HEC－RAS在唐家山洪水演進中的應(yīng)用研究

趙 洋，李守義，王 琳，王 博，賈 飛，田 超，楊 勇

我國是一個洪澇災(zāi)害極其嚴重的國家。對于高壩大庫而言，一旦發(fā)生垮壩洪水，將會對下游造成嚴重的生命財產(chǎn)損失。因此，對洪水進行演進模擬及對洪水造成的損失進行評估具有極重要的現(xiàn)實意義［1］。周毅［2］利用 GIS技術(shù)進行相關(guān)資料的收集和處理，應(yīng)用HEC－RAS模擬軟件和ARCGIS、HECGEORAS等數(shù)據(jù)處理組件，模擬了疏勒河地區(qū)2000年一遇洪水在下游區(qū)域的演進情況。孫銳嬌等［3］利用HEC－RAS軟件模擬了主壩潰決后洪水在下游的演進過程，結(jié)合ArcGIS軟件進行淹沒范圍分析，得到的淹沒生命和經(jīng)濟損失數(shù)可為水庫風(fēng)險分析和風(fēng)險管理提供依據(jù)。陳建峰等［4］以黑河為例，模擬該河流金盆水庫壩址至入渭河口的河道洪水（P＝1%）水面線，表明HEC－RAS模型應(yīng)用簡便，適用性較好。田景環(huán)等［5］采用HEC－RAS模型模擬了50年一遇洪水水文資料下的演進過程，并可視化顯示水深、流速、淹沒區(qū)域等信息。HEC不僅能夠計算天然河道復(fù)雜流態(tài)下的水面線，還能直觀的判斷現(xiàn)狀河道的防洪能力，河道水力分析、河道整治、水庫規(guī)劃［6］對防洪規(guī)劃工程具有重要的指導(dǎo)意義［7］，并且HEC－RAS模型在分析計算閘壩對河道的阻水壅高影響時方便實用，工程適用性較好［8－11］。

2008年5月12日，四川汶川發(fā)生8．0級大地震。受汶川地震影響，位于四川省通口河右岸、距北川縣城上游6．0 km的唐家山發(fā)生大規(guī)模高速滑坡?？焖傧禄纳襟w沖向左岸，掩埋了元河壩村，滑坡體形成的堰塞體導(dǎo)致通口河被堵，形成堰塞湖，堰塞湖庫容達3．2億m3，高度為90 m～124 m之間。在堰塞湖洪水發(fā)生時，由于影響洪水發(fā)生的動態(tài)因素較多，因此為了降低洪水災(zāi)害造成的損失［12－13］靜態(tài)的計算演進范圍并不能夠解決實際問題。在唐家山潰壩發(fā)生后，下游河道缺乏河道斷面數(shù)據(jù)的情況下，本文采用GIS快速提取斷面數(shù)據(jù)，并對洪水演進進行了數(shù)值計算，得出了洪水演進的歷時曲線及歷時的演進淹沒范圍，對于居民的撤離進行動態(tài)控制。

1 原理及方法

HEC模型是由美國陸軍工兵團水文工程中心開發(fā)的一組水利工程應(yīng)用軟件包［1，14］。其功能主要有四個方面，分別為：（1）恒定流水面線計算；（2）非恒定流的模擬；（3）可動邊界的泥沙輸移計算；（4）水質(zhì)分析。HEC－RAS的恒定流計算模塊可以對天然河道或者人工河道進行水面線的數(shù)值計算，河道可以是一條河段、也可以是整個流域河網(wǎng)。

1．1 恒定流計算原理

HEC－RAS的恒定流計算模塊可以對天然或人工河道的漸變流進行水面線的計算，河道可以是一條河段、也可以是整個河網(wǎng)。恒定流模型可對次臨界流（Fr＜1）、超臨界流 Fr＞1）及臨界流（Fr＝1）三種不同的流態(tài)進行模擬［15－16］，最基本的依據(jù)是一維能量方程，如式（1）及式（2）所示。

式中：Z2、Z1為斷面渠底高程；Y1，Y2為幾何斷面水深；V1，V2為斷面平均流速；α1，α2為流速系數(shù)；g 為重力計算速度；he為水頭損失。

式中：L為左、右漫灘及主河槽斷面計算相鄰斷面之間的加權(quán)平均值；為兩斷面的水力坡降；C為收縮或擴展系數(shù)。其中 L為沿程損失，

C的取值原則為：對于次臨界流，如果前后兩個斷面突變很小，那么收縮系數(shù)取為0．1，擴散系數(shù)取為0．3；如果遇到橋等障礙物，收縮、擴散系數(shù)分別為 0．3、0．5；橋或渡槽附近可分別取為 0．6、0．8。

Sf的計算公式為：

式中：K為流量模數(shù)，表示水力坡降為1時的流量，量綱與流量相同。

1．2 方法

當(dāng)自然河道斷面地形復(fù)雜或者缺少實測斷面數(shù)據(jù)時，將GIS技術(shù)和HEC－RAS軟件相結(jié)合，可以快速計算出河道水面線和斷面流速，計算流程圖如圖1所示。

圖1 HEC－RAS計算流程圖

1．3 HEC－RAS工作界面介紹

1．3．1 HEC－RAS主界面介紹

HEC－RAS進行建模和計算時有圖標(biāo)和下拉菜單兩種操作方式，如圖2所示。

圖2 HEC－RAS主界面

1．3．2 模型建立的主要步驟

（1）建立一個Project并為其命名字，將其保存到對應(yīng)的目錄底下［1］。

（2）在主界面的Edit下選擇建立地形數(shù)據(jù)Geometric Data，見圖 3。

圖3 建立地形數(shù)據(jù)斷面

（3）設(shè)定完幾何資料之后就可以對模擬過程的邊界條件與初始條件進行設(shè)定［19］。在主界面的Edit下選擇Steady Flow Data，將流量數(shù)據(jù)和邊界條件輸入Project所在的文件中。

（4）在主界面的Run中選擇Steady Flow Analysis對應(yīng)的選項，選擇自己模型的水流流態(tài)，并建立相應(yīng)的Plan保存到Project所在的文件中。

（5）通過主界面的View選項查看各斷面水深，沿程水深，一維立體水深等，并且可以將具體計算結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

2 結(jié)果與討論

唐家山堰塞湖距下游北川縣城只有6．0 km，距綿陽也只有70．0 km，對于這兩所重要的城市，接近百萬人都受到唐家山堰塞湖的潰決威脅，見圖4。

圖4 唐家山上下游地形圖

2．1 HEC－RAS處理結(jié)果

在唐家山下游15．0 km距離內(nèi)選取特殊斷面12個，以靠近唐家山堰塞湖下游66 m作為起始斷面，在GIS中提取出這12個斷面的數(shù)據(jù)資料，斷面之間距離數(shù)據(jù)見表1。

表1 斷面之間距離

在GIS中提取斷面數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，唐家山堰塞湖下游15 km內(nèi)河道斷面基本成V字形，選取典型斷面見圖5和圖6。

圖5 第4斷面剖面圖

圖6 第10斷面剖面圖

根據(jù)斷面數(shù)據(jù)建立一維河流模型如圖7所示，圖示方向只是一個示意方向，河流的真正走向和轉(zhuǎn)角由表1和GIS中提取的斷面數(shù)據(jù)決定。

圖7 HEC－RAS唐家山一維河流模型

2．2 模型的邊界條件

唐家山堰塞湖下游15．0 km范圍內(nèi)，有3處較大的轉(zhuǎn)折，此次模型為一維河道模型，并不能夠模擬出這個二維流態(tài)，因此在選取主河道和左右河道糙率系數(shù)n時，為了更加接近真實情況，糙率的選取比規(guī)范稍大一點。對于唐家山堰塞湖河道流量 Q，實測資料顯示最大流量為6 400 m3／s，為了提升下游居民安全系數(shù)，模型在每一段河流中輸入流量都選用6 400 m3／s。模型水流狀態(tài)采用緩流計算。

模型中采用的其它數(shù)據(jù)見表2。

表2 模型參數(shù)表

2．3 計算結(jié)果

將建好的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到一維潰壩洪水計算工具HEC－RAS中進行潰壩洪水演進模擬［20］。X－Y－Z計算結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可以看出在第7斷面到第9斷面，水流已經(jīng)漫過主河槽，通過GIS對比發(fā)現(xiàn)，淹沒段為唐家山下游5．0 km到7．2 km段，此段是龍尾，西羌上街，四川省S105省道一部分位置所在，因此這三處在流量為6 400 m3／s時面臨被洪水淹沒的風(fēng)險。

圖8 唐家山下游河段洪水演進一維圖

洪水演進計算選取的典型斷面基本處在河流轉(zhuǎn)彎處，圖9和圖10是距離唐家山堰塞湖最近的兩個轉(zhuǎn)彎斷面，從計算結(jié)果可以看出，主河道高程高于洪水淹沒的范圍，并且還有很大的防洪安全超高。圖11是典型的淹沒斷面，是西羌上街所在地，主河槽高程低于水位高程，處在防洪重點保護區(qū)。圖12是距離唐家山堰塞湖下游12．5 km處，在白果村，海光村，治新村的上游0．35 km，此斷面水流流速在5．54 m／s，河道水深過大，對于下游三個村的安全受到了威脅。

圖9 第2斷面水深圖

圖10 第3斷面水深圖

圖11 第7斷面水深圖

圖12 第11斷面水深圖

從圖13可以看出上游水位高程在699．65 m，與實測的水位高程698．96 m相差不大，計算結(jié)果也偏安全，由于峽谷呈V字型，流速較大，根據(jù)流量不變的假設(shè)，上游水深較淺，下游水深在第11斷面達到最大；圖13中水面線的走向是左邊為下游，右邊為上游。

圖13 唐家山下游水面剖面圖

從表3中可以看出，位于唐家山堰塞湖下游5．0 km～7．2 km處，也就是在第7斷面到第9斷面之間，水面寬度大，淹沒范圍廣，尤其是在第8斷面，淹沒面積 1 525．21 m2，水面寬度 266．80 m，計算結(jié)果與實際相近，因為此處地勢低，龍尾和西羌上街位于此地，處于防洪重災(zāi)區(qū)。在第11斷面，淹沒范圍1 155．66 m2，水面寬度 145．83 m，通過實際地形對比，此斷面位于白果村、海光村、治新村、東溪溝村上游0．35 km處，地勢低，四個村子受到洪水的影響。整個河道的流速處于 4 m／s～13 m／s，在距離潰口1．1 km，3．8 km 和 5．2 km 處，水流速度達到 10 m／s以上，在距離上游水面6．0 km的地方，水流速度最小為4 m／s左右。這四處位置對于搶險救災(zāi)起到了參考的作用。根據(jù)計算結(jié)果顯示，洪水演進到下游15．0 km處需歷時30 min。洪水歷時演進曲線，可以得出下游任何斷面洪水到來的時間，為搶險救災(zāi)提供準(zhǔn)確數(shù)字依據(jù)。

表3 斷面數(shù)據(jù)表

通過HEC－RAS計算得出了每個斷面的流速，文中采用兩個斷面的平均流速作為主河槽斷的流速，計算出了洪水到達每一個斷面的演進時間，見圖14。

圖14 洪水歷時曲線

3 結(jié) 論

（1）將GIS技術(shù)和洪水演進軟件HEC－RAS相結(jié)合，可以解決突發(fā)性發(fā)生的自然災(zāi)害（比如滑坡和地震引發(fā)的堰塞壩）和缺乏實測河道斷面數(shù)據(jù)資料的洪水演進問題，為下游撤離和計算經(jīng)濟損失預(yù)測提供科學(xué)有效的數(shù)據(jù)，減少人員的傷亡和經(jīng)濟的損失。

（2）由于洪水演進過程是動態(tài)過程，因此對于下游地區(qū)受災(zāi)進行預(yù)警時必須進行動態(tài)預(yù)警，人員撤離和經(jīng)濟財產(chǎn)撤離必須進行動態(tài)控制。文中提出洪水演進時間曲線，為動態(tài)預(yù)警提供了計算基礎(chǔ)。

利用HEC－RAS計算洪水演進，在設(shè)置邊界條件時采用了恒定流量的假定，并沒有考慮洪水在演進過程中河道入滲和蒸發(fā)對于流量的影響。在河道轉(zhuǎn)彎處，采用了一維河流洪水演進的假設(shè)，對于河流二維流動和水流對于河岸的沖刷作用沒有考慮。洪水歷時曲線是根據(jù)斷面流速和主河槽長度計算得出，在兩個選取的典型斷面之間采用了直線插補方法，因此，文中得出的洪水演進歷時曲線對于斷面的演進時間精度較高，對于兩斷面之間的演進時間精度偏低。

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