共双茶垸分洪闸分蓄洪水演进模拟研究

1 研究背景

在国家政府大力支持下，洞庭湖区基本形成了以堤防为基础，上游水库群、行洪通道、蓄滞洪区等相配合的综合防洪工程体系。经研究表明，蓄滞洪区（特别是重要蓄滞洪区）在整个防洪体系中具有重要作用[1]。其中，洞庭湖区蓄洪垸对调蓄和分泄长江荆江段的超额洪水，确保洞庭湖区人民生命财产安全具有显著作用 [2][3]。在蓄滞洪垸发挥重要作用的同时，垸内人民的安全及发展同样应该收到重视。周召梅等[4] 为了平衡垸内发展和防洪安全的矛盾，提出提高垸内生态移民安置标准，加强城镇规划设计与安全工程建设同步进行等策略。沈定涛等 [5][6] 表明通过蓄滞洪区洪水灾害风险评估可以明确垸内不同区域居民避洪安置方向和安全建设模式。李志斌等 [7] 研究发现，增加安全区、减少安全台更有利于垸内人民生命财产安全和社会经济发展。覃莲超等 [8] 通过建立转移道路规划布设模型，可更为便捷的确定垸内最佳转移路线及所需的转移时间。杨炳辉等 [9] 通过数值模拟超标洪水演进过程，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。刘鑫等[10] 通过对洞庭湖团洲垸内进行溃堤洪水演进模拟，为后续洪水风险评估和安全转移提供技术支撑。综上所述，蓄滞洪区建成后因各垸所处地理位置、环境因素不同，面临的洪水量及蓄洪方式也不同，尽管可以使用同一套评估或模拟系统，但具体问题仍需具体分析。

本文以共双茶垸为对象进行数值模拟研究，通过调节垸内洪水演进方式分析居民受灾情况，为后续居民安全转移及土地科学利用提供指导，最大限度减少损失。

2 研究区域概况及研究方法

2.1 研究区域概况

共双茶垸位于洞庭湖中部，南临黄土包河，北靠草尾河，全垸集雨面积40.78 万亩，属国家重要蓄滞洪区。辖3 个镇，4 个社区，35 个村民委员会，拥有人口 15.8 万人，耕地面积 25.04 万亩。共有一线防洪大堤长 121.74 公里，重点间堤 11.399 公里，设计蓄洪水位 33.65m_⨀ 。垸内地势平坦开阔，高差起伏不大，地面高程为 26～30m （吴淞高程）。共双茶垸分洪闸位于泗湖山镇，桩号0+000～1+000m 之间。

图1 共双茶垸区域及间堤分布图

为了分片分析水利要素，根据地形及间堤情况将共双茶垸和宪成垸统筹分析，共划分为5 个区域，即一至五号（如图1 所示），分隔的大堤分别是： ① 号为共华西堤，堤顶高程约 36m ； ② 号为北港长河渍堤，堤顶高程约 32.4m ； ③ 号为朱家嘴间堤，堤顶高程在 32.2m 以上； ④ 号为茶双间堤，南侧部分堤顶高程约 32.4m ，向北依次增高直至 33.6m. 。

2.2 数值仿真理论与方法

2.2.1 计算原理

本文主要应用其中水动力学模块分析洪水在垸内的扩散情况，模型以三向不可压缩和 Reynolds 值均布的 Navier-Stokes 方程为基础，并服从于 Boussinesq假定和静水压力假定为质的各项同性线性半空间表面上作用一集中力 P，在线性变形体内任何点 M 的应力分布的弹性理论公式。控制方程，即二维非稳态水流的基本运动方程如下：

式中：— —时间；

_x，y 笛卡尔坐标系坐标；

η — 水位；

d — —静止水深；

h=η+d ——总水深；

u，v _x，y 方向上的速度分量；

f — 哥氏力系数 f=2ωsinφ，ω 为地球自转角速度， φ 为当地纬度；

g— 重力加速度；

ρ — 水的密度；

S_xx S_xy S_yy ——辐射应力分量；

S. — 源项；

（ ）— —源项水流流速。

为沿水深平均的流速，通过下列公式定义：

τ_ij 为水平粘滞应力项，涵盖了粘性力、紊流应力和水平对流，利用漩涡粘性方程从沿着水深的平均速度梯度得到这些数值：

2.2.2 数值模型设置

图2 共双茶垸地形高程分布图

收集共双茶垸现有资料，通过无人机地形测绘和历史地形资料相结合建立共双闸垸数字地形数据库（DEM）。由于垸区的地形边界不规则，本文采用非结构网格 （ADCIRC） 对共双茶垸进行划分。本次研究共双茶垸共划分为 277441个单元网格，包含 139965 个节点。在网格基础上，将 DEM 数据高程转换到WGS_1984_UTM_Zone_49N 坐标系，根据网格节点对高程进行线性插值，最后 通 过 Hydrodynamic 和 Inland Flooding 模 块 采 用 有 限 体 积 法（Finite VolumeMethod）计算区域的空间离散对模型进行求解。

3 数值模拟结果分析

3.1 无一号蓄洪区域

无一号区域工况下，设置 3630 流量入口，持续入水 133h。蓄洪完毕，共双茶垸蓄水17.38 亿立方米，具体水流分布情况见图3。

图3 无一号区域且间堤无过洪通道水流分布图

蓄水完毕，共双茶垸水位高程 34.82m ，四号区域为直接蓄洪区域，高程较低，为水流主要蓄滞地。待蓄洪 26h，四号区域水位高程达 32.2m 漫过 ③ 号间堤流入三号区域。待蓄洪 33h，洪水由 ④ 号间堤最低高程处漫入五号区域。 ② 号间堤为内湖渍堤，存在少数低高程部位，洪水可通过低高程部位直接进入二号区域，二号区域在蓄洪46h 后洪水开始进入。

3.2 增加有一号蓄洪区域

增加一号区域扩大蓄洪面积进行洪水演算，待蓄洪完毕，水位高程为34.43m ，相比与无一号区域工况，水位高程降低 0.39m 具体水流分布情况见图4。

图4 有一号区域且间堤无过洪通道水流分布图

一号区域距离分洪闸较远，中间阻拦的间（渍）堤较多，水流经过 104.5h后，打开 ① 号（共华西堤）分洪口门引水进入其中，居住在其中的居民有充足的转移时间。待泄洪完毕，一号区域水深普遍在 5m 左右，其中河流等地势低洼处水深可达 6m 以上； ② 号渍堤自身存在过洪通道，洪水在46h 后从②号堤顶过水通道进入二号区域，待泄洪结束，二号区域水深至少在 5m 以上，大部分地区在 6.5m 左右，仅有小部分达到 7m ，最高未达到 7.5m ；三号区域在 26h 后水位超过 ③ 号堤顶高程开始入水，三号区域地势高程比四号区域稍高，待泄洪完毕，三号区域大部分地区水深在 6m 左右，仅有几处地势低洼地区水深达7.5m以上；四号区域大部分地区水深在 7m 以上，部分地区可达 8.4m 以上；五号区域地势相对较高，分洪33h 后洪水从 ④ 号间堤高程最低处进水，五号区域较小，距离分洪闸较近，水深普遍在 5.5m 以上，少数地势低洼处水深可达 8m 以上。

3.3 增加一号蓄洪区域且间堤增加过洪口门

共双茶垸在八形汊设1 处临时分洪口门，口门宽 350m. 。双华、茶盘洲农场隔堤上布置1 处过洪口门，口门宽 350m_⨀ 。本次数值模拟实验根据实际口门开度，在垸内四处间堤水流最快抵达处分别布置一个 350m 的过洪口门，主动将洪水引入其它区域，通过计算，水流分布基本与有一号区域且间堤无过洪通道工况一致。结果见图5 ：

图5 有一号区域且间堤过洪通道350m 水流分布图

通过对洪水演进过程的分析可知，在各间（渍）堤过洪通道的情况下，进入共双茶垸的洪水会顺着间堤的过洪口门遍布全垸。一号区域在 42.5h 后开始进水，二号区域在分洪 22.5h 后洪水开始进入，三号区域在 14h 后洪水开始进入，四号区域由于过洪口门的存在，水位上涨速度放缓，特别是在蓄洪的前中期，可为当地居民获取更多的安全转移时间，五号区域由于地势较高，洪水到达 ④ 号间堤过洪通道处时并未进入，待洪水水位达到一定高程（6h 后）洪水才开始进入。

3.4 对比分析

将无一号区域且间堤无过洪通道与有一号区域且间堤无过洪通道进行对比分析可知，洪水到达及漫过各个的间堤的时间基本相同，水流分布情况基本一致，增加一号蓄洪区域可降低共双茶垸水深 0.39m ，对蓄洪整体影响不大。

通过有无过洪口门分析，两种情况情况下水流的最终分布几乎一致。间堤存在过洪口门，洪水将提前通过过洪口门进入其它区域（四号区域除外），具体情况见表1 ：

表 1 共双茶垸各分区洪水抵达时刻表

增加间堤过洪口门导致洪水提前进入一至三号蓄洪区域，减少了当地居民的安全转移时间。其中一号区域距离分洪闸较远，增加间堤过洪口门，洪水抵达时间大幅提前，但整体避难时间依旧充足，影响较小；二号区域因增加间堤过洪口门，洪水抵达时间提前13.5h，二号区域内部无安全台及安全区，安全转移时间较长，受洪水提前抵达影响较大；三号区域面积较广，需转移安置人口较多，洪水提前 12h 抵达对当地居民影响较大，建议关闭间堤过洪口门，保证当地居民有足够转移时间；四号区域为洪水直接蓄滞区域，分洪闸分洪时，附近居民应第一时间转移，确保自身生命安全，四号区域西部及北部地区距离安全区较近，洪水抵达时可快速前往；五号区域地势相对较高，受地势影响，洪水需达到一定水位高程才能进入，五号区域居民主要往北部转移，受间堤过洪通道影响较小，但洪水抵达时间大幅提前，总体而言，五号区域受间堤过洪口门影响程度适中。

从各个区域居民转移安置受间堤过洪口门的影响来看，一号区域距离分洪闸较远，洪水到达时有充足的避难时间，受间堤过洪通道影响程度小；二号、三号区域较广，需转移安置人口较多，转移时间较长，受间堤过洪口门影响较大；四号区域为洪水直接蓄滞区域，整体来说，间堤过洪通道将有益于当地居民安全；五号区域居民主要往北部转移， ④ 号间堤过洪口门位置偏下，但洪水抵达时间大幅提前，受影响程度适中。

4 结论

（1）共双茶垸通过增加一号蓄洪区域，可降低水深 0.39m ，相对于整体 6.5m 水深而言影响不大，可作为特殊时期共双茶垸蓄洪调度使用。

（2）间（渍）堤的存在，可为共双茶垸二号、三号、五号区域居民赢得更多安全转移时间。

（3）间堤是否增加过洪口门对水流分布基本无影响，主要改变洪水演进过程，除四号区域特殊时间不变，其它区域洪水抵达时间显著提前。

参考文献：

[1] 陈剑华 . 基于 GIS 的湖南省洪水风险图成果应用系统的设计 [J]. 湖南水利水电 ，2021，（04）：13-15+28.

[2] 张晓红 . 三峡工程投运后长江蓄滞洪区规划建设建议 [J]. 人民长江 ，2010，41（1）：11-13.

[3] 徐悦 ， 宋平 ， 罗雷 ， 等 . 洞庭湖区城西垸分蓄洪效果分析研究 [J].湖南水利水电 ，2021，（05）：23-27.

[4]周召梅 ， 耿胜慧 ， 李志军 . 洞庭湖蓄滞洪区生态移民与城镇化建设策略研究与实践 [J]. 水利建设与管理 ，2021，41（06）：38-41.

[5]沈定涛 . 基于机载 LiDAR 数据的洞庭湖蓄滞洪区洪水灾害风险评估技术与方法研究 [D]. 南京大学 ，2017.

[6]沈定涛 ， 吴波涛 ， 叶松著 . 洞庭湖蓄滞洪区洪水灾害风险评估技术与方法研究 [M]. 武汉 ： 长江出版社 ，2018.

[7]李志斌 ， 张愫 . 民主垸蓄洪安全建设人口安置规划方案研究 [J]. 湖南水利水电 ，2013，（6）： 41-43.

[8]覃莲超 ， 涂澜涛 ， 王彩虹 ， 等 . 蓄滞洪区转移道路工程规划布设研究[J]. 中国农村水利水电 ，2024，（7）： 191-195.

[9]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.

[10]刘鑫 ， 官学文 ， 张俊 ， 等 . 2024 年洞庭湖团洲垸溃堤过程及洪水演进模拟 [J]. 人民长江 ，2024，55（10）： 7-14.

基金项目：湖南省水利科技项目（XSKJ2023059-24）。

作者简介：詹万春，男，高级工程师，主要研究领域：水利工程建设管理，邮箱：905578152@qq.com ；奉阿祥，男，硕士，工程师，主要研究领域：港口航道与海岸工程技术领域，邮箱：2730146581@qq.com