部門在實測降雨量1h超過30mm，3h超過50mm，6h超過100mm時， 及時報告區三防指揮機構和相關單位。

（2）洪水。 水文部門負責確定洪水預警區域、級別和洪水信息發布范圍， 并按程序向社會發布洪水預警。當江河發生超標準洪水時，每1h上報1次水情，每3h發布1次洪水預報。

（3）堤防工程信息。 區住建水利局應在每天20：00前向區三防指揮機構報告工程出險情況； 出現重大險情的， 應在險情發生后0.5h內報告區三防指揮機構。

（4）水利設施損毀信息。 水利設施損毀發生后，有關部門應及時向水行政主管部門報告損毀情況，區級水行政主管部門應收集動態災情，全面掌握受災情況，并及時向上一級水行政主管部門報告。 重大災情在災害發生后1h內將初步情況報區三防指揮機構。

3.2 超標洪水預警

西江流域佛山市主要控制站的水位（流量）將接近或達到50年一遇或達到或超過歷史最高水位 （流量），水文部門發布洪水紅色預警，當水位（流量）持續上升（增大），超過洪水紅色預警標準，水文部門及時上報區三防指揮部， 由區三防指揮部發布超標洪水預警，洪水紅色預警持續生效。

預防預警準備工作包括思想準備、組織準備、工程準備、物料準備、民生準備、通信準備等，區三防指揮部接到超標洪水預警后， 通過各類渠道如電視網絡、廣播媒體、微博、微信、手機短信等信息平臺向社會發布。同時，將洪水預警情況及時通知各鎮三防指揮部以區屬各單位，各單位接到通知后要加強值班，密切注意江河水位情況，做好各項準備工作，隨時參與防洪搶險。

4 結語

通過對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維河網模型，對高明區核心城區（十三圍保護區）建立二維水動力學模型， 在潰堤處建立一二維耦合模型結合潰堤計算進行了洪水淹沒演進分析計算。 計算了西江50，100，200年一遇洪水發生時， 堤防出現潰口后的洪水流量及潰口內外洪水水位變化過程， 并提出相應監測、預警措施。

研究高明非核心區、 計算河道的河網模型基于珠江三角洲一維河網模型，如需更精確的計算，應建立整個高明區的一維河網模型。