2025-07-02 2366 0
https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2025.102495 摘要 研究區域：中國長江中游洞庭湖地區 研究重點：本文旨在開發一種耦合多級堤防潰決與洪水演進的高效數值方法，用于模擬多級堤防級聯失效全過程。以研究區域1996年與2024年兩起典型事件為例，揭示堤防級聯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。 區域水文新見解：與2024年單堤防潰決相比，1996年二級級聯堤防潰決的主因是潰口#1形成后洞庭湖水位持續上漲，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。基于四種情景的減災措施分析表明：及時封堵潰口#1可使潰口#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建設促進了多級堤防系統的形成，雖提升了防洪韌性，但增加了堤防級聯失效的風險。目前，對于級聯堤防失效的觸發機制、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演變與潰堤洪水演進的高效方法，來模擬多級堤防系統級聯失效全過程。為填補這一空白，本研究提出了一種有效數值方法，用于模擬由多級堤防連續潰決引發的級聯洪水。本研究以洞庭湖地區的兩個具體案例為基礎，對不同級聯失效情景進行了綜合分析，重點關注多級潰口發展規律和洪水演進模式，并進一步量化了多級堤防區域級聯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。 研究區域和歷史災害回顧 01 區域概況 圖1(a)為洞庭湖區域水系圖，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，以保護相鄰的新勝大垸。 圖1 研究區域：(a)洞庭湖區域水系圖；(b)團洲垸三級堤防系統 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，未發生連續潰堤。 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。 土壤侵蝕速率采用Hanson和Simon在2001年提出的經驗公式計算。本研究利用洞庭湖地區可用的土壤參數范圍，計算出堤防地質條件. 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值求解，如圖7所示。 圖7 有限體積法示意圖 03 數值耦合框架 堤防潰決模型與洪水演進模型在同一程序中實現耦合計算，并在每個時間步長執行耦合操作，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行第一個區域洪水演進，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 堤防級聯失效模擬數值耦合框架流程圖 數值模擬在NVIDIA GeForce RTX 4090D GPU上執行，DEM分辨率為10m，2024年案例（50 km2區域，12小時洪水演進）耗時0.5小時，1996年案例（200 km2區域，240小時洪水演進）耗時9小時。 本研究侵蝕參數Kd和τc采用反演法確定堤防地質條件，來使潰口流量與幾何形態計算值與實測值吻合。根據2024年實測潰口形態，臨界邊坡角αc取48°。 結果 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小時內達295米。 圖9 潰口寬度發展：(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年潰口發生后水位呈現下降趨勢；而1996年潰口處初始水位更高，且潰后水位持續上升。圖11表明1996年潰口初始水位差比2024年更高。 圖10 (a) 2024年潰口形態演變，(b) 1996年潰口#1形態演變，(c) 1996年潰口#2形態演變。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發生導致洞庭湖的水繼續灌入團洲垸，引發了潰口#1的后續擴張，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小時內淹沒團洲垸，二級堤防附近水深超過7米；二級堤防經過160小時后失效，潰口#2洪水在38小時內淹沒錢南垸。 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發生時，二級堤防得到加固并保持穩定；（2）潰口#2在潰口#1關閉前發生；（3）潰口#1發生時沒有二級堤防；（4）潰口#2在潰口#1關閉后發生。 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域。 圖22中案例3與其他案例對比表明，多級堤防系統在時空尺度上對堤防潰決和洪水演進具有緩沖作用。即使發生級聯失效，多級堤防的存在也能顯著減少潰口規模、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的擴張速度和持續時間大大降低，且其發展不再影響潰口#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級聯失效的緩解作用。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節。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管涌和新的潰口。然而，排水過快也可能導致堤防坡腳不穩定，引發滑坡、堤頂坍塌和突發性洪水等災害鏈。為了揭示排水速率對堤防穩定性及潛在災害鏈的影響，需進行系統的物理試驗和數值模擬，這將是未來研究中一個非常重要的課題。 結論 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的洪水災害。通過現場調查和數值模擬的綜合分析，得出以下結論： （1）提出了一種新的耦合數值模擬方法，用于模擬多級堤防系統的級聯失效過程。通過團洲垸1996年和2024年案例的現場記錄數據驗證了該方法的準確性。針對200km2區域，該方法計算時長僅為實際洪水持續時間的1/20，為應急救援決策提供高效支撐。 （2）通過兩個案例的數值綜合評估，揭示了1996年兩級級聯堤防失效的主要原因是潰口#1形成后洞庭湖水位持續上升，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，量化了堤防級聯失效的災害放大效應。二級堤防失效引發了潰口#1的后續侵蝕和擴展，導致潰口寬度增加2倍、深度增加1.05倍。這些結果強調了進行級聯失效模擬的必要性，以解決傳統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。二級堤防的存在使潰口#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失效，為應急救援爭取時間。
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