2025-07-02 4216 0
https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2025.102495 摘要 研究區(qū)域：中國(guó)長(zhǎng)江中游洞庭湖地區(qū) 研究重點(diǎn)：本文旨在開(kāi)發(fā)一種耦合多級(jí)堤防潰決與洪水演進(jìn)的高效數(shù)值方法，用于模擬多級(jí)堤防級(jí)聯(lián)失效全過(guò)程。以研究區(qū)域1996年與2024年兩起典型事件為例，揭示堤防級(jí)聯(lián)失效的災(zāi)害放大效應(yīng)，量化多級(jí)堤防的緩沖作用，并評(píng)估應(yīng)急減災(zāi)措施的有效性。 區(qū)域水文新見(jiàn)解：與2024年單堤防潰決相比，1996年二級(jí)級(jí)聯(lián)堤防潰決的主因是潰口#1形成后洞庭湖水位持續(xù)上漲，加速了潰口擴(kuò)展與洪水演進(jìn)過(guò)程。第二級(jí)堤防潰決引發(fā)潰口#1的二次侵蝕擴(kuò)張，致使其潰口寬度增大2倍且二級(jí)洪水破壞力更強(qiáng)。基于四種情景的減災(zāi)措施分析表明：及時(shí)封堵潰口#1可使?jié)⒖?2寬度減少2/3，最大淹沒(méi)率降低1/3；及時(shí)加固第二級(jí)堤防可阻斷或延緩多級(jí)堤防的級(jí)聯(lián)失效，為應(yīng)急救援提供有效時(shí)間。 研究背景 全球主要流域的填海造地與蓄滯洪區(qū)建設(shè)促進(jìn)了多級(jí)堤防系統(tǒng)的形成，雖提升了防洪韌性，但增加了堤防級(jí)聯(lián)失效的風(fēng)險(xiǎn)。目前，對(duì)于級(jí)聯(lián)堤防失效的觸發(fā)機(jī)制、災(zāi)害后果放大效應(yīng)以及有效的減災(zāi)策略研究仍存在不足。 通過(guò)歷史案例研究、實(shí)地調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，學(xué)者們揭示了包括漫頂、集中滲流、反向侵蝕、接觸沖刷、流土和管涌等多種堤防失效機(jī)制。在堤防潰決洪水模擬方面，當(dāng)前二維耦合方法的計(jì)算效率相對(duì)較低。此外，現(xiàn)有潰堤洪水分析多采用單階段失效方法，忽略了多階段潰決的級(jí)聯(lián)效應(yīng)及其放大災(zāi)害影響的潛力，僅依賴(lài)單階段潰口模型會(huì)導(dǎo)致對(duì)洪峰流量及其相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的顯著低估。 迄今為止，仍缺乏通過(guò)耦合多級(jí)潰口動(dòng)態(tài)演變與潰堤洪水演進(jìn)的高效方法，來(lái)模擬多級(jí)堤防系統(tǒng)級(jí)聯(lián)失效全過(guò)程。為填補(bǔ)這一空白，本研究提出了一種有效數(shù)值方法，用于模擬由多級(jí)堤防連續(xù)潰決引發(fā)的級(jí)聯(lián)洪水。本研究以洞庭湖地區(qū)的兩個(gè)具體案例為基礎(chǔ)，對(duì)不同級(jí)聯(lián)失效情景進(jìn)行了綜合分析，重點(diǎn)關(guān)注多級(jí)潰口發(fā)展規(guī)律和洪水演進(jìn)模式，并進(jìn)一步量化了多級(jí)堤防區(qū)域級(jí)聯(lián)洪水災(zāi)害緩解措施的有效性，為應(yīng)急管理中的科學(xué)決策提供理論依據(jù)。 研究區(qū)域和歷史災(zāi)害回顧 01 區(qū)域概況 圖1(a)為洞庭湖區(qū)域水系圖，圖1(b)為團(tuán)洲垸的多級(jí)堤防體系，一級(jí)堤防總長(zhǎng)20.8千米，位于洞庭湖西北岸；二級(jí)堤防長(zhǎng)14.35千米，是團(tuán)洲垸與錢(qián)南垸的分界線(xiàn)；三級(jí)堤防位于錢(qián)南垸西側(cè)，以保護(hù)相鄰的新勝大垸。 圖1 研究區(qū)域：(a)洞庭湖區(qū)域水系圖；(b)團(tuán)洲垸三級(jí)堤防系統(tǒng) 圖2為通過(guò)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量獲取的團(tuán)洲垸一、二級(jí)堤防代表性橫截面：堤頂高程分別為37米和36.5米，坡度在1:2.5至1:3之間。 圖2 團(tuán)洲垸兩級(jí)堤防的橫截面 圖3為城陵磯水文站在1996年和2024年洪水事件的水位記錄。這兩次事件峰值水位均超過(guò)了33米的警戒水位，造成了2024年團(tuán)洲垸一級(jí)堤防潰口，以及1996年的兩級(jí)堤防潰口。 圖3 城陵磯站水位時(shí)程曲線(xiàn)：(a) 2024年；(b) 1996年 02 歷史堤防潰決事件 圖4為2024年7月5日的洞庭湖團(tuán)洲垸一級(jí)堤防潰決前后的光學(xué)影像。6日12時(shí)左右，潰口寬度達(dá)到226米，垸內(nèi)平均水深約5米。8日22時(shí)潰口完全封堵，9日8時(shí)啟動(dòng)排水，至12日，報(bào)告46起二級(jí)堤防滲漏與管涌險(xiǎn)情，未發(fā)生連續(xù)潰堤。 圖4 2024年團(tuán)洲垸一級(jí)堤防潰堤前(a)、后(b)光學(xué)遙感影像 圖5為1996年7月19日一級(jí)、二級(jí)堤防潰決后的光學(xué)影像。19日，一級(jí)堤防潰決，潰口寬度達(dá)295米；20日，二級(jí)堤防發(fā)生管涌，潰口寬度達(dá)314米，同時(shí)，一級(jí)堤防潰口因洪水侵蝕最終擴(kuò)展至495米。造成6.5萬(wàn)人受影響，17人死亡。直到8月14日洞庭湖退洪后開(kāi)始兩處潰口修復(fù)和排水。 圖5 1996年團(tuán)洲垸(a)一級(jí)、(b)二級(jí)堤防潰后光學(xué)遙感影像 數(shù)值模擬方法 01 基于侵蝕的堤防潰決模型 該模型包含三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：土壤可蝕性、潰口流量和潰口幾何形態(tài)。 土壤侵蝕速率采用Hanson和Simon在2001年提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。本研究利用洞庭湖地區(qū)可用的土壤參數(shù)范圍，計(jì)算出堤防地質(zhì)條件. 本研究潰口流量計(jì)算采用寬頂堰流假定，并引入一個(gè)修正因子ksm以考慮下游水位的影響。潰口幾何形態(tài)的演變過(guò)程被劃分為四個(gè)階段，如圖6所示。 圖6 堤防潰決過(guò)程的四個(gè)階段 02 洪水演進(jìn)模型 采用一個(gè)集成的數(shù)值模型EDDA進(jìn)行模擬，模型的控制方程為淺水方程（SWE），采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值求解，如圖7所示。 圖7 有限體積法示意圖 03 數(shù)值耦合框架 堤防潰決模型與洪水演進(jìn)模型在同一程序中實(shí)現(xiàn)耦合計(jì)算，并在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)執(zhí)行耦合操作，計(jì)算流程如圖8所示。其計(jì)算流程如下：初始化設(shè)置潰口1的初始幾何形態(tài)與下游水位；基于潰堤模型計(jì)算潰口1首時(shí)段流量Qin-1，作為洪水淹沒(méi)模型的邊界條件執(zhí)行第一個(gè)區(qū)域洪水演進(jìn)，得到潰口1下游水位Hdown-1和潰口2上游水位Hup-2。若多級(jí)堤防失效，則重復(fù)計(jì)算迭代。 圖8 堤防級(jí)聯(lián)失效模擬數(shù)值耦合框架流程圖 數(shù)值模擬在NVIDIA GeForce RTX 4090D GPU上執(zhí)行，DEM分辨率為10m，2024年案例（50 km2區(qū)域，12小時(shí)洪水演進(jìn)）耗時(shí)0.5小時(shí)，1996年案例（200 km2區(qū)域，240小時(shí)洪水演進(jìn)）耗時(shí)9小時(shí)。 本研究侵蝕參數(shù)Kd和τc采用反演法確定堤防地質(zhì)條件，來(lái)使?jié)⒖诹髁颗c幾何形態(tài)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合。根據(jù)2024年實(shí)測(cè)潰口形態(tài)，臨界邊坡角αc取48°。 結(jié)果 01 多級(jí)堤防潰決 （1）第一級(jí)堤防潰決 圖9表明，若沒(méi)有及時(shí)封堵，2024年潰口寬度會(huì)擴(kuò)大至250米。相比之下，1996年潰口#1擴(kuò)張速度更快，在36小時(shí)內(nèi)達(dá)295米。 圖9 潰口寬度發(fā)展：(a) 2024年案例；(b) 1996年案例 圖10(a)、(b)表明，1996年潰口#1形狀更寬，但侵蝕深度與2024年相似。潰口擴(kuò)展速率差異的原因?yàn)槎赐ズ挥绊懀?024年潰口發(fā)生后水位呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；而1996年潰口處初始水位更高，且潰后水位持續(xù)上升。圖11表明1996年潰口初始水位差比2024年更高。 圖10 (a) 2024年潰口形態(tài)演變，(b) 1996年潰口#1形態(tài)演變，(c) 1996年潰口#2形態(tài)演變。T為第一次潰堤后的時(shí)間。 圖11 2024年和1996年案例中潰口處的水位差 （2）第二級(jí)堤防潰決 圖9(b)表明1996年潰口#2的擴(kuò)張速率略大于潰口#1。潰口#2發(fā)生導(dǎo)致洞庭湖的水繼續(xù)灌入團(tuán)洲垸，引發(fā)了潰口#1的后續(xù)擴(kuò)張，最終寬度達(dá)到495米。 圖10(c)表明潰口#1在第一級(jí)堤防失效過(guò)程中侵蝕深度大于潰口#2，歸因?yàn)闈⒖?2發(fā)生時(shí)洞庭湖水位較低以及錢(qián)南垸的高程高于團(tuán)洲垸。圖11表明潰口#2處的初始水位差小于潰口#1處，導(dǎo)致1996年潰口#2向下擴(kuò)張速率較慢。 圖12(a)表明，在第二級(jí)堤防潰口期間，潰口#1的流量曲線(xiàn)與潰口#2非常相似。圖13表明，1996年潰口#2平均流速峰值更高但持續(xù)時(shí)間更短，表明二級(jí)潰口具有顯著的破壞性影響。 圖12 2024年和1996年(a)流量，(b)淹沒(méi)區(qū)總流入量變化 圖13 2024年和1996年潰口平均流速變化 02 潰堤洪水演進(jìn) （1）洪水演進(jìn) 圖14為2024年潰堤洪水演進(jìn)過(guò)程。洪水從北向最南端流動(dòng)大約需9小時(shí)，18小時(shí)后，平均淹沒(méi)深度為4.5米，最大水深達(dá)約10米。此外，第二級(jí)堤防附近水深較大，導(dǎo)致了46起管涌和滲透事件發(fā)生。 圖14 2024年案例的洪水演進(jìn) 圖15為1996年兩級(jí)堤防潰口的洪水演進(jìn)過(guò)程。潰口#1洪水在7小時(shí)內(nèi)淹沒(méi)團(tuán)洲垸，二級(jí)堤防附近水深超過(guò)7米；二級(jí)堤防經(jīng)過(guò)160小時(shí)后失效，潰口#2洪水在38小時(shí)內(nèi)淹沒(méi)錢(qián)南垸。 圖15 1996年案例的洪水演進(jìn) 淹沒(méi)率定義為每秒淹沒(méi)面積的增加量，如圖16(a)所示。1996年一級(jí)堤防潰口后最大淹沒(méi)率約為2024年的兩倍，歸因于1996年潰口流量更大。1996年二級(jí)堤防潰決后平均淹沒(méi)率是一級(jí)堤防潰決后的1.4倍，表明二級(jí)堤防潰決破壞力更強(qiáng)。 圖16 . 2024年和1996年案例 (a)淹沒(méi)率，(b)團(tuán)洲垸平均水位變化 （2）水位變化 如圖16(b)所示，1996年洞庭湖水位更高，潰口流量更大，導(dǎo)致團(tuán)洲垸平均水位上升更為迅速。潰口#2發(fā)生后，部分水涌入錢(qián)南垸，致使團(tuán)洲垸平均水位下降，其最終與錢(qián)南垸和洞庭湖水位持平。 討論 利用1996年案例的水文條件和初始潰口形狀，進(jìn)一步比較了四種情景，如圖17所示：（1）潰口#1發(fā)生時(shí)，二級(jí)堤防得到加固并保持穩(wěn)定；（2）潰口#2在潰口#1關(guān)閉前發(fā)生；（3）潰口#1發(fā)生時(shí)沒(méi)有二級(jí)堤防；（4）潰口#2在潰口#1關(guān)閉后發(fā)生。 圖17 四種情景示意圖 （1）多級(jí)堤防的緩沖作用 圖18、19表明，案例3中的最終潰口寬度比案例2長(zhǎng)188米，潰口#1的峰值流量增加了1.8倍。與1996年案例相比，沒(méi)有二級(jí)堤防時(shí)洪水淹沒(méi)沒(méi)有間斷，洪水以更快速度淹沒(méi)更大區(qū)域。 圖22中案例3與其他案例對(duì)比表明，多級(jí)堤防系統(tǒng)在時(shí)空尺度上對(duì)堤防潰決和洪水演進(jìn)具有緩沖作用。即使發(fā)生級(jí)聯(lián)失效，多級(jí)堤防的存在也能顯著減少潰口規(guī)模、流量和淹沒(méi)速率。 圖18 有、無(wú)二級(jí)堤防下(a)潰口寬度和(b)流量變化 圖19 有、無(wú)二級(jí)堤防下(a)淹沒(méi)率和(b)團(tuán)洲垸平均水位變化 （2）潰口#1封堵 圖20、21表明，若潰口#1已被封堵，潰口#2的擴(kuò)張速度和持續(xù)時(shí)間大大降低，且其發(fā)展不再影響潰口#1。案例4中潰口#2峰值流量減少到案例2的2/3，表明及時(shí)封堵潰口#1可以有效降低二級(jí)堤防潰口時(shí)的破壞力。 圖22中案例2和4對(duì)比表明關(guān)閉先前潰口對(duì)后續(xù)級(jí)聯(lián)失效的緩解作用。關(guān)閉潰口#1可以減小潰口#2的寬度和流量，降低淹沒(méi)率和水位，從而緩解淹沒(méi)區(qū)域的洪水風(fēng)險(xiǎn)。 圖20 潰口1#封堵/不封堵情況下潰口#2的(a)潰口寬度和(b)流量變化 圖21 潰口1#封堵/不封堵情況下潰口#2的(a)淹沒(méi)率，(b)二級(jí)洪水下團(tuán)洲垸平均水位變化 圖22 四種工況下(a)潰口寬度，(b)洪峰流量，(c)平均淹沒(méi)率和(d)團(tuán)洲垸平均水位變化 （3）第二級(jí)堤防加固 圖22表明，由于二級(jí)堤防失效，潰口#1寬度增加2倍，平均淹沒(méi)率增加1.4倍。因此，當(dāng)一級(jí)堤防出現(xiàn)潰口時(shí)，立即加固二級(jí)及其他級(jí)別的堤防至關(guān)重要。2024年案例自7月5日起開(kāi)始對(duì)二級(jí)堤防進(jìn)行加固，包括堆疊沙袋以保護(hù)坡腳、鋪設(shè)防水布以防止雨水滲入等。 （4）排水 排水是應(yīng)急救援中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。排水緩慢會(huì)使水更容易滲入堤防主體，可能導(dǎo)致堤防主體土壤惡化并引發(fā)管涌和新的潰口。然而，排水過(guò)快也可能導(dǎo)致堤防坡腳不穩(wěn)定，引發(fā)滑坡、堤頂坍塌和突發(fā)性洪水等災(zāi)害鏈。為了揭示排水速率對(duì)堤防穩(wěn)定性及潛在災(zāi)害鏈的影響，需進(jìn)行系統(tǒng)的物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬，這將是未來(lái)研究中一個(gè)非常重要的課題。 結(jié)論 本文以團(tuán)洲垸兩次潰堤事件為基準(zhǔn)案例，研究了多級(jí)堤防潰決引發(fā)的洪水災(zāi)害。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)值模擬的綜合分析，得出以下結(jié)論： （1）提出了一種新的耦合數(shù)值模擬方法，用于模擬多級(jí)堤防系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)失效過(guò)程。通過(guò)團(tuán)洲垸1996年和2024年案例的現(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。針對(duì)200km2區(qū)域，該方法計(jì)算時(shí)長(zhǎng)僅為實(shí)際洪水持續(xù)時(shí)間的1/20，為應(yīng)急救援決策提供高效支撐。 （2）通過(guò)兩個(gè)案例的數(shù)值綜合評(píng)估，揭示了1996年兩級(jí)級(jí)聯(lián)堤防失效的主要原因是潰口#1形成后洞庭湖水位持續(xù)上升，加速了潰口擴(kuò)展并縮短了洪水演進(jìn)過(guò)程，最終加劇了級(jí)聯(lián)失效災(zāi)害后果。 （3）基于對(duì)1996年和2024年案例的全過(guò)程模擬，量化了堤防級(jí)聯(lián)失效的災(zāi)害放大效應(yīng)。二級(jí)堤防失效引發(fā)了潰口#1的后續(xù)侵蝕和擴(kuò)展，導(dǎo)致潰口寬度增加2倍、深度增加1.05倍。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了進(jìn)行級(jí)聯(lián)失效模擬的必要性，以解決傳統(tǒng)單級(jí)潰堤模擬方法對(duì)災(zāi)害后果的低估問(wèn)題。 （4）通過(guò)四種災(zāi)害情景的對(duì)比分析，為應(yīng)急救援提供關(guān)鍵依據(jù)。二級(jí)堤防的存在使?jié)⒖?1的潰口寬度減小了188米，相應(yīng)的峰值流量降低1.8倍。及時(shí)封堵潰口#1可有效將潰口#2的寬度減少2/3，最大淹沒(méi)率降低1/3。及時(shí)加固二級(jí)堤防能夠阻斷或延遲多級(jí)堤防的級(jí)聯(lián)失效，為應(yīng)急救援爭(zhēng)取時(shí)間。
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