基于HEC-RAS及HEC-GeoRAS的潰壩洪水分析==英文空格顯示有誤

賀 娟，王曉松

(中國水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)研究所，北京 100038)

我國水資源時(shí)空分布不均，汛期降雨量占全年的80%以上［1］，極易造成暴雨洪水，如“75.8”特大洪水、“98”長江流域特大洪水等均給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失［2－3］。水庫作為我國防洪工程體系的重要組成部分，其正常運(yùn)行至關(guān)重要。一旦由于地震、特大洪水、地基缺陷、泄流能力不足、運(yùn)行不當(dāng)?shù)仍蛞鹂鍓问禄蛘邲Q口，將會嚴(yán)重危及下游周邊人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，給國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來巨大損失。

目前，多采用一維或二維模型實(shí)現(xiàn)對潰壩洪水的演進(jìn)模擬。二維數(shù)學(xué)模型需要對研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，需要的水力要素信息也隨之增加，計(jì)算耗時(shí)較長，難以實(shí)現(xiàn)潰壩風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)評估。而一維潰壩模型解決了上述問題，計(jì)算效率高，廣泛應(yīng)用于大尺度河谷區(qū)域的潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)分析［4］。

根據(jù)《全國水庫垮壩登記冊》的統(tǒng)計(jì)，潰壩原因有洪水漫頂、滲漏、管理不當(dāng)、其他及原因不詳，所占比例分別為47.85%，39.86%，4.69%，5.26%和1.04%。可見，洪水漫頂是造成潰壩的主要原因。本文以大渡河流域的長河壩水電站為研究對象，采用一維數(shù)值模型模擬洪水漫頂造成的潰壩過程，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析研究。

1 研究方法

建立潰壩洪水模型需借助的軟件主要有ArcGIS，HEC-RAS及HEC-GeoRAS。各軟件介紹如下:

HEC-RAS［5］在洪水分析中的應(yīng)用較廣，但受到兩個(gè)方面的限制:一是經(jīng)濟(jì)條件的限制，無法測得所需斷面及洪泛區(qū)的全部數(shù)據(jù)，斷面數(shù)量的減少會使斷面之間的距離增大，使水面線計(jì)算的準(zhǔn)確性降低;二是糙率n的取值范圍對水面線計(jì)算的準(zhǔn)確性具有重要影響［6］。

HEC-GeoRAS［7］是ArcGIS的一個(gè)擴(kuò)展模塊，能夠從研究區(qū)域的DEM圖層中提取HEC-RAS所需的地理空間數(shù)據(jù)，如河流、河段、站點(diǎn)信息、橫斷面數(shù)據(jù)及斷面距下游的距離、糙率及橋等建筑物的幾何數(shù)據(jù)。

因此，本文首先通過HEC-GeoRAS獲得所需的地形數(shù)據(jù)和糙率n，其次將其導(dǎo)入HEC-RAS中進(jìn)行潰壩洪水模擬，使得水面線計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有所提高，并且節(jié)省了人力和財(cái)力。

發(fā)生潰壩洪水時(shí)水流的流態(tài)為非恒定流，非恒定流計(jì)算的核心公式為連續(xù)方程和動量方程，見式(1)和(2)。

式中:x為計(jì)算河道的長度;t為計(jì)算時(shí)間;Q為潰壩流量;A為河道過流斷面面積;ql為單位距離的側(cè)向流量。

式中:g為重力加速度;Sf為阻力坡降;V為流速。

式(1)和(2)均為非線性方程，采用迭代法求解方程，速度慢，甚至可能出現(xiàn)計(jì)算不收斂的情況。因此，HEC-RAS中采用線性增量法進(jìn)行求解。

2 潰壩洪水案例計(jì)算及分析

2.1 工程介紹

大渡河發(fā)源于青藏高原東部邊緣果洛山東南麓，流經(jīng)高原山區(qū)，穿越崇山峻嶺，至四川盆地注入岷江，全長1062km。大渡河水電基地是國家規(guī)劃的十三大水能基地之一(其水資源量超過全國的一半)，是西部大開發(fā)的標(biāo)志性工程。以水庫是否具有控制性作用和庫區(qū)下游是否為人口密集區(qū)域?yàn)樵瓌t，對大渡河水電基地干流規(guī)劃的22個(gè)梯級電站中的擋水工程進(jìn)行綜合分析，最后選定長河壩為研究對象，研究其潰壩洪水對下游瀘定縣的淹沒范圍。

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，工程地處大渡河上游金湯河口以下約4～7km河段，壩址上游距丹巴縣城82km，下游距滬定縣城49km。水電站樞紐建筑物由礫石土心墻壩［8］、泄洪系統(tǒng)、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。水庫正常蓄水位為1690m，相應(yīng)庫容為10.4億m3，其中死庫容為6.2億m3，具備季調(diào)節(jié)能力。長河壩水電站作為大渡河干流水電梯級開發(fā)的第10級，是一等大(1)型水電工程，對大渡河流域的水電開發(fā)具有控制性作用。

2.2 前期處理

結(jié)合Google地球，通過GIS中鑲嵌的HEC-GeoRAS工具，在研究區(qū)域的DEM圖層(分辨率為30m)上分別建立河道中心線、橫斷面線、河岸線、左右岸及河道的流向線、橋及水庫，分別賦予其相應(yīng)的屬性，由此提取出相應(yīng)的高程數(shù)據(jù)，同時(shí)通過土地利用圖層提取出相應(yīng)的糙率n。其中，河道中心線由GIS中的水文工具生成的山谷線構(gòu)成;河岸線由Google地球生成后導(dǎo)入到GIS中的bank圖層;橋、水庫及相關(guān)障礙物由Google地球確定好位置之后導(dǎo)入到GIS中。生成的前期處理圖見圖1。

2.3 HEC-RAS模型的建立及計(jì)算

將前期處理生成的文件導(dǎo)入到HEC-RAS中，檢查斷面數(shù)量及位置是否滿足要求，若不滿足，重新回到前期處理步驟，將所需斷面補(bǔ)充進(jìn)去，直至滿足要求為止。對所有斷面進(jìn)行一定的處理，并將橋的幾何數(shù)據(jù)補(bǔ)充完整。研究區(qū)域內(nèi)共有3座，依次為長河壩、黃金坪與瀘定水電站，最大壩高分別為240，95.5和84 m。

圖1 前期處理Fig.1 An early treatment figure

雖然瀘定水電站距離瀘定縣較近，但由于長河壩水電站的壩高比黃金坪水電站及瀘定水電站要高得多，長河壩水電站的失事將會給下游造成更大影響。因此，選取長河壩電站為研究對象進(jìn)行潰壩洪水模擬。長河壩水庫為河道型水庫，庫區(qū)用多個(gè)橫斷面代替，并在黃金坪水電站和瀘定水電站的壩址處各設(shè)置一個(gè)壅水。潰壩缺口的相關(guān)數(shù)據(jù)見圖2。

在潰壩洪水計(jì)算分析中，關(guān)鍵在于缺口形成的時(shí)間和缺口最終尺寸的確定。目前，主要有兩種解決辦法:一是根據(jù)歷史潰壩洪水信息用線性回歸方程來估算上述2個(gè)潰壩參數(shù);二是用數(shù)值模型模擬缺口形成的物理機(jī)制，最終得到這兩個(gè)參數(shù)。不同的估測方法得到缺口流量過程曲線不同，但對于大壩下游區(qū)域而言，離壩體越遠(yuǎn)，不同估測方法得出的淹沒范圍越趨于一致。

本文主要研究長河壩潰壩對距其下游49km瀘定縣城的影響，假定缺口形成的時(shí)間為2 h。參考許多國際潰壩洪水模型，假定潰壩發(fā)生在一個(gè)特定形狀的初始狀態(tài)，本文假定潰壩由中心點(diǎn)開始向外擴(kuò)散，潰口最終尺寸為底部高程1560m，寬200m，左右坡度都為0.5(見圖3)。當(dāng)水位超過壩頂高程1700m時(shí)就開始潰壩。長河壩上游為丹巴水文站，根據(jù)《大渡河2011年水文年鑒》中對丹巴水文站的洪水要素統(tǒng)計(jì)［9］，選取2011－07－03T02:00/2011－07－10T20:00的丹巴水文站所在的斷面流量作為非穩(wěn)定流流量輸入(見圖4)。最后設(shè)置初始條件及邊界條件，由于瀘定縣以上為大渡河上游，平均坡降為3.6‰，因此，將下游邊界條件設(shè)置為正常水深。

對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，潰口出流過程見圖5。潰口最大流量為31424.13m3/s，足以對下游造成較大范圍的洪水淹沒。

圖2 潰壩參數(shù)設(shè)置Fig.2 The settings of dam break parameters

圖3 潰口形成過程Fig.3 Dam break forming process

圖4 潰壩入流過程線Fig.4 Dam break inflow process line

圖5 潰口出流過程線Fig.5 Dam break outflow line

2.4 潰壩洪水淹沒范圍分析

將計(jì)算得到的GIS文件導(dǎo)入到HEC-GeoRAS中，洪水淹沒范圍及流速分布見圖6。

在上述淹沒范圍圖的基礎(chǔ)上，通過GIS平臺可以計(jì)算出長河壩下游瀘定縣的洪水淹沒范圍為左、右岸平均漫堤寬度約為200m，已經(jīng)淹沒到了城區(qū)。從流速分布圖中可以看出河道中心流速均較大，最大流速為16.217m/s。同時(shí)，在上述兩幅圖的基礎(chǔ)上如果能夠疊加行政區(qū)域圖層、社會經(jīng)濟(jì)分布圖層，就可以快速、便捷地做出洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，從而為防洪決策服務(wù)。

圖6 潰壩淹沒范圍和流速分布Fig.6 Flood submerging range and velocity distribution of dam break

3 結(jié)語

本文綜合應(yīng)用ArcGIS，HEC-RAS等軟件，介紹精確模擬一維潰壩洪水計(jì)算過程的一種方法。并以大渡河上的長河壩水電站為例，基于DEM數(shù)據(jù)提取模型計(jì)算所需的橫斷面等數(shù)據(jù)，對洪水漫頂造成的潰壩洪水進(jìn)行演進(jìn)模擬，得到水庫下游瀘定縣的洪水淹沒范圍及流速分布，能夠滿足潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)評估的初步需求，從而為防洪決策服務(wù)。由此說明本文采用的方法是一種較為經(jīng)濟(jì)和精確的方法。

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