37、堤防决口建模：原理、方法与数值模拟

堤防决口建模：原理、方法与数值模拟

1. 引言

堤防通常沿河流、溪流和渠道修建，用于防洪保护，或围绕蓄水设施建造，一般采用可侵蚀材料。这些土堤结构可能因漫顶、管涌或边坡失稳而失效，其中漫顶是最常见的失效原因。堤防决口可能导致灾难性的财产损失和人员伤亡，如2005年卡特里娜飓风后新奥尔良市的破坏、2012年桑迪飓风对美国东海岸的影响，以及2015年华金飓风对南卡罗来纳州哥伦比亚市的破坏。

准确预测决口的发展、决口出流以及由此产生的流场，对于应急准备和减轻洪水灾害至关重要。堤防决口过程复杂，涉及水流、泥沙输移和相应的地貌变化之间的相互作用。

堤防决口可分为意外决口和有计划的工程决口。对于准确的洪水模拟，需要知道决口的形状和大小。工程决口的这些参数是预先已知的，但对于意外决口，决口的形状、大小和随时间的发展必须与水流计算同时确定，因为它们相互依赖。目前大多数洪水模拟模型需要用户指定决口大小作为输入，而适当的动态建模应将决口发展视为一个时间演化过程，取决于决口内外的水流、堤防材料和堤防断面。

2. 决口流量估算

侧向出流通过堤防决口可以通过数值求解一维空间变化流方程或二维浅水方程来估算。与一维模型相比，二维模型需要更多的地形信息、更多的离散化工作，并且需要将决口作为内部边界包含在内。而一维模型通常更易于应用。

以下是一些不同学者开发的模型：
- Han等人（1998） ：开发了一个结合一维和二维的水动力模型，一维模型求解主河道的动态波方程，二维模型求解漫滩的扩散波方程，并应用于汉江下游的实际堤防决口案例。
- Roger等人（2009）