多级堤防系统溃决洪水灾害的级联效应与应急减灾策略研究——以洞庭湖团洲垸为例

针对多级堤防系统级联溃决灾害模拟效率低、风险低估等问题，研究人员开发了耦合侵蚀模型与浅水方程(SWE)的高效数值方法，通过1996和2024年洞庭湖团洲垸案例揭示了级联溃决的灾害放大效应，量化了多级堤防缓冲作用，为应急抢险决策提供了理论依据。

　　

在全球气候变化背景下，多级堤防系统因土地复垦和蓄滞洪区建设广泛分布于主要流域，虽增强了防洪韧性，却 paradoxically 增加了级联溃决风险。洞庭湖作为长江中游重要防洪节点，近四十年来频发管涌、漫顶等溃堤灾害，1996年二级堤防连续溃决造成200平方公里淹没和17人死亡，而2024年通过应急措施避免了类似灾难。这类"多米诺骨牌"式灾害机制尚不明确，传统单阶段溃坝模型严重低估洪水风险，亟需建立高效的多级耦合模拟方法。

针对这一科学难题，中国某研究机构W.J.Lu、R.C.Jiang等团队在《Journal of Hydrology: Regional Studies》发表研究，创新性地将侵蚀模型与二维浅水方程(SWE)耦合，开发出可模拟多级溃堤-洪水互馈过程的EDDA数值平台。该方法采用有限体积法求解控制方程，通过HLLC Riemann求解器计算通量，结合Hanson-Simon侵蚀公式量化土体可蚀性参数K_d
和临界剪切应力τ_c
，并划分溃口演变的四个阶段。研究以1996和2024年团洲垸溃堤事件为案例，利用无人机摄影测量获取堤防断面数据，结合Chenglingji水文站水位记录进行模型验证。

多级堤防溃决机制
通过对比分析揭示：1996年案例因洞庭湖水位持续上涨导致一级溃口加速扩展至295米，峰值流量达7067 m³
/s，是2024年单级溃堤的1.3倍。二级溃堤触发一级溃口的次生侵蚀，使其最终长度倍增到495米，证实级联效应会显著放大灾害。

洪水演进特征
模拟显示二级溃堤洪水平均淹没速率达一级的1.4倍，呈现"陡峰型"流速曲线（峰值2.6 m/s）。多级堤防虽发生级联失效，但其空间缓冲作用仍使总溃口长度比无二级堤防情景减少188米，峰值流量降低45%。

减灾策略量化
四情景对比表明：及时封堵一级溃口可使二级溃口长度缩减2/3，最大淹没速率降低1/3；而二级堤防加固可争取8天应急窗口期。2024年案例中"裹头"抢险和反滤井措施有效阻断了灾害链。

该研究首次系统阐明了多级堤防"溃决-洪水"级联互馈机制，建立的分钟级计算效率模型为智能应急响应提供技术支撑。成果不仅适用于长江流域，对荷兰堤防、新奥尔良飓风防护等全球多级防洪体系均有借鉴价值。未来需进一步研究排水速率对堤坡稳定的影响，以完善灾害链防控理论体系。