洞庭湖区超标准洪水数值模拟研究_杨炳辉.pdf

DOI:10.12170/20211029002杨炳辉，施勇，栾震宇，等.洞庭湖区超标准洪水数值模拟研究 J.水利水运工程学报，2023（2）：34-42.（YANG Binghui,SHIYong,LUAN Zhenyu,et al.Study on super-standard flood situation in Dongting Lake areaJ.Hydro-Science and Engineering,2023（2）:34-42.（in Chinese）洞庭湖区超标准洪水数值模拟研究杨炳辉1,2，施 勇1，栾震宇1，金 秋1(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.河海大学 水文与水资源学院，江苏 南京 210098)摘要:洞庭湖区是我国洪涝灾害频发的地区之一，随着近些年来极端天气越来越频繁，研究洞庭湖区在遭遇历史极端洪水下的防洪形势极具现实意义。以 1870 年、1935 年、1954 年长江洪水为研究对象，通过建立长江、洞庭湖及蓄滞洪区一二维耦合水动力模型，在现有地形及工程措施条件下，对洞庭湖区的水位及超额洪量进行模拟计算。结果表明：三峡及上游水库群补偿调度条件下，若遭遇 1870 年、1935 年和 1954 年洪水，荆江附近及城陵矶附近的超额洪量大幅下降，再结合荆江地区及城陵矶附近蓄滞洪区的运用，洞庭湖区可安全度汛。三峡水库调蓄使枝城洪峰流量大幅下降，松滋口、太平口、藕池口（以下称为三口）洪峰流量也随之下降，洞庭湖区各站水位有所降低；蓄滞洪区分洪运用降低了莲花塘水位，荆江水面比降加大，三口洪峰流量进一步下降，受上游来水减少及下游水位降低的影响，湖区水位进一步下降。通过定量预测特大洪水长江中游及洞庭湖区防洪情势，可为洞庭湖治理提供科学依据，为提升湖区防洪减灾管理能力奠定基础。关键词：水动力学；防洪；超标准洪水；蓄滞洪区；洞庭湖区中图分类号：TV122 文献标志码：A 文章编号：1009-640X(2023)02-0034-09 洞庭湖位于荆江以南，是长江中游防洪系统的重要组成部分，是长江洪水的天然调蓄场所。长江洪水于松滋口、太平口、藕池口（以下称为三口）分泄入湖，并与湘水、资水、沅水、澧水（以下称四水）于洞庭湖遭遇，经洞庭湖调蓄后于城陵矶汇入长江。洞庭湖在发挥巨大调洪作用的同时，湖区洪涝灾害频发，洞庭湖区成为长江中游洪涝灾害极为严重的地区之一1-2。洞庭湖区洪水主要来源于三口分流及四水来流，因此洞庭湖区洪涝灾害同时受到长江干流来水及四水来水的影响，湖区洪水情势具有南涨北流，北涨南流的特征，洪水地区组成复杂3-4。三峡水库的建成运用，对洞庭湖区防洪发挥了巨大作用。一方面，三峡及上游水库群巨大的防洪库容可有力消减洪峰，由于三口分流比与上游来流成正相关，洪峰的减少使三口分泄入湖洪峰及洪量均有减少；另一方面，坝下水沙条件发生了巨大变化，荆江河道自上而下大幅冲刷，三口河道淤积大幅改善，部分河道转淤为冲，洞庭湖淤积速度放缓，湖区防洪形势大幅改善5-11。根据长江流域防洪规划，以防御 1954 年洪水作为长江中下游总体防洪标准12，本文将 1954 年典型洪水作为防洪标准洪水，三峡上游或宜汉区间水文要素超过 1954 年的洪水定义为超标准洪水。经过多年的建设，长江中游形成以堤防为基础，三峡水库为骨干，配合支流水库、蓄滞洪区、河道整治等措施的防洪体系。在此体系下荆江河段的防洪标准提高至百年一遇，即使遭遇 1870 年大洪水，亦可通过运用蓄滞洪区来实现安全度汛13，避免荆江两岸的毁灭性灾害。但若洞庭湖区遭遇此量级洪水，湖区防洪形势如何，仍需研究。本文通过建立长江-洞庭湖-蓄滞洪区洪水演进数学模型，在现有地形条件下对历史上发生的几次大洪水进行模拟。选择 1870 年、1935 年及 1954 年洪水代表上游超标准洪水、洞庭湖区间超标准洪水及防洪标准洪水。对上述 3 次洪水在三峡水库调蓄与否、蓄滞洪区运用与否的多种组合下进行模拟，分析三峡水库 收稿日期：2021-10-29基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFC0405300）；湖南省水利科技重大项目（湘水科计 2017230-30）；广西重点研发计划项目（2018AB36010）作者简介：杨炳辉（1996），男，河南焦作人，硕士研究生，主要从事洪水动力学方面的研究。E-mail： 通信作者：施勇（E-mail：）第 2 期水利水运工程学报No.22023 年 4 月HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERINGApr.2023调蓄及蓄滞洪区的运用对防洪形势的影响。1 面向洞庭湖区防洪的数学模型为了评估洞庭湖区的防洪形势，在现状地形及现有防洪设施下，建立长江-洞庭湖区-蓄滞洪垸一二维耦合的洪水演进数学模型，利用近几年实测洪水资料对模型进行率定验证，并利用 1998 年实测资料对模型特大洪水计算能力进行验证。1.11.1模型范围及算法模型的计算范围上始宜昌，下至汉口，包括清江、洞庭湖区、汉江中下游及其他重要支流，并考虑荆江分洪区、人民大垸、洞庭湖 24 垸、洪湖分蓄洪区的运用，模型范围见图 1。其中，长江干流及支流均采用一维离散计算，洞庭湖采用二维网格计算，蓄滞洪区考虑水位容积曲线进行概化。根据河网、湖泊、蓄滞洪区的不同特性，采用不同计算模式进行计算。其中，一维河网计算采用分块三级河网算法，二维模型采用 Osher 格式进行有限体积离散计算，一二维模型之间采用显式链接。文献 14-16 已对一二维计算模式进行了详细介绍，本文不再赘述。为适应计算过程中水位超堤高的情况，采取堤防垂直向上外延方法，以得到洪水归槽后的水位。为了进一步提高模型的计算效率，充分利用计算机性能，利用 OpenMP 分别对一维模块及二维网格进行并行化设计，实测加速比达到 2.4。在此基础上，建立蓄滞洪区分蓄洪的计算模式，实现蓄滞洪区分洪、退洪与已有一维模型的耦合。二维蓄滞洪采用已有的堰流模式计算通量15。1.21.2分蓄洪区计算模式将分洪区垸作为蓄洪模块，嵌入长江中游防洪系统模拟模型中，模拟分洪堤垸纳洪、调蓄、吐洪过程，评价分洪效果，复核长江中游分蓄洪总体方案分洪量。分蓄洪模型的主体为水量平衡模型，认为分洪时闸门全开，相对开度较大，分洪流量的计算采用堰流公式：Q=m0B2gH1.5(1)式中：Q 为分洪流量；为淹没系数；m0为流量系数；B 为溢流宽度；H 为堰上水头。将堰流公式计算得到的分洪流量与口门最大设计流量比较，选择较小的值作为分洪流量，进而得到时段分洪水量。而分蓄洪区内则用水位容积曲线概化，即Zn+1=f(Wn+Qnt)(2)式中：Z 为蓄滞洪区内水位；f 为蓄滞洪区的水位容积关系；W 为蓄滞洪区蓄洪量；t 为时间步长；n 为时间步。分蓄洪区在分洪时会造成河道内动量损失，设河段内动量损失率与流量损失率相当，则有：P=QtQP/AP(3)式中：P 为分洪后河段动量损失；为水的密度；QP为河段流量；AP为河段过水面积。在连续性方程及动量方程的离散方程中分别考虑分洪后流量损失及动量损失，便可实现分蓄洪区计算模式与洪水演进模型的耦合。N050100 km图例主要站点汊点长江干流长江支流洞庭湖蓄滞洪区 图 1 模型范围Fig.1 Model scope 第 2 期杨炳辉，等：洞庭湖区超标准洪水数值模拟研究35 1.31.3模型率定检验在 2016 年地形的基础上，建立长江中游洪水演进及调度模拟模型，采用 2016 年长江中游地区日均水情数据对模型进行率定，长江干流糙率范围为 0.0210.028，三口河系糙率范围为 0.0230.033。利用 2017、2020 年水情数据对率定好的模型进行验证。率定结果如图 2 所示。可见，模型较好地反映了三口分流的涨落变化，峰谷对应，洪峰水位拟合较好，洪峰水位模拟误差达到 0.15 m 以内，洪峰流量模拟误差在 10%以内。率定的结果表明模型算法基本适应长江中游地区河湖水流的流动特征和水面比降情况。2017、2020 年验证结果见图 3。结果表明，计算出的长江中游干流主要控制站水位流量过程与实测水位流量过程峰谷对应、涨落一致、洪峰水位流量吻合较好。0123465242832364044423834302606-0106-2106-1107-0107-2108-1007-1107-3108-2008-30流量/(万 m3s1)水位/m(吴淞)日期(a)干流水位流量率定枝城实测流量枝城计算流量沙市实测水位沙市计算水位螺山实测流量螺山计算流量莲花塘实测水位莲花塘计算水位2628323640444238343006-0106-2106-1107-0107-2108-1007-1107-3108-2008-30水位/m(吴淞)日期(b)支流水位率定石龟山计算南嘴计算石龟山实测南嘴实测新江口计算鹿角计算新江口实测鹿角实测 图 2 2016 年部分测站率定Fig.2 Calibration of some stations in 2016 012347652428323640423834302606-0106-2106-1107-0107-2108-1007-1107-3108-2008-30流量/(万 m3s1)水位/m(吴淞)日期(a)2017 年干流水位流量验证枝城实测流量枝城计算流量沙市实测水位沙市计算水位螺山实测流量螺山计算流量莲花塘实测水位莲花塘计算水位01234652428323644404806-0106-2106-1107-0107-2108-1007-1107-3108-2008-30流量/(万 m3s1)水位/m(吴淞)日期(c)2020 年干流水位流量验证枝城实测流量枝城计算流量沙市实测水位沙市计算水位螺山实测流量螺山计算流量莲花塘实测水位莲花塘计算水位242628323640444238343006-0106-2106-1107-0107-2108-1007-1107-3108-2008-30水位/m(吴淞)日期(b)2017 年支流水位验证石龟山计算南嘴计算石龟山实测南嘴实测新江口计算鹿角计算新江口实测鹿角实测06-0106-2106-1107-0107-2108-1007-1107-3108-2008-30水位/m(吴淞)日期(d)2020 年支流水位验证石龟山计算南嘴计算石龟山实测南嘴实测新江口计算鹿角计算新江口实测鹿角实测24283236444048 图 3 实测洪水与模拟洪水水位流量验证Fig.3 Verification of measured and simulated flood levels and discharges 36水 利 水 运 工 程 学 报2023 年 4 月为进一步验证模型适用于洪水位计算，对 1998 年洪水位进行了验证。计算得到的沙市洪峰水位为45.12 m，发生于 8 月 17 日；莲花塘洪峰水位为 35.75 m，发生于 8 月 21 日。可见，沙市和莲花塘的计算洪峰水位发生时间与实测基本一致，计算水位略低于实测洪峰水位（实测值为 45.22 m 和 35.80 m）。由于河道冲刷，洪水位有小幅下降，但变化幅度不大，与已有成果趋势一致17-18。上述验证结果说明模型算法基本适应长江中游地区河湖水流的流动特征和水面比降情况，模型能够用于下一步方案计算。2 方案设置及资料来源 2.12.1计算方案洞庭湖区洪水组成复杂，北有荆江三口分泄长江洪水，南有洞庭四水汇入湖泊，因此洞庭湖洪水受长江和洞庭湖来水的共同影响，其洪水组成可分为长江上游大洪水、洞庭湖四水大洪水及全流域大洪水。1954 年长江发生了近百年罕有的全流域大洪水，30 d 洪量超百年一遇，是长江中下游防洪体系的标准洪水，选择 1954 年为计算典型年之一；1870 年宜昌站洪峰特高，30 d 洪量特大，均超过 1954 年最大值，是长江上游几百年来最大的一次洪水19，选择该典型年代表长江上游大洪水造成的超标准洪水；1935 年 7 月，长江中游清江、澧水、沮漳河、汉江中下游洪水泛滥，造成湖南、湖北大范围受灾20-21，