基于HEC-RAS的淮河淮南段洪水漫頂風(fēng)險(xiǎn)分析

徐 偉，劉 茂，楊 杰，李春志，尚小娟

（1.南開大學(xué)城市公共安全研究中心，天津 300071；2.中國石油天然氣管道局第二工程分公司，江蘇徐州 221008；3.天津師范大學(xué)生命科學(xué)院，天津 300387）

基于HEC-RAS的淮河淮南段洪水漫頂風(fēng)險(xiǎn)分析

徐 偉1，2，劉 茂1，楊 杰1，李春志2，尚小娟3

（1.南開大學(xué)城市公共安全研究中心，天津 300071；2.中國石油天然氣管道局第二工程分公司，江蘇徐州 221008；3.天津師范大學(xué)生命科學(xué)院，天津 300387）

淮河淮南段聚集了大量的人口、工廠、農(nóng)田、建筑物等，一旦發(fā)生較大規(guī)模的洪水，將對人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。運(yùn)用HEC-RAS軟件和HEC-GeoRAS模塊，在GIS環(huán)境中，模擬現(xiàn)有防洪工程條件下淮河淮南段在40年、60年及100年一遇洪水周期下的洪水漫頂淹沒情況，得到不同橫斷面的設(shè)計(jì)水位線、漫頂淹沒的范圍、淹沒水深等數(shù)據(jù)。洪水漫頂模擬結(jié)果表明：淮河淮南段的防洪堤壩能夠抵御40年、60年一遇的洪水，基本能抵抗100年一遇的洪水；模擬水位與設(shè)計(jì)水位吻合度高，基于HEC-RAS的洪水漫頂模擬合理可信，可為防洪預(yù)警、制定人員疏散方案及洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析等方面提供依據(jù)。

HEC-RAS；淮河；洪水；漫頂；風(fēng)險(xiǎn)分析

1 概 述

在遍及全球的各種自然災(zāi)害中，洪水災(zāi)害最為常見。即使在科技高度發(fā)達(dá)的今天，洪水災(zāi)害依然是威脅人類生命安全和財(cái)產(chǎn)損失最大的自然災(zāi)害［1］。由于城市的擴(kuò)大、人口的增加和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同樣的洪水災(zāi)害所造成的損失較過去有幾倍甚至幾十倍的增加。為了降低洪水災(zāi)害帶來的損失，除興建必要的骨干工程之外，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)研究洪水預(yù)報(bào)與風(fēng)險(xiǎn)分析等非工程措施，將防洪工作重點(diǎn)放在非工程措施上，其中洪水淹沒場景的模擬是非工程措施中制定防洪預(yù)案的重要依據(jù)［2］。

李天文等人［3］基于數(shù)字高程模型的柵格結(jié)構(gòu)，以渭河下游洪水淹沒數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)無源淹沒和有源淹沒的原理，并結(jié)合ERDAS 8.5的虛擬GIS模塊實(shí)現(xiàn)了無源淹沒的三維可視化模擬。蘇布達(dá)等人［4］以GIS柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)及湖北省荊江分洪區(qū)為研究對象，在數(shù)字地形模型和Landsat ETM遙感影像等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，模擬了不同分洪方案下的洪水淹沒范圍、水深和相應(yīng)的洪水淹沒地物面積及其可能損失等。英國的M.S.Horritt和P.D.Bates［5］運(yùn)用1D和2D水力模型LISFLOOD-FP、TELEMAC-2D測驗(yàn)英國境內(nèi)60 km長的Severn河流在1998和2000年發(fā)生的洪水事件。P.D.Bates和A.P.J.De Roo［6］于2000年開發(fā)了一個(gè)用于模擬洪水淹沒的模型，該模型由一維運(yùn)動(dòng)波和二維擴(kuò)散波組成，其中用一維運(yùn)動(dòng)波近似代替河道水流情況，并由顯式有限差分法求解，用二維擴(kuò)散波代表洪泛區(qū)水流行徑情況。

本文以淮河淮南段為研究對象，用HEC-RAS軟件和HEC-GeoRAS模塊，在GIS環(huán)境中模擬不同洪水周期下的漫頂淹沒情況。模擬步驟概括如下：

（1）在GIS中導(dǎo)入數(shù)字高程模型（DEM），用HEC-GeoRAS做前期處理，在DEM中創(chuàng)建河道中心線、河岸、河流路徑中心線、土地使用類型等圖層；

（2）將這些圖層數(shù)據(jù)從GIS中導(dǎo)出，再由HECRAS軟件導(dǎo)入這些數(shù)據(jù)，構(gòu)架起河網(wǎng)的基本幾何屬性，包括：河流走向、河網(wǎng)形狀、河道斷面、不同土地使用類型的曼寧系數(shù)；

（3）運(yùn)行HEC-RAS模擬程序，得到不同斷面的水深、水流速度等數(shù)據(jù)，將HEC-RAS軟件模擬出的文件導(dǎo)入HEC-GeoRAS中，做后期處理，最終在GIS環(huán)境中模擬出洪水的淹沒范圍和淹沒水深。

2 HEC-RAS軟件和HEC-GeoRAS模塊

2.1 HEC-RAS軟件

河道分析系統(tǒng)HEC-RAS（River Analysis System）是由美國陸軍工程師團(tuán)（U.S.Army Corps of Engineers）的水文工程中心（Hydrologic Engineering Center）開發(fā)出的一款能夠演算一維恒定流和非恒定流的軟件，可以用于河道水力的計(jì)算、泥沙沉積物的遷移模擬和水溫分析。HEC-RAS模型系統(tǒng)是水文工程中心研發(fā)的“Next Generation”（NexGen）水文工程軟件中的一個(gè)部分［7］。

HEC-RAS4.0系統(tǒng)是能夠提供多項(xiàng)工作、與使用者間交互使用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境服務(wù)的完整軟件，此系統(tǒng)包含了圖形用戶界面（Graphical User Interface，簡稱GUI）、獨(dú)立的水力分析單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理功能以及圖標(biāo)制作工具。HEC-RAS 4.0涵蓋了4個(gè)部分的一維河道分析：水面線的恒定流計(jì)算；非恒定流模擬；泥沙輸移／可動(dòng)邊界計(jì)算；水質(zhì)分析。這4個(gè)部分都使用同一個(gè)幾何數(shù)據(jù)，并且?guī)缀魏退τ?jì)算路徑也一致。除此之外，HEC-RAS 4.0系統(tǒng)還具有一些水力設(shè)計(jì)功能，在計(jì)算基本水面線時(shí)可以調(diào)用這些功能［8］。

2.2 HEC-GeoRAS模塊

過去使用HEC-RAS模擬時(shí)，主要是針對河道內(nèi)的水位變化情況，一旦水位超過堤頂高程，RAS就無法模擬堤防之外的二維洪水淹沒情況。如今，搭載了GIS的功能，在GIS中加入HEC-GeoRAS的擴(kuò)展模塊可以解決這個(gè)難題。

HEC-GeoRAS是由HEC和美國環(huán)研所（ESRI）聯(lián)合開發(fā)，為水文工程中心河道分析系統(tǒng)（HEC-RAS）提供處理空間數(shù)據(jù)功能的GIS特定應(yīng)用程序，可以嵌套在GIS里運(yùn)行，是HEC-RAS與GIS數(shù)據(jù)交換的媒介。前期處理可以獲取河道的幾何圖形、河道的橫截面資料、堤防的數(shù)據(jù)等，為HEC-RAS的模擬提供前期的準(zhǔn)備工作；在HEC-RAS水力分析之后，在GIS中調(diào)入HEC-RAS的輸出文件，通過GeoRAS可模擬出漫頂洪水淹沒范圍和水深，這就是GeoRAS的后期處理功能［7］。

3 漫頂模擬步驟

3.1 河網(wǎng)的數(shù)字化

用Geo-RAS模塊從淮南的DEM地形圖中提取河道、灘地、橫斷面等數(shù)據(jù)，導(dǎo)入HEC-RAS軟件中，得到淮河淮南段河網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖及橫斷面的標(biāo)記圖，如圖1、圖2所示。

圖1 淮河淮南段河網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Network structure of Huainan reach of Huai River

圖1 中各個(gè)數(shù)字代表不同的河段。其中：1為流經(jīng)淮南市的淮河上游段；2為淮河主干流中游段；3為淮河主干流下游段；4為淮南市淮河支流上游段；5為淮南市淮河支流下游段；6為淮河分流段。箭頭方向代表了淮南段淮河的水流走向，藍(lán)色線條代表各個(gè)河段，綠色線條代表不同河段的河道橫斷面，紅點(diǎn)代表河道兩側(cè)的左、右高灘地，灘地外圍的粉色方框代表河道左右兩側(cè)的堤防位置。

圖2中的阿拉伯?dāng)?shù)字代表不同河段的河道橫斷面的標(biāo)記。在前期處理選取的橫斷面較多，受篇幅所限，本文僅選取其中的1號、2號兩個(gè)橫斷面作為模擬對象。

3.2 輸入?yún)?shù)的選取

3.2.1 各個(gè)河段不同洪水周期的設(shè)計(jì)流量

《淮南市城市防洪規(guī)劃》［9］的近期防洪標(biāo)準(zhǔn)為抵御1954年洪水（約40年一遇），遠(yuǎn)期防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水。依照40年一遇的設(shè)計(jì)流量，根據(jù)《淮南市城市防洪規(guī)劃》中頻率曲線圖估算出60年和100年一遇的洪水設(shè)計(jì)流量，再分別做具體的洪水模擬分析。不同洪水周期下，各個(gè)河段的洪水設(shè)計(jì)流量的假定值如表1所示。

圖2 淮河淮南段河網(wǎng)橫斷面的標(biāo)記圖Fig.2 The tag of river network cross-sections of Huainan reach of Huai River

表1 各個(gè)河段在不同洪水周期下的假定洪水設(shè)計(jì)流量Table 1 The assumed flood design flow of each reach under different floods m3／s

3.2.2 各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水水位及流量

根據(jù)《淮南市城市防洪規(guī)劃》，淮南市境內(nèi)設(shè)計(jì)流量10 000 m3／s，淮河淮南段境內(nèi)各節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水水位及流量，如表2所示。

3.2.3 堤頂高程

淮河淮南段在右岸建有防洪堤39.12 km，從西至東分別為黑李段、老應(yīng)段、耿石段、田家庵圈堤、窯河封閉堤5段。根據(jù)《淮南市城市防洪規(guī)劃》選取堤頂高程，分別為：黑李段取27.6～28.0 m，老應(yīng)段取29.0 m，耿石段取26.5～27.0 m，田家庵圈堤取27.5～26.5 m，窯河封閉堤取27.0 m；由河段2，5，6圍成的上六坊行洪區(qū)的堤壩高度取23.7 m，由河段3上半段以南覆蓋的下六坊行洪區(qū)的堤壩取23.7～23.9 m，由河段3下半段和對應(yīng)的右側(cè)堤防圍成的石姚段行洪區(qū)的堤壩取23.5 m。

3.2.4 Manning系數(shù)

左岸高灘地、主河道和右岸高灘地的Manning系數(shù)n取值分別為：0.03，0.035，0.04［6］。

3.2.5 收縮系數(shù)和擴(kuò)張系數(shù)

這2個(gè)系數(shù)用以評估河道收縮和擴(kuò)張的能量損失。收縮系數(shù)為0.1，擴(kuò)張系數(shù)為0.3。

3.2.6 邊界條件

在計(jì)算上游1河段正常水深時(shí)的上游坡降為0.000 5，河段3和河段4的邊界條件為臨界水深。

3.2.7 河流的流態(tài)

河流的流態(tài)為混合流態(tài)。

表2 淮河淮南段境內(nèi)各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水水位及流量Table 2 Designed flood level and flow of each node in Huainan reach of Huai River

4 漫頂模擬結(jié)果

4.1 河道橫斷面的模擬水位線

淮河淮南段中2個(gè)河道橫斷面在40年、60年及100年一遇的洪水周期下的模擬水位線如圖3所示。

圖3中藍(lán)色橫線代表不同設(shè)計(jì)洪水周期下的模擬水位線，紅色豎線代表堤防的高度和位置。不同顏色代表不同流速，由圖例可得出流速的大小，凡是藍(lán)色橫線沒有劃到的地方代表沒有水流入。

由圖3（a）可得，1號橫斷面右岸堤防高度高于模擬水位線，所以右岸不會(huì)發(fā)生漫頂。因此，右岸堤防能夠抵擋40年、60年、100年一遇的洪水。

由圖3（b）可得，2號橫斷面40年一遇洪水周期下洪水的模擬水位線低于堤防高度，而60年和100年一遇周期下洪水的模擬水位線高于堤防高度。因此，2號橫斷面右岸堤防能夠抵擋40年一遇的洪水，而在60年和100年一遇的洪水周期下則發(fā)生漫頂現(xiàn)象，對河流右岸產(chǎn)生影響。

圖3 1號和2號橫斷面在40年、60年及100年一遇洪水周期下的模擬水位線Fig.3 The simulated water levels of No.1 and No.2 cross-section under floods once in 40 years，60 years and 100 years

4.2 河段的全程縱剖面

全程縱剖面包含了堤頂高程、河底高程、灘地高程及水位線在水平方向的位置情況，它能有效地說明是否有漫頂現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)水位線低于堤頂高程時(shí)，不會(huì)發(fā)生漫頂；反之，當(dāng)水位線高于堤頂高程時(shí)，則發(fā)生漫頂?；春踊茨隙蔚暮佣?、河段2全程縱剖面如圖4所示。

圖4中，從上往下不同的線分別代表：右岸堤防堤頂高程、100年一遇的模擬水位線、60年一遇的模擬水位線、40年一遇的模擬水位線、左岸堤防堤頂高程，2條虛線分別代表左岸灘地和右岸灘地的縱剖面及河底高程的縱剖面。

由圖4（a）可得，對于河段1而言，右岸堤頂高程高于40年、60年、100年一遇洪水的模擬水位線。因此，河段1不會(huì)發(fā)生漫頂，對河流右岸沒有影響。

由圖4（b）可得，在河段2的起始2 000 m內(nèi)，右岸堤頂高程高于40年一遇洪水的模擬水位線，但是低于60年、100年一遇洪水的模擬水位線，因此，對于40年一遇的洪水不會(huì)發(fā)生漫頂，而對于60年和100年一遇的洪水會(huì)發(fā)生漫頂；在河段2的3 000～14 000 m內(nèi)，右岸堤頂高程高于40年、60年、100年一遇的模擬水位線，此時(shí)不會(huì)發(fā)生漫頂，對河流右岸沒有影響。

圖4 淮河淮南段的河段1和河段2全程縱剖面Fig.4 The entire longitudinal profiles of No.1 and No.2 river reach in Huainan reach of Huai River

圖5 淮河淮南段發(fā)生洪水淹沒示意圖Fig.5 The flood inundation in Huainan reach of Huai River

表3 淮河淮南段境內(nèi)各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水水位與模擬值的對照Table 3 Comparison between designed flood level and simulated level of each node in Huainan reach of Huai River

4.3 二維漫頂洪水淹沒圖

在GIS環(huán)境中，通過GeoRAS模塊將由HECRAS軟件模擬出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到淮南市的DEM地形圖中，生成不同洪水周期下的二維漫頂洪水淹沒示意圖，如圖5所示。

模擬可知，在40年、60年、100年一遇洪水周期下，河段2與河段4，5，6所圍區(qū)域內(nèi)的行洪區(qū)被淹沒。對于40年一遇的洪水，河段3右岸行洪區(qū)僅有少量被水淹沒；對于60年一遇的洪水，河段3右岸行洪區(qū)的少部分被水淹沒；對于100年一遇的洪水，河段3右岸行洪區(qū)絕大部分被水淹沒。

從二維漫頂洪水淹沒的模擬圖來看，40年和60年一遇的洪水都出現(xiàn)漫頂現(xiàn)象，只是溢流出來的水都泄流到行洪區(qū)中，因此淮河淮南段能夠抵御40年、60年一遇的洪水。然而，對于100年一遇的洪水，除了漫頂淹沒行洪區(qū)外，由于袁郢孜地段（圖5（c）中的a點(diǎn)）位于行洪區(qū)的邊緣地帶，而且地勢比較低，造成洪水從該地區(qū)直接流入淮南市區(qū)，因此，袁郢孜地段需加強(qiáng)堤壩修筑或填高。

4.4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)水位與模擬水位

將軟件模擬出的40年、60年、100年一遇洪水周期下的橫斷面水位線與《淮南市防洪規(guī)劃》中給出的淮河淮南段境內(nèi)40年一遇洪水周期下各節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)水位對照所得統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表3所示。

由表3可知，以設(shè)計(jì)水位為基準(zhǔn)，前5個(gè)節(jié)點(diǎn)的40年一遇的模擬水位與設(shè)計(jì)水位吻合度較高，而后5個(gè)節(jié)點(diǎn)這2個(gè)值之間差異越來越大。

出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因，分析有三點(diǎn)：一是缺乏詳細(xì)的河道地形數(shù)據(jù)，河道的地形數(shù)據(jù)是在已知河道中心線河底高程的基礎(chǔ)上合理假設(shè)給出的，其中部分區(qū)域或個(gè)別橫斷面的數(shù)據(jù)與真實(shí)值之間可能存在較大的誤差；二是《淮南市城市防洪規(guī)劃》中規(guī)定了境內(nèi)各個(gè)站點(diǎn)的40年一遇的設(shè)計(jì)流量，而沒有規(guī)定各個(gè)河段分配的設(shè)計(jì)流量，即在已知總的設(shè)計(jì)流量的情況下，沒有給定干流和支流所分配的流量；三是邊界條件、各種系數(shù)（如Manning系數(shù)、擴(kuò)張系數(shù)等）對模擬結(jié)果也有一定影響。

5 結(jié) 論

本文通過HEC-RAS軟件和HEC-GeoRAS模塊，在GIS環(huán)境中，模擬現(xiàn)有條件下淮河淮南段在40年、60年及100年一遇洪水周期下，河道各個(gè)橫斷面的模擬水位線、各個(gè)河段的全程縱剖面圖，能夠直觀地反應(yīng)是否有漫頂現(xiàn)象發(fā)生。在GIS中實(shí)現(xiàn)不同洪水周期下的二維洪水淹沒圖，得到洪水淹沒的范圍及水深數(shù)據(jù)。模擬結(jié)果表明，淮河淮南段的防洪堤能夠抵御40年、60年一遇的洪水；基本能抵抗100年一遇的洪水，但需要對袁郢孜地段加強(qiáng)堤壩修筑或填高，防止洪水從袁郢孜流出傾入市區(qū)。

將不同周期下洪水的模擬水位與《淮南市城市防洪規(guī)劃》中規(guī)定的40年一遇洪水周期下淮河淮南段境內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水水位相比較可知，模擬水位和設(shè)計(jì)水位吻合度高，模擬結(jié)果真實(shí)可信，可為城市防洪預(yù)警、制定人員疏散方案以及洪水災(zāi)害損失評估等方面提供依據(jù)。

［1］ 葉義華.城市防災(zāi)工程［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1999.（YE Yi-hua.Urban Disaster Prevention［M］.Beijing：Metallurgical Industry Press，1999.（in Chinese））

［2］ 徐 偉.城市洪水災(zāi)害的模擬及風(fēng)險(xiǎn)管理對策的研究——以淮南市為例［D］.天津：南開大學(xué)，2010.（XUWei.Simulation of Urban Flood Disaster and Research on Measures of Risk Management：Take Huainan City as an Example［D］.Tianjin：Nankai University，2010.（in Chinese））

［3］ 李天文，吳 琳，曹 穎.基于渭河下游DEM的洪水淹沒分析與模擬［J］.水土保持通報(bào)，2005，25（4）：53－56.（LI Tian-wen，WU Lin，CAO Ying.Flood A-nalysis and Simulation of Lower Reaches of Weihe River Based on DEM［J］.Bulletin of Soil and Water Conservation，2005，25（4）：53－56.（in Chinese））

［4］ 蘇布達(dá)，姜 彤，郭業(yè)友.基于GIS柵格數(shù)據(jù)的洪水風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)模擬模型及其應(yīng)用［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，33（4）：370－374.（SU Bu-da，JIANG Tong，GUO Ye-you.GIS Raster Data-based Dynamic Flood Risk Simulation Model and Its Application［J］.Journal of Hohai University，2005，33（4）：370－374.（in Chinese））

［5］ HORRITTM S，BATESPD.Evaluation of 1-D and 2-D Numerical Models for Predicting River Flood Inundation［J］.Journal of Hydrology，2002，268（1－4）：87－99.

［6］ BATESA P D，DE ROO A P J.A Simple Raster-Based Model for Flood Inundation Simulation［J］.Journal of Hydrology，2000，236（1－2）：54－77.

［7］ Hydraulic Engineering Center of USACE.HEC-RAS：River Analysis System User’s Manual Version 4.0［M］.Davis CA：USArmy Corps of Engineers，2008.

［8］ Hydraulic Engineering Center of USACE.HEC-RAS：River Analysis System Hydraulic Reference Manual Version 4.0［M］.Davis CA：USArmy Corps of Engineers，2008.

［9］ 安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院.淮南市城市防洪規(guī)劃［R］.安徽淮南：淮南市水利局規(guī)劃設(shè)計(jì)室.1995.（Anhui Provincial Survey＆Design Institute of Water Conservancy and Hydropower.Urban Flood Control Planning of Huainan City［R］.Huainan：Planning and Designing Department of Huainan Water Resources Bureau.1995.（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

HEC-RAS for Risk Analysis of Flood Overtopping Inundation in Huainan Reach of Huai River

XUWei1，2，LIU Mao1，YANG Jie1，LIChun-zhi2，SHANG Xiao-juan3
（1.Research Center on Urban Public Safety，Nankai University，Tianjin 300071，China；2.No.2 Construction Company of China Petroleum Pipeline Bureau，Xuzhou 221008，China；3.School of Life Sciences，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

There are a large number of people，factories，farmlands and buildings in Huainan area，the south part of Huai River.Big floodswill severely endanger people’s life and property.In this paper，HEC-RAS software andHEC-GeoRASmodule are employed in GIS to simulate the flood overtopping inundation in Huainan reach of Huai River under the existing flood protection works during floods once in 40，60，and 100 years respectively.The designed water level of different cross-sections，the overtopping inundation area，and the inundation depth data are obtained.The simulationmanifested that the flood protection works in this reach are capable of handling floods once in 40 and 60 years，and can generally withstand floods once in 100 years.The simulated water level is consistent with the designed level.Therefore it is concluded that it is reasonable and credible to use HEC-RAS to simulate flood overtopping，and thereby providing reference for the early warning，the population evacuation planning，as well as flood disaster risk analysis.

HEC-RAS；Huai River；flood；overtopping；risk analysis

TV122.3

A

1001－5485（2011）07－0013－06

2010-09-03

國家科技支撐計(jì)劃課題（200603746006）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（70833003）

徐 偉（1985-），男，江蘇淮安人，碩士研究生，主要從事城市公共安全研究，（電話）13615108319（電子信箱）xuwei198500＠163.com。