山區水庫潰壩洪水演進模擬研究

摘 要：山區水庫潰壩事件會導致嚴重的洪水泛濫，對下游地區和社區構成巨大威脅。本文旨在綜合采用衛星遙感圖像和高分辨率數字高程模型等多源數據，以廣州市黃龍帶水庫為例，利用HEC-RAS潰壩模型對水庫主壩潰決后水流從壩口至下游的演進過程進行模擬。模擬結果表明，通過準確地刻畫地理環境，可以更好地模擬山區水庫潰壩后洪水的演進過程，黃龍帶水庫潰壩可能導致下游6個鎮（街）共計67個村（社區）受淹。該研究成果有助于提高對水庫潰壩模擬的準確性和可應用性的認識，提前預警可能的水庫潰壩影響范圍，為防災減災工作提供更精準的信息。

關鍵詞：水庫潰壩；洪水演進；潰壩模擬

中圖分類號：TV 139" " 文獻標志碼：A

0 研究背景

山區地理環境復雜，水庫通常修建在山脈間，地勢起伏較大，且下游往往散布村莊和農田，一旦發生潰壩事件，很可能導致巨大的災害和損失[1]。因此，通過深入研究水庫潰壩現象，揭示潰壩機理、預測潰壩過程，對制定相應的防災減災措施具有重要意義[2]。

水庫潰壩模擬研究在數值模擬方法、模型精度和數據支持等方面取得了重要進展[3]。數值模擬方法方面，有限元法和計算流體動力學等技術的應用不斷提高了模擬的準確性和可信度。同時，采用精細衛星遙感圖像和精細數字高程模型等多源數據，在不同尺度上實現水庫潰壩模擬。這種綜合數據集成有助于更準確地刻畫復雜地理環境，提高了模擬的真實性。

盡管水庫潰壩模擬研究已取得了一些進展，但仍存在以下不足。首先，對復雜地理環境下的模擬需要更多高分辨率數據，尤其是遙感數據和地形測繪數據。其次，模型的參數化和驗證需要更多的實際案例數據支持，以確保模擬的可靠性。因此，本文以廣州市黃龍帶水庫為例，通過引入精細的地形和糙率場數據，對山區水庫潰壩進行模擬研究，以期為應對水庫潰壩事故提供科學依據。

1 水庫潰壩洪水演進模型構建

1.1 潰壩洪水演進的數值模型構建

水庫潰壩模擬是一項復雜而關鍵的研究工作，需要綜合運用多個學科的方法與技術。目前，水庫潰壩洪水演進的數值模擬方法主要基于連續性方程的離散化，通過邊界條件和初始條件來模擬水流在下游的演進過程。通過迭代求解離散化的代數方程組，可以模擬水庫潰壩過程的時間演變和空間分布，為預測潰壩過程和評估影響提供有效依據。而模型構建的步驟主要如下。1）模型邊界條件的構建。潰壩洪水模擬的邊界主要包括下游地形表面模型、下游不同地表的糙率場、潰口的流量過程等。在水庫潰壩模擬中，下游地形表面模型可通過數字高程模型（DEM）獲取，主要用于確定洪水泛濫的范圍、洪水的傳播路徑和擴散情況，為模擬結果提供真實的地理環境。而糙率是描述地表表面粗糙程度的參數，對水流的阻力和波浪的傳播有重要影響。不同類型的地表，例如草地、森林、建筑等，其糙率不同，會導致水流和波浪的傳播特性存在差異。潰口的流量過程是指根據泄流過程的模擬結果，得到瞬時的流量數據，描述潰口決堤過程中流量的變化，是水庫潰壩過程模擬的關鍵。潰口的流量受多種因素影響，例如潰口尺寸、決堤位置、土體破壞特性等。2）模擬區的離散化與迭代求解。為了進行計算，需要將水力學的偏微分方程離散化為代數方程。這涉及將模擬區域劃分為網格或單元，通過在每個網格或單元上離散化方程來近似描述區域內的物理過程。通過迭代求解離散化的代數方程組，模擬水庫潰壩洪水演進過程的發展。而迭代求解將根據初始條件和邊界條件，從初始時刻逐步更新模擬區域內的物理量，例如水位、水流速度等。

隨著計算能力的增強，水庫潰壩模擬也能夠進行更復雜、更高分辨率的計算。采用高性能計算集群可以精細模擬大型水庫的潰壩過程，其中包括洪水泛濫、決口形成和波浪傳播等復雜的物理現象。通過提高模型的分辨率，本文提高了在洪水泛濫預測方面的精度提高，有助于提前警示可能的淹沒區域，從而提高應急響應的效率。

1.2 HEC-RAS水動力模型

水動力模型HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團水文工程中心開發的計算程序，常被應用于洪水模擬分析，目前包括水動力模型（一維/二維）、泥沙分析模型和潰壩模型等，具備耦合水工建筑物（例如橋梁、堤壩、涵管等）的能力，在洪泛區評估、水利設計和潰壩評估等方面具有廣泛的應用。其中，HEC-RAS潰壩模型是一種半參數化、半物理化的數學模型。其使用參數化模型預測最終潰口參數，又基于簡化的物理潰壩機制，解算潰口從起始到最終發展結束的出流過程。其二維模型主要包括兩類方程，淺水方程和擴散波方程，具體如下。1）淺水方程是從質量方程、動量方程的守恒中推導得出的，當垂直方向的尺度遠小于水平方向的尺度時，垂直方向上流速及水深等水力參數的變化則遠小于水平方向上的變化，此時沿水深方向對三維Navier-Stokes方程進行積分并取平均，即可得到沿水深平均的二維淺水流動質量和動量守恒方程組，如公式（1）～公式（3）所示。2）對擴散波方程來說，底部摩擦力等于壓力梯度。水面的坡度受摩擦坡度的影響，當不考慮對流加速度、局部加速度、科里奧利效應和黏度（湍流）時，如公式（4）、公式（5）所示。

式中：H為水體表面高程；v為水體在x方向的速度；u為水體在y方向的速度；h為水深深度；g為重力加速度；f為科氏參數；vt為水平渦黏性系數；cf為底摩擦系數。

式中：ΔH為水面高程梯度；q為源通量項；n為曼寧系數；R為水力半徑。

2 實例分析

2.1 黃龍帶水庫概況

黃龍帶水庫位于廣州市從化區東北部、流溪河支流汾田水的下游，興建于1972年12月，1973年3月正式動工，1975年11月完工，1976年1月下閘蓄水投入運行，1980年完成竣工驗收，是一宗以灌溉為主，兼顧防洪、發電等綜合運用的中型水庫，其中水庫防洪調度的任務主要是保障大壩的安全和下游良口鎮、溫泉鎮、城郊街、街口街、江埔街、太平鎮等防洪安全，如圖1所示。水庫集雨面積92.30km2，壩址以上干流河長21km。水庫正常蓄水位175.01m，相應庫容8289萬m3；水庫100a一遇設計洪水位175.90m，相應庫容8726萬m3；1000a一遇校核洪水位176.62m，總庫容9097萬m3。本文主要利用HEC-RAS潰壩模型，針對水庫主壩潰決后水流從壩口至水庫下游的演進過程進行模擬。

2.2 模型邊界條件的構建

潰壩模型的構建以下游地形、地表糙率以及潰口流量過程的確定最重要。本文所構建模型所需的輸入數據處理與生成步驟主要如下。

2.2.1 下游地形表面模型

數字高程模型（DEM）是通過遙感技術（例如衛星影像或激光雷達）獲取的高程數據，可通過其獲取下游地形的高程信息。本文采用空間分辨率為12.5m×12.5m的DEM，經鑲嵌和裁剪處理后用于模型計算。

2.2.2 下游不同地表的糙率場

在水庫潰壩模擬中，通常將下游的地表分成不同類型，并為每種地表設置相應的糙率值。根據已有研究資料，本文根據不同土地覆蓋類型的糙率范圍值，通過實際調查情況確定相應的糙率值，見表1。

2.2.3 潰口的流量過程

水庫發生潰壩的形式主要與大壩的筑壩材料、壩型以及上游來水方式等因素有關，主要分為瞬時潰決和逐步潰決。黃龍帶水庫大壩為漿砌石重力壩，由于壩體剖面尺寸較大，壩內應力水平較低，筑壩材料通常也強度高、耐久性好，因此其設計安全可靠度高，抵抗洪水漫頂、滲漏、地震能力比較強，抗滑穩定能力也較強。因此，本文假設其潰決形式為水庫大壩瞬時全部潰決，參考已有研究瞬時潰決的最大潰壩流量計算公式，如公式（6）所示。

而其潰口流量如公式（7）所示。

式中：Qmax為潰口處的最大潰決流量；b為潰口寬度；H0為潰壩前上游水深；W為水庫庫容；t為洪水排水歷時。

結合黃龍帶水庫實際情況及下游重要保護目標，從最不利角度考慮，假設其遭遇1000a一遇（校核洪水），庫水位從正常蓄水位持續上升至校核洪水位176.62m（相應庫容9097萬m3）時，大壩發生重大工程險情，水庫發生瞬時全部潰決，可計算得潰口最大流量為5208.81m3/s，潰口流量過程如圖2所示。可見，發生潰壩后，潰口處的潰壩流量在初始時刻最大，隨后迅速減小，120min后潰壩流量基本穩定，1020min后庫容全部被排空。

2.3 山區潰壩洪水演進模型的構建

根據《洪水風險圖編制導則》（SL 483—2017）中關于河道洪水、水庫潰壩洪水計算范圍的確定方法，選定洪水風險計算范圍，適當擴大至下游區域，計算范圍覆蓋從化、花都、白云等區，研究范圍約1600km2。本文利用HEC-RAS水動力模型模擬黃龍帶水庫的潰壩洪水演進過程，根據上述構建的邊界條件，假定上游水庫的初始水位為水庫的正常蓄水位，水庫下游的初始時刻為干河床。上游邊界條件取黃龍帶水庫1000a一遇的校核洪水入庫流量過程。下游邊界條件設為自由出流邊界，即當下泄洪水傳播到下邊界時，自由出流。而河床底部則設置為閉邊界，其不與外界進行水量交換，即法向流速為0。

此外，網格的劃分會影響物理特征以及流動行為的規模，其分辨率會對模型運行結果產生直接影響。而網格劃分的大小受限于多種因素，包括研究區面積大小、地形數據的精細程度、模型輸出結果的時間分辨率、運行成本等。本文根據水庫下游邊界情況劃分網格，計算網格不與邊界相接的網格是正四邊形，其中正四邊形網格平均大小為500m×500m，而與邊界相交的為適應復雜邊界（采用不規則多邊形，最多限于八邊形的網格）。由于研究范圍較大，計算耗時較長，模擬時間設置為72h，時間步長為15s。基于以上的參數設置，對研究區的潰壩洪水演進過程進行模擬。

2.4 模擬結果及分析

2.4.1 水量平衡分析

為保證模型模擬結果的準確性，可以通過下游下泄水量與河道淹沒水量的平衡進行驗證。首先，該方法主要是通過計算水庫發生潰壩后某時間段內的下泄總水量。其次，統計下游河道淹沒區的淹沒總水量，通過對比兩者結果之間的差異，分析其中的相對誤差（對比結果見表2）。這樣的驗證過程有助于確保模擬結果的可信度和合理性。分別選取潰壩后30min、60min、120min的下泄水量與淹沒水量情況進行對比，發現其最大相對誤差為3.12%，在合理范圍內。因此，通過水量平衡的對比分析可以認為，本文的模擬結果是合理的。

2.4.2 潰壩洪水影響范圍分析

根據模型計算結果，洪水到達從化區太平鎮神崗一帶后已處于河道范圍內，水位平穩，影響范圍主要在從化區轄區內。通過模擬計算潰壩洪水過程得到的淹沒范圍、淹沒水深等要素，與土地利用/土地覆蓋數據（如居住用地、農田等）進行空間疊置分析。同時，考慮保護區內的社會經濟情況，通過空間地理關系拓撲疊加，將洪水淹沒特征分布與社會經濟特征分布相結合。這樣可以獲取潰壩洪水影響范圍內不同淹沒水深、不同行政區的社會經濟情況，進而明確潰壩洪水對不同類型財產的影響情況。

根據潰壩后下泄洪水演進的過程模擬，發生潰壩后，下泄洪水從潰口處傾泄，導致河流水位上升，超過了河道的承載能力。隨即開始溢出河道，形成洪水，下游淹沒水深超3m以上。隨后，洪水迅速沿河道向下游流動，到達良口鎮、溫泉鎮等，沿岸地區和低洼地區進一步被淹沒，120min后下泄水流趨于穩定，洪水水位開始逐漸回落。淹沒水深從上游向下游逐漸遞減，其中良口鎮淹沒水深最大，為2m～3m。

經模型計算，黃龍帶水庫瞬間全部潰決后，淹沒范圍主要涉及下游從化區良口鎮、溫泉鎮、城郊街、街口街、江埔街、太平鎮等6個鎮（街）共計67個村（社區）。扣除河道內面積，基于從化區人民政府公布的2022年經濟運行情況和人口情況，計算統計得各鎮（街）淹沒面積、淹沒村（社區）數量、受影響人口、受影響GDP，見表3。可見，當發生潰壩后，下游淹沒面積可達56.68km2，其中良口鎮的淹沒面積最大，達18.33km2。而太平鎮的受影響人口及受影響GDP最大，分別為5668人和35221萬元。

此外，目前黃龍帶下游河道安全泄量為400m3/s，水庫潰壩主要影響下游流溪河兩岸低洼區域。根據影響范圍內人口分布、社會經濟發展程度、交通干線重要性等確定防洪重點保護對象。1）居民密集區，例如良口鎮城區、溫泉鎮城區及沿河度假村、太平鎮經濟開發區等。2）重要城市主干道，例如御泉大道、溫泉大道、河濱北路（南路）、沿江北路（南路）等，大廣高速、汕湛高速、派街高速、從埔高速等高速公路，以及廣州地鐵14號線等重要交通干線。3）沿河電廠及輸配電設施，例如溫泉水廠、第三水廠、河東水廠、開發區水廠等自來水廠，各類危化品企業或倉庫等城市生命線工程。4）下游沿河的梯級攔河壩，例如良口壩、勝利壩、青年壩、溫泉人工湖壩、衛東壩等。5）其他重點民生保護對象，例如溫泉度假村、從都國際會議中心、沿河兩岸學校、醫療衛生機構等。

3 結語

本文以黃龍帶水庫為例，針對其山區水庫的特點，基于HEC-RAS水動力模型構建了精細的潰壩洪水演進二維模型，通過分析潰壩后下游下泄水量與河道淹沒水量，證明模型結果合理可行。模擬結果表明，利用精細的水動力模型能夠對山區水庫潰壩后的下泄洪水演進過程進行合理的模擬。黃龍帶水庫潰壩可能導致下游6個鎮（街）共計67個村（社區）受淹，可根據模擬結果重點關注防洪保護對象，制定相關預警及人員疏散方案。

參考文獻

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