黄家文，陈丕翔，陈佩琪
(1.广东省水利水电科学研究院 广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510635；
2.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 510635；
3.广东省水安全科技协同创新中心，广东 广州 510635)
流域超标准洪水往往对中下游平原地区造成毁灭性灾害[1]，而河南“21·7”特大暴雨水灾造成的严重人员伤亡和财产损失，突显出大城市遭受极端暴雨后洪涝灾害“连锁性、突变性和传递性”的新特点[2]，因此必须高度重视城市人口密集、基础设施密集、资产密集、淹不得、淹不起等因素，做好重点地区超标准洪水防御的总体安排和各项准备措施，以有效应对洪水灾害领域“黑天鹅”事件。随着经济社会的发展，越来越多地区变得“淹不起”，人们对美好生活的向往加大了水库超蓄和河道强迫行洪的期望值[3]。但面对超标准洪水，必要时得有所放弃，才可能更好地保住重点[4]。蓄滞洪区运用或破堤分洪是防御流域超标准洪水的“底牌”，必须予以重视，充分准备。
韩江下游三角洲人口稠密，一旦成灾，损失严重，防洪压力巨大。早在1994年，《潮州市城市总体规划(1993—2015)》[5]提出意东分洪的设想。2000年，作为应对韩江流域超准洪水的非工程措施，《韩江下游及三角洲河段综合整治开发规划报告》正式提出意东分洪方案[6- 7]。虽然后续编制的相关规划、预案一直沿用此方案[8- 11]，但其可行性和运用效果至今仍未经充分论证。
目前对于韩江流域洪水的研究，主要集中在暴雨洪水的时空分布特征[12- 13]、可能最大暴雨洪水[14]、干支流洪水遭遇[15]、重点防洪保护区溃坝洪水演进数值模拟[16]等方面，而对于韩江流域超标准洪水的应对措施研究尚显不足。因此，本研究拟从韩江流域重点防洪保护对象出发，系统梳理可能的破堤分洪方案，并通过构建一二维耦合的水动力数学模型模拟计算运用效果，进而评估运用成本，比选提出推荐方案，为韩江流域超标准洪水应对提供科学决策支撑。
韩江流域涉及广东、福建、江西3省的8个地级市24个县(市、区)，中上游地区人口密度较疏，下游及三角洲人口稠密[11]。潮州市和汕头市城区是韩江中下游和三角洲的重点防洪保护对象，为保护这2个城区的安全，须确保韩江南北堤和汕头大围堤防安全[17]。汀江已建的棉花滩水库可减轻中下游的防洪压力，具有调蓄流域性大洪水的高陂水利枢纽在2021年正式下闸蓄水，堤库结合的防洪工程体系已基本形成，韩江南北堤和汕头大围保护区防洪标准从50年一遇提高至100年一遇。
韩江南北堤北起竹竿山，韩江中游三河坝至竹竿山两岸多丘陵，没有足够规模的洪水调蓄空间和分洪地理条件。根据韩江1911年历史大洪水奔泻路线、淹没区域等经验，要在重点防护对象上游分蓄超额洪水，在韩江下游竹竿山至潮州供水枢纽左岸的意东堤或东厢堤分洪是可能的方案。《韩江下游及三角洲河段综合整治开发规划报告》[6]提出在意东堤置设分洪口，洪水经意东、秋北、苏北等堤围区入海的分洪方案。除此之外，韩江三角洲北部东厢围具有一定的洪水调蓄空间，韩江干流洪水可直接从潮州供水枢纽上游左岸东厢堤分洪进入东厢围，也可从意东堤分洪汇入北溪后进入东厢围，分洪洪水在东厢围内滞蓄后经义丰溪入海。因此，在已有规划提出的意东分洪(意东-秋北-苏北)方案的基础上，新增意东分洪(意东-东厢)方案和东厢分洪方案进行比选，如图1所示。
图1 韩江分洪方案示意图
韩江分洪方案的启用标准高达100年一遇，分洪流量大，分洪控制工程均采用临时扒口的型式。
(1)意东分洪(意东-秋北-苏北)方案
韩江超额洪水经意东围、秋北-苏北围分流入海。意东堤整体上与韩江洪水主流方向垂直，堤后多有建筑物阻挡，唯有橡埔村堤段和宋厝岭堤段具备分洪条件。为提高分洪效果，意东堤设置2处分洪口，扒口按最大长度考虑，橡埔村堤段400m，宋厝岭堤段500m。分洪洪水在意东围内自北向南漫流至北溪左岸，通过桂坑水六亩闸以及北溪左岸堤防自动漫溢汇入北溪。由于受秋溪山与头呵山坳口阻挡，北溪洪水只能在山坳口以南、官塘桥闸上游左岸秋北堤分洪进入秋北-苏北围，分洪口设置在分洪水流条件较好的巷头村堤段，长440m。
(2)意东分洪(意东-东厢)方案
韩江超额洪水经意东围、东厢围汇入南溪、义丰溪入海。意东分洪(意东-东厢)方案与意东分洪(意东-秋北-苏北)方案在意东围的分洪口和分洪路径相同。分洪洪水从北溪左岸汇入北溪后，从对岸东厢堤分洪进入东厢围。分洪口位置避开磷溪镇区，选择在溪口村堤段。由于潮州东大道上穿分洪堤段，分洪口被桥墩和路基部分阻挡，若不能及时将韩江分洪洪水导入东厢围，将造成北溪官塘桥闸上游两岸堤防溃决，扒口按最大长度980m考虑。东厢围现状5座穿堤排水涵闸设计流量合计126m3/s，排干围内洪水量需要约17.5d。考虑待外江洪水消退后，在东厢围南部低洼地，南溪左岸隆都围关脚村堤段临时扒口70m退水，可在3d内排干。
(3)东厢分洪方案
韩江超额洪水经东厢围汇入南溪、北溪、义丰溪入海。考虑分洪水流条件和分洪口附近建筑物阻挡，分洪口位置选择在韩江左岸东厢堤埔涵村堤段，扒口按最大长度350m考虑。分洪洪水自东厢围北部经金沙溪漫流至南部。由于东厢围洪水调蓄容积远小于分洪量，只能起调节作用，分洪过程、退水过程应与东厢围调蓄容积以及下游退水河道过流能力相匹配。为充分利用下游河道的行洪能力，分别考虑在南溪左岸隆都围关脚村堤段和北溪右岸隆都围东山村堤段临时扒口退水，随外江洪水消退排干。此2处退洪口均位于东厢围南部低洼地，附近少有阻挡。南溪退洪口退水方向与河道主流方向一致，且对岸有大片滩地，可避免退水水流冲击对岸苏溪围。北溪退洪口堤外有大片滩地，退水水流扩散，减轻对对岸苏北围的冲击。在满足分洪洪水不漫溢的前提下，为减轻下游河道行洪压力，退洪口规模应尽量小。退洪口规模视潮安站预报的洪水频率而定，经试算，见表1。
表1 东厢分洪进退洪口规模汇总表
4.1 模型构建与验证
采用MIKE FLOOD软件构建一二维耦合的水动力数学模型。一维模型的模拟范围为竹竿山以下韩江三角洲河网，采用2020年实测横断面数据，断面间隔约1000m，河道形态显著变化的河段适当加密。二维模型的模拟范围为韩江分洪可能淹没的堤围区，包括意东围、东厢围、秋北-苏北围、苏溪围等，采用2014年1∶10000地形图生成的5m×5m DEM。数学模型模拟范围如图2所示。一维模型的河道糙率率定和验证采用近年来潮安站发生的2场较大洪水(2017、2019年)进行，潮安站、潮州供水枢纽东溪以及西溪闸下模拟水位值与实测值之间相差均在10cm以内，基本满足精度要求[18]。二维模型的陆域糙率根据不同下垫面类型进行选取。
4.2 计算方案
计算的边界条件采用韩江潮安站发生200年、300年、500年一遇的超标准洪水过程遭遇外海多年平均年最高潮位过程。计算以上3个重现期洪水条件下，不启用分洪和分别启用3个分洪方案的12种工况。考虑到与重点堤防工程的设计特征值衔接，分洪方案的启用条件确定为潮安站遭遇超100年一遇洪水，即流量超过16000m3/s，或水位超过15.60m。
4.3 损失评估
韩江分洪方案的运用成本，即分洪造成的淹没损失，采用洪水风险图编制基础技术平台的洪水影响和损失评估系统进行评估计算。洪水淹没特征指标采用数学模型模拟计算结果，社会经济调查和统计资料及空间地图信息资料均采用2020年数据[19]。
意东分洪的2个分洪路径方案在200年—500年一遇洪水条件下的分洪流量与分洪量基本相同(对比详见表2)，可将潮安站200年一遇洪水削减为100年一遇，而意东-东厢分洪路径方案造成的淹没面积、受影响人口及GDP、经济损失均较意东-秋北-苏北分洪路径方案小(对比详见表3)。因此，意东分洪推荐意东-东厢分洪路径方案。
表2 最大分洪流量及分洪量对比表
图2 淹没范围示意图
表3 分洪影响对比表
东厢分洪方案的分洪角度约40°，洪水主流通道较为畅通，而意东分洪方案的分洪角度接近90°，分洪洪水受意溪镇区密集建筑物阻挡。因此，东厢分洪方案的分洪条件优于意东分洪方案。从表2—3可见，东厢分洪方案比意东分洪方案在200年—500年一遇洪水条件下的分洪流量和分洪量均更大，可将潮州供水枢纽500年一遇洪水削减为约100年一遇，且总体上淹没范围、受影响人口和GDP、经济损失更小。从表4可见，东厢分洪方案对于潮安站以下的最高洪水位下降效果明显优于意东分洪方案，但由于东厢分洪口位于潮安站下游，东厢分洪方案对于潮安站以上的最高洪水位下降效果不如意东分洪方案。东厢分洪方案与意东分洪方案对潮安站的最高洪水位下降效果基本相同，对潮州北堤终点的最高洪水位下降值，意东分洪方案比东厢分洪方案大了约20cm，主要涉及韩江南北堤的潮州北堤段。韩江南北堤从潮州市湘桥区的竹竿山脚起，至汕头市金平区岐山的梅溪桥闸止，总长度42.9km。其中，潮州北堤段位于最上游，长2.3km，仅占全长的5%，且堤防设计标准为100年一遇，高于城堤段以下的其他段(50年一遇)。另一方面，由于河床下切，与2004年洪潮水面线相比，潮安站100年一遇洪水位下降2.81m，而下游河口段下切较小甚至有一定淤积，洪水位变化较小[18]。综上所述，韩江南北堤潮州北堤段洪水风险较其他段低，基于运用效果和运用成本的比较，推荐东厢分洪方案。具体调度规则如下：①当韩江干支流大型水库群调度后，预报潮安站流量将超过16000m3/s(或水位超过15.60m)且韩江南北堤、汕头大围出现重大险情时，视情适时启用东厢堤埔涵村堤段分洪；
②当围内水位高于外江水位，启用隆都围关脚村堤段、东山村堤段退水。
表4 分洪降低洪水位对比表
(1)为保障潮州市和汕头市城区的防洪安全，当韩江流域遭遇超标准洪水且韩江南北堤、汕头大围出现重大险情时，破堤分洪是为保全大局而不得不牺牲局部利益的整体考虑。根据韩江流域实际，在已有规划提出的意东分洪(意东-秋北-苏北)方案的基础上，提出了意东分洪(意东-东厢)和东厢分洪等2个新的可能方案。
(2)在200年—500年一遇洪水条件下，意东分洪的2个分洪路径方案运用效果基本相同，最大分洪流量1872～2275m3/s，而意东-东厢分洪路径方案的运用成本更低，分洪造成的经济损失为33.27亿～45.56亿元。因此，意东分洪推荐意东-东厢分洪路径方案。东厢分洪方案最大分洪流量3076～3746m3/s，分洪造成的经济损失为29.17亿～30.72亿元。总体上，东厢分洪方案的运用效果最好，且运用成本最低，比选为推荐方案。
(3)当韩江遭遇200年一遇洪水，南北堤一旦溃决，造成的经济损失约为273亿～332亿元(按2013年地区经济发展水平计算)[20]。东厢分洪方案可成为防御韩江流域超标准洪水的“底牌”，在关键时刻发挥决定性作用，避免重要城市的经济社会建设成果遭受巨大损失。
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