摘要

研究背景

研究区域和历史灾害回顾

图1(a)为洞庭湖区域水系图，图1(b)为团洲垸的多级堤防体系，一级堤防总长20.8千米，位于洞庭湖西北岸；二级堤防长14.35千米，是团洲垸与钱南垸的分界线；三级堤防位于钱南垸西侧，以保护相邻的新胜大垸。

图1 研究区域：(a)洞庭湖区域水系图；(b)团洲垸三级堤防系统

图2为通过无人机摄影测量获取的团洲垸一、二级堤防代表性横截面：堤顶高程分别为37米和36.5米，坡度在1:2.5至1:3之间。

图2 团洲垸两级堤防的横截面

图3为城陵矶水文站在1996年和2024年洪水事件的水位记录。这两次事件峰值水位均超过了33米的警戒水位，造成了2024年团洲垸一级堤防溃口，以及1996年的两级堤防溃口。

图3 城陵矶站水位时程曲线：(a) 2024年；(b) 1996年

图4为2024年7月5日的洞庭湖团洲垸一级堤防溃决前后的光学影像。6日12时左右，溃口宽度达到226米，垸内平均水深约5米。8日22时溃口完全封堵，9日8时启动排水，至12日，报告46起二级堤防渗漏与管涌险情，未发生连续溃堤。

图4 2024年团洲垸一级堤防溃堤前(a)、后(b)光学遥感影像

图5为1996年7月19日一级、二级堤防溃决后的光学影像。19日，一级堤防溃决，溃口宽度达295米；20日，二级堤防发生管涌，溃口宽度达314米，同时，一级堤防溃口因洪水侵蚀最终扩展至495米。造成6.5万人受影响，17人死亡。直到8月14日洞庭湖退洪后开始两处溃口修复和排水。

图5 1996年团洲垸(a)一级、(b)二级堤防溃后光学遥感影像

数值模拟方法

该模型包含三个关键点：土壤可蚀性、溃口流量和溃口几何形态。

土壤侵蚀速率采用Hanson和Simon在2001年提出的经验公式计算。本研究利用洞庭湖地区可用的土壤参数范围，计算出堤防地质条件.

本研究溃口流量计算采用宽顶堰流假定，并引入一个修正因子ksm以考虑下游水位的影响。溃口几何形态的演变过程被划分为四个阶段，如图6所示。

图6 堤防溃决过程的四个阶段

采用一个集成的数值模型EDDA进行模拟，模型的控制方程为浅水方程（SWE），采用有限体积法进行数值求解，如图7所示。

图7 有限体积法示意图

堤防溃决模型与洪水演进模型在同一程序中实现耦合计算，并在每个时间步长执行耦合操作，计算流程如图8所示。其计算流程如下：初始化设置溃口1的初始几何形态与下游水位；基于溃堤模型计算溃口1首时段流量Qin-1，作为洪水淹没模型的边界条件执行第一个区域洪水演进，得到溃口1下游水位Hdown-1和溃口2上游水位Hup-2。若多级堤防失效，则重复计算迭代。

图8 堤防级联失效模拟数值耦合框架流程图

结果

（1）第一级堤防溃决

图9表明，若没有及时封堵，2024年溃口宽度会扩大至250米。相比之下，1996年溃口#1扩张速度更快，在36小时内达295米。

图9 溃口宽度发展：(a) 2024年案例；(b) 1996年案例

图10(a)、(b)表明，1996年溃口#1形状更宽，但侵蚀深度与2024年相似。溃口扩展速率差异的原因为洞庭湖水位影响，2024年溃口发生后水位呈现下降趋势；而1996年溃口处初始水位更高，且溃后水位持续上升。图11表明1996年溃口初始水位差比2024年更高。

图10 (a) 2024年溃口形态演变，(b) 1996年溃口#1形态演变，(c) 1996年溃口#2形态演变。T为第一次溃堤后的时间。

图11 2024年和1996年案例中溃口处的水位差

（2）第二级堤防溃决

图9(b)表明1996年溃口#2的扩张速率略大于溃口#1。溃口#2发生导致洞庭湖的水继续灌入团洲垸，引发了溃口#1的后续扩张，最终宽度达到495米。

图10(c)表明溃口#1在第一级堤防失效过程中侵蚀深度大于溃口#2，归因为溃口#2发生时洞庭湖水位较低以及钱南垸的高程高于团洲垸。图11表明溃口#2处的初始水位差小于溃口#1处，导致1996年溃口#2向下扩张速率较慢。

图12(a)表明，在第二级堤防溃口期间，溃口#1的流量曲线与溃口#2非常相似。图13表明，1996年溃口#2平均流速峰值更高但持续时间更短，表明二级溃口具有显著的破坏性影响。

图12 2024年和1996年(a)流量，(b)淹没区总流入量变化

图13 2024年和1996年溃口平均流速变化

（1）洪水演进

图14为2024年溃堤洪水演进过程。洪水从北向最南端流动大约需9小时，18小时后，平均淹没深度为4.5米，最大水深达约10米。此外，第二级堤防附近水深较大，导致了46起管涌和渗透事件发生。

图14 2024年案例的洪水演进

图15为1996年两级堤防溃口的洪水演进过程。溃口#1洪水在7小时内淹没团洲垸，二级堤防附近水深超过7米；二级堤防经过160小时后失效，溃口#2洪水在38小时内淹没钱南垸。

图15 1996年案例的洪水演进

淹没率定义为每秒淹没面积的增加量，如图16(a)所示。1996年一级堤防溃口后最大淹没率约为2024年的两倍，归因于1996年溃口流量更大。1996年二级堤防溃决后平均淹没率是一级堤防溃决后的1.4倍，表明二级堤防溃决破坏力更强。

图16 . 2024年和1996年案例 (a)淹没率，(b)团洲垸平均水位变化

（2）水位变化

如图16(b)所示，1996年洞庭湖水位更高，溃口流量更大，导致团洲垸平均水位上升更为迅速。溃口#2发生后，部分水涌入钱南垸，致使团洲垸平均水位下降，其最终与钱南垸和洞庭湖水位持平。

讨论

利用1996年案例的水文条件和初始溃口形状，进一步比较了四种情景，如图17所示：（1）溃口#1发生时，二级堤防得到加固并保持稳定；（2）溃口#2在溃口#1关闭前发生；（3）溃口#1发生时没有二级堤防；（4）溃口#2在溃口#1关闭后发生。

图17 四种情景示意图

（1）多级堤防的缓冲作用

图18、19表明，案例3中的最终溃口宽度比案例2长188米，溃口#1的峰值流量增加了1.8倍。与1996年案例相比，没有二级堤防时洪水淹没没有间断，洪水以更快速度淹没更大区域。

图22中案例3与其他案例对比表明，多级堤防系统在时空尺度上对堤防溃决和洪水演进具有缓冲作用。即使发生级联失效，多级堤防的存在也能显著减少溃口规模、流量和淹没速率。

图18 有、无二级堤防下(a)溃口宽度和(b)流量变化

图19 有、无二级堤防下(a)淹没率和(b)团洲垸平均水位变化

（2）溃口#1封堵

图20、21表明，若溃口#1已被封堵，溃口#2的扩张速度和持续时间大大降低，且其发展不再影响溃口#1。案例4中溃口#2峰值流量减少到案例2的2/3，表明及时封堵溃口#1可以有效降低二级堤防溃口时的破坏力。

图22中案例2和4对比表明关闭先前溃口对后续级联失效的缓解作用。关闭溃口#1可以减小溃口#2的宽度和流量，降低淹没率和水位，从而缓解淹没区域的洪水风险。

图20 溃口1#封堵/不封堵情况下溃口#2的(a)溃口宽度和(b)流量变化

图21 溃口1#封堵/不封堵情况下溃口#2的(a)淹没率，(b)二级洪水下团洲垸平均水位变化

图22 四种工况下(a)溃口宽度，(b)洪峰流量，(c)平均淹没率和(d)团洲垸平均水位变化

（3）第二级堤防加固

图22表明，由于二级堤防失效，溃口#1宽度增加2倍，平均淹没率增加1.4倍。因此，当一级堤防出现溃口时，立即加固二级及其他级别的堤防至关重要。2024年案例自7月5日起开始对二级堤防进行加固，包括堆叠沙袋以保护坡脚、铺设防水布以防止雨水渗入等。

（4）排水

排水是应急救援中的一个关键环节。排水缓慢会使水更容易渗入堤防主体，可能导致堤防主体土壤恶化并引发管涌和新的溃口。然而，排水过快也可能导致堤防坡脚不稳定，引发滑坡、堤顶坍塌和突发性洪水等灾害链。为了揭示排水速率对堤防稳定性及潜在灾害链的影响，需进行系统的物理试验和数值模拟，这将是未来研究中一个非常重要的课题。

结论