基于RTK观测与洪潮耦合模拟的珠江三角洲网河水道壅水机制研究

The tidal and flooding water levels of watercourses in the Pearl River Delta (PRD) are determined by the complex interactions among upstream flooding discharge, tidal current and the hydrodynamic conditions within the watercourses and estuary. The design tidal and flooding water levels of watercourses computed by common frequency distribution analysis of extreme observations often have large errors because of the dramatic and continuous alteration of tidal and hydrodynamic conditions due to sea level rise and intense human activities in PRD. This project will systematically collect the water level information at tidal and hydrologic stations, and survey the water level and backwater inundation due to storm surge by using RTK (Real-Time Kinematic) and crowd pictures and video along the main watercourses. A storm surge model will be established in the Pearl River estuary and offshore ocean. A one-dimension hydrodynamic model will be established and coupled with the storm surge model to simulate the up spreading of storm surges along in the Xiaolan-Hengmen watercourse, the interactions between storm surge and flooding discharge, and the overtopping inundation by backwater. This is significant and will provide crucial data and technique preparation for the flooding planning, storm surge flooding defense, flooding risk management and emergency response for cities in the Pearl River Delta.

珠江三角洲网河水位受到径流、潮流和水文动力环境之间的耦合作用，在极端风暴潮时常发生严重壅水。因水文动力环境不断变异和水文观测站点有限，采用水位极值频率分布与洪潮遭遇联合频率分析法来计算网河水道的设计洪水位，将产生较大误差。本项目将系统收集珠江三角洲网河干流水道的水位信息，并结合公众网络与新闻媒体提供的淹没图片与视频，采用卫星RTK实时动态差分技术，实地跟踪测量风暴潮在网河水道的上溯传播与壅水倒灌信息；利用高精度的航道测绘和机载激光雷达高程数据，提取河道断面与堤围高程，在小榄-横门水道建立一维水力学非恒定流模型，耦合在珠江口建立的风暴潮模型，根据典型风暴潮事件和海平面上升速率，设计极端洪潮遭遇情景，模拟风暴潮潮能通量沿干流水道的上溯传播、及其遭遇上游洪水后导致的网河水位异常壅高与漫堤淹没范围，为珠江三角洲网河水道洪潮灾害防治、防洪规划、洪涝灾害风险管理与应急响应提供基础数据和技术储备。

暴雨和台风暴潮引发的洪涝灾害是粤港澳大湾区城市群面临的最严重的自然灾害威胁。珠江三角洲地势低洼，网河洪潮极端水位受到径流、潮流和水文动力环境之间的耦合作用，在流域极端洪水与河口风暴潮遭遇时常引发网河壅水，导致严重的洪涝灾害。在本项目的资助下，研究团队在水文观测设备研发与洪涝灾情快速监测评估技术研究、珠江三角洲网河洪潮水文数据收集观测与洪灾应急测绘、网河洪潮水文动力耦合模拟与极值水位演变特征分析、网河联围漫堤淹没模拟与灾害风险分析、以及城市内涝模拟与洪灾风险快速评估这五个方面开展了系统研究。项目研究成果获得了2021年广东省科技进步二等奖“南方暴雨洪涝灾害防控关键技术研发与应用”，申请获得国家授权发明专利1项和软件著作权2项，发表9篇SCI论文、3篇中文期刊论文；完成培养9名硕士和2名高级人才。项目的核心研究成果总结如下：.项目团队自主研发了水流智能漂流球，集成研发了“温盐深氧”野外自动观测系统，建立了集成天空地网多源信息的暴雨洪涝灾情快速监测评估技术框架体系,在实际观测研究中取得了高质量的观测数据；模拟了不同重现期的洪水与风暴潮遭遇的洪潮耦合过程，揭示了极端场景下西江磨刀门河道和小榄横门水道的洪潮耦合壅水特征及其主导机制；建立了联围水闸排水量快速测算和积水淹没模拟方法，可以实时快速模拟和评估在不同外江洪潮水位顶托影响下联围局地暴雨排涝防洪能力与淹没风险；提出了针对暴雨内涝洼地子汇水区为评价单元的地形控制作用指数，研发了城市内涝灾害风险快速评估模型，可快速识别和评估城市街区的暴雨内涝灾害风险；提出了一个基于地面坡度的流速比指数和管道压力流简化表征方法，提高了管网设计排水能力计算和暴雨内涝模拟的准确性。上述部分研究成果已经投入到科研调查和洪涝灾害风险管理业务中，项目成果具有较好的应用前景和推广价值。