2025-07-02 4537 0
https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2025.102495 摘要 研究區(qū)域：中國長江中游洞庭湖地區(qū) 研究重點：本文旨在開發(fā)一種耦合多級堤防潰決與洪水演進的高效數(shù)值方法，用于模擬多級堤防級聯(lián)失效全過程。以研究區(qū)域1996年與2024年兩起典型事件為例，揭示堤防級聯(lián)失效的災害放大效應，量化多級堤防的緩沖作用，并評估應急減災措施的有效性。 區(qū)域水文新見解：與2024年單堤防潰決相比，1996年二級級聯(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，加速了潰口擴展與洪水演進過程。第二級堤防潰決引發(fā)潰口#1的二次侵蝕擴張，致使其潰口寬度增大2倍且二級洪水破壞力更強?；谒姆N情景的減災措施分析表明：及時封堵潰口#1可使?jié)⒖?2寬度減少2/3，最大淹沒率降低1/3；及時加固第二級堤防可阻斷或延緩多級堤防的級聯(lián)失效，為應急救援提供有效時間。 研究背景 全球主要流域的填海造地與蓄滯洪區(qū)建設促進了多級堤防系統(tǒng)的形成，雖提升了防洪韌性，但增加了堤防級聯(lián)失效的風險。目前，對于級聯(lián)堤防失效的觸發(fā)機制、災害后果放大效應以及有效的減災策略研究仍存在不足。 通過歷史案例研究、實地調(diào)查和實驗室試驗，學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制。在堤防潰決洪水模擬方面，當前二維耦合方法的計算效率相對較低。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聯(lián)效應及其放大災害影響的潛力，僅依賴單階段潰口模型會導致對洪峰流量及其相關風險的顯著低估。 迄今為止，仍缺乏通過耦合多級潰口動態(tài)演變與潰堤洪水演進的高效方法，來模擬多級堤防系統(tǒng)級聯(lián)失效全過程。為填補這一空白，本研究提出了一種有效數(shù)值方法，用于模擬由多級堤防連續(xù)潰決引發(fā)的級聯(lián)洪水。本研究以洞庭湖地區(qū)的兩個具體案例為基礎，對不同級聯(lián)失效情景進行了綜合分析，重點關注多級潰口發(fā)展規(guī)律和洪水演進模式，并進一步量化了多級堤防區(qū)域級聯(lián)洪水災害緩解措施的有效性，為應急管理中的科學決策提供理論依據(jù)。 研究區(qū)域和歷史災害回顧 01 區(qū)域概況 圖1(a)為洞庭湖區(qū)域水系圖，圖1(b)為團洲垸的多級堤防體系，一級堤防總長20.8千米，位于洞庭湖西北岸；二級堤防長14.35千米，是團洲垸與錢南垸的分界線；三級堤防位于錢南垸西側(cè)，以保護相鄰的新勝大垸。 圖1 研究區(qū)域：(a)洞庭湖區(qū)域水系圖；(b)團洲垸三級堤防系統(tǒng) 圖2為通過無人機攝影測量獲取的團洲垸一、二級堤防代表性橫截面：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 團洲垸兩級堤防的橫截面 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了33米的警戒水位，造成了2024年團洲垸一級堤防潰口，以及1996年的兩級堤防潰口。 圖3 城陵磯站水位時程曲線：(a) 2024年；(b) 1996年 02 歷史堤防潰決事件 圖4為2024年7月5日的洞庭湖團洲垸一級堤防潰決前后的光學影像。6日12時左右，潰口寬度達到226米，垸內(nèi)平均水深約5米。8日22時潰口完全封堵，9日8時啟動排水，至12日，報告46起二級堤防滲漏與管涌險情，未發(fā)生連續(xù)潰堤。 圖4 2024年團洲垸一級堤防潰堤前(a)、后(b)光學遙感影像 圖5為1996年7月19日一級、二級堤防潰決后的光學影像。19日，一級堤防潰決，潰口寬度達295米；20日，二級堤防發(fā)生管涌，潰口寬度達314米，同時，一級堤防潰口因洪水侵蝕最終擴展至495米。造成6.5萬人受影響，17人死亡。直到8月14日洞庭湖退洪后開始兩處潰口修復和排水。 圖5 1996年團洲垸(a)一級、(b)二級堤防潰后光學遙感影像 數(shù)值模擬方法 01 基于侵蝕的堤防潰決模型 該模型包含三個關鍵點：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)驗公式計算。本研究利用洞庭湖地區(qū)可用的土壤參數(shù)范圍，計算出堤防地質(zhì)條件. 本研究潰口流量計算采用寬頂堰流假定，并引入一個修正因子ksm以考慮下游水位的影響。潰口幾何形態(tài)的演變過程被劃分為四個階段，如圖6所示。 圖6 堤防潰決過程的四個階段 02 洪水演進模型 采用一個集成的數(shù)值模型EDDA進行模擬，模型的控制方程為淺水方程（SWE），采用有限體積法進行數(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模型在同一程序中實現(xiàn)耦合計算，并在每個時間步長執(zhí)行耦合操作，計算流程如圖8所示。其計算流程如下：初始化設置潰口1的初始幾何形態(tài)與下游水位；基于潰堤模型計算潰口1首時段流量Qin-1，作為洪水淹沒模型的邊界條件執(zhí)行第一個區(qū)域洪水演進，得到潰口1下游水位Hdown-1和潰口2上游水位Hup-2。若多級堤防失效，則重復計算迭代。 圖8 堤防級聯(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小時洪水演進）耗時0.5小時，1996年案例（200 km2區(qū)域，240小時洪水演進）耗時9小時。 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，來使?jié)⒖诹髁颗c幾何形態(tài)計算值與實測值吻合。根據(jù)2024年實測潰口形態(tài)，臨界邊坡角αc取48°。 結(jié)果 01 多級堤防潰決 （1）第一級堤防潰決 圖9表明，若沒有及時封堵，2024年潰口寬度會擴大至250米。相比之下，1996年潰口#1擴張速度更快，在36小時內(nèi)達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。潰口擴展速率差異的原因為洞庭湖水位影響，2024年潰口發(fā)生后水位呈現(xiàn)下降趨勢；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間。 圖11 2024年和1996年案例中潰口處的水位差 （2）第二級堤防潰決 圖9(b)表明1996年潰口#2的擴張速率略大于潰口#1。潰口#2發(fā)生導致洞庭湖的水繼續(xù)灌入團洲垸，引發(fā)了潰口#1的后續(xù)擴張，最終寬度達到495米。 圖10(c)表明潰口#1在第一級堤防失效過程中侵蝕深度大于潰口#2，歸因為潰口#2發(fā)生時洞庭湖水位較低以及錢南垸的高程高于團洲垸。圖11表明潰口#2處的初始水位差小于潰口#1處，導致1996年潰口#2向下擴張速率較慢。 圖12(a)表明，在第二級堤防潰口期間，潰口#1的流量曲線與潰口#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)時間更短，表明二級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 （1）洪水演進 圖14為2024年潰堤洪水演進過程。洪水從北向最南端流動大約需9小時，18小時后，平均淹沒深度為4.5米，最大水深達約10米。此外，第二級堤防附近水深較大，導致了46起管涌和滲透事件發(fā)生。 圖14 2024年案例的洪水演進 圖15為1996年兩級堤防潰口的洪水演進過程。潰口#1洪水在7小時內(nèi)淹沒團洲垸，二級堤防附近水深超過7米；二級堤防經(jīng)過160小時后失效，潰口#2洪水在38小時內(nèi)淹沒錢南垸。 圖15 1996年案例的洪水演進 淹沒率定義為每秒淹沒面積的增加量，如圖16(a)所示。1996年一級堤防潰口后最大淹沒率約為2024年的兩倍，歸因于1996年潰口流量更大。1996年二級堤防潰決后平均淹沒率是一級堤防潰決后的1.4倍，表明二級堤防潰決破壞力更強。 圖16 . 2024年和1996年案例 (a)淹沒率，(b)團洲垸平均水位變化 （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，導致團洲垸平均水位上升更為迅速。潰口#2發(fā)生后，部分水涌入錢南垸，致使團洲垸平均水位下降，其最終與錢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，進一步比較了四種情景，如圖17所示：（1）潰口#1發(fā)生時，二級堤防得到加固并保持穩(wěn)定；（2）潰口#2在潰口#1關閉前發(fā)生；（3）潰口#1發(fā)生時沒有二級堤防；（4）潰口#2在潰口#1關閉后發(fā)生。 圖17 四種情景示意圖 （1）多級堤防的緩沖作用 圖18、19表明，案例3中的最終潰口寬度比案例2長188米，潰口#1的峰值流量增加了1.8倍。與1996年案例相比，沒有二級堤防時洪水淹沒沒有間斷，洪水以更快速度淹沒更大區(qū)域。 圖22中案例3與其他案例對比表明，多級堤防系統(tǒng)在時空尺度上對堤防潰決和洪水演進具有緩沖作用。即使發(fā)生級聯(lián)失效，多級堤防的存在也能顯著減少潰口規(guī)模、流量和淹沒速率。 圖18 有、無二級堤防下(a)潰口寬度和(b)流量變化 圖19 有、無二級堤防下(a)淹沒率和(b)團洲垸平均水位變化 （2）潰口#1封堵 圖20、21表明，若潰口#1已被封堵，潰口#2的擴張速度和持續(xù)時間大大降低，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，表明及時封堵潰口#1可以有效降低二級堤防潰口時的破壞力。 圖22中案例2和4對比表明關閉先前潰口對后續(xù)級聯(lián)失效的緩解作用。關閉潰口#1可以減小潰口#2的寬度和流量，降低淹沒率和水位，從而緩解淹沒區(qū)域的洪水風險。 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)淹沒率，(b)二級洪水下團洲垸平均水位變化 圖22 四種工況下(a)潰口寬度，(b)洪峰流量，(c)平均淹沒率和(d)團洲垸平均水位變化 （3）第二級堤防加固 圖22表明，由于二級堤防失效，潰口#1寬度增加2倍，平均淹沒率增加1.4倍。因此，當一級堤防出現(xiàn)潰口時，立即加固二級及其他級別的堤防至關重要。2024年案例自7月5日起開始對二級堤防進行加固，包括堆疊沙袋以保護坡腳、鋪設防水布以防止雨水滲入等。 （4）排水 排水是應急救援中的一個關鍵環(huán)節(jié)。排水緩慢會使水更容易滲入堤防主體，可能導致堤防主體土壤惡化并引發(fā)管涌和新的潰口。然而，排水過快也可能導致堤防坡腳不穩(wěn)定，引發(fā)滑坡、堤頂坍塌和突發(fā)性洪水等災害鏈。為了揭示排水速率對堤防穩(wěn)定性及潛在災害鏈的影響，需進行系統(tǒng)的物理試驗和數(shù)值模擬，這將是未來研究中一個非常重要的課題。 結(jié)論 本文以團洲垸兩次潰堤事件為基準案例，研究了多級堤防潰決引發(fā)的洪水災害。通過現(xiàn)場調(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，用于模擬多級堤防系統(tǒng)的級聯(lián)失效過程。通過團洲垸1996年和2024年案例的現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)驗證了該方法的準確性。針對200km2區(qū)域，該方法計算時長僅為實際洪水持續(xù)時間的1/20，為應急救援決策提供高效支撐。 （2）通過兩個案例的數(shù)值綜合評估，揭示了1996年兩級級聯(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，加速了潰口擴展并縮短了洪水演進過程，最終加劇了級聯(lián)失效災害后果。 （3）基于對1996年和2024年案例的全過程模擬，量化了堤防級聯(lián)失效的災害放大效應。二級堤防失效引發(fā)了潰口#1的后續(xù)侵蝕和擴展，導致潰口寬度增加2倍、深度增加1.05倍。這些結(jié)果強調(diào)了進行級聯(lián)失效模擬的必要性，以解決傳統(tǒng)單級潰堤模擬方法對災害后果的低估問題。 （4）通過四種災害情景的對比分析，為應急救援提供關鍵依據(jù)。二級堤防的存在使?jié)⒖?1的潰口寬度減小了188米，相應的峰值流量降低1.8倍。及時封堵潰口#1可有效將潰口#2的寬度減少2/3，最大淹沒率降低1/3。及時加固二級堤防能夠阻斷或延遲多級堤防的級聯(lián)失效，為應急救援爭取時間。
Hot News
成功提示
錯誤提示
警告提示
評論 （0）