基于HEC-RAS的二維潰壩洪水計算

(四川省水利水電勘測設計研究院規(guī)劃設計分院，四川 德陽，618000)

據相關資料[1]統(tǒng)計，截至2018年底，我國建成各類水庫98822座，其中大型水庫736座，中型水庫多達3954座。一旦水庫發(fā)生潰壩事故，將會給下游人民的生命財產造成慘重損失，因此，對潰壩洪水的計算至關重要。本文通過HEC-RAS 5.0.7軟件二維模型對開江縣寶石橋水庫進行潰壩分析，得到分析研究區(qū)域的洪水淹沒范圍，洪水水深，流速分布和洪水到達時間等。研究結果可為防洪減災提供一定的技術支持。

1 計算原理

1.1 軟件介紹

河流分析系統(tǒng)(HEC-RAS)軟件可進行一維恒定流和一維、二維非恒定河流水力計算。HEC-RAS是一個集成的軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括圖形用戶界面(GUI)，獨立的水力學分析組件，數據存儲和管理組件，圖形和報告設施組件。潰壩洪水可采用一維或二維非恒定流進行水力計算。

1.2 二維非恒定流水力計算原理

控制水流的物理定律是質量守恒原理(連續(xù)性)和動量守恒原理。這兩個定律以偏微分方程的形式在數學上表達，以下將其稱為連續(xù)性和動量方程。HEC-RAS軟件的二維非恒定流計算方程采用Navier-Stokes方程描述了二維流體的運動[2]。

假設流動是不可壓縮的，質量守恒(連續(xù))方程的非定常微分形式為：

(1)

式中：t為時間，H為水位，hu和hv分別為x和y方向的水位分量，q為流量。

動量方程的非定常微分形式為：

(2)

(3)

式中：u和v是x和y方向的速度分量，g是重力加速度，vt是水平渦粘系數，cf是底部摩擦系數，fu和fv分別是x和y方向的科里奧利參數。

模型采用迭代法求解上述(1)(2)(3)式。

2 潰壩洪水計算案例及分析

2.1 工程概況

開江縣寶石橋水庫位于明月江的支流白巖河上，水庫樞紐由主壩、一副壩、二副壩、溢洪道構成，放水建筑物有前廂取水口、后廂取水口、放空洞。主壩為粘土斜墻石渣壩，壩頂高程484.68m，最大壩高34.70m，壩頂寬7.0m，壩頂軸線長267.31m，壩頂迎水面設置1.0m高漿砌條石防浪墻，墻頂高程485.68m?？値烊?0142萬m3，2000年一遇校核標準洪峰流量為2530m3/s，洪量7400萬m3；100年一遇設計標準洪峰流量為1490m3/s，洪量5335萬m3。

2.2 地形模型處理

根據二維模擬區(qū)的1/10000數字化航測圖(CAD版本)，通過ArcGIS軟件將等高線和高程點圖層轉化為shp格式，并將轉化出的Polyline、Polygon、Point三個圖層進一步處理成線要素圖層，設置空間參照系為：西安80坐標。采用3D Analyst工具將線要素圖層轉化為HEC-RAS支持的tif格式。

使用RAS Mapper將二維模擬區(qū)的tif格式文件構建為.hdf文件和.vrt文件。至此地形圖層將在RAS窗口中可見，并可以在模型中識別使用。

2.3 HEC-RAS模型的建立及計算

2.3.1 建立幾何數據

從Mapper組件中創(chuàng)建水庫大壩下游的二維模擬區(qū)的邊界多邊形，設置合理大小的計算單元格并設定糙率等相關參數。輸入寶石橋水庫庫區(qū)邊界，并設置庫容曲線等相關參數。將二維模擬區(qū)和寶石橋水庫通過水庫大壩進行連接，并輸入大壩的相關參數，如壩頂高程484.68m，最大壩高34.70m，壩頂寬7.0m，壩頂軸線長267.31m。

2.3.2 輸入計算條件

(1)邊界條件

①水庫邊界條件：用水庫入庫洪水過程線Q(t)來表示，在計算洪水波向下游演進時，Q(t)為已知值。

②二維模擬區(qū)邊界條件：可用水位～流量關系曲線來表示，若下游末端流量由河道控制。

(2)初始條件數據

水庫庫區(qū)初始條件：將庫區(qū)的初始高程設置為483.68m。

在用差分法求解非恒定流方程時，首先必須知道初始時刻(t= 0)各斷面的水位h和流量Q，本模型假定初始時刻為恒定非均勻流，用Newton-Raphson法求解，由于流量和河道幾何斷面形狀已知，故可求得末端水位。

(3)輸入潰壩數據

本次潰口底部高程為管涌發(fā)生位置的高程，為464.00m，形成底寬50m，左邊坡1.4，右邊坡1.7的潰口，潰口形成時間取1h，潰口尺寸見圖1。

圖1 大壩潰口示意

(4)執(zhí)行計算

設置好初始條件加速時間、計算時間步長、計算公差等參數后，執(zhí)行非恒定流計算。

在計算過程中，分配適當的計算單元格尺寸和計算時間步長對于獲得2D流量區(qū)的求解非常重要。計算單元格尺寸和計算時間步長的一致性原則要求減少空間(網格)和時間步長，以保證解決方案的收斂。通過多次測試后選擇合適的計算單元格尺寸和計算時間步長以獲得最優(yōu)解[3]。

2.4 潰壩洪水淹沒分析

將計算成果導入ArcGIS軟件或直接在RAS Mapper中查看，地形圖層見圖2，洪水淹沒范圍、洪水水深及流速分布圖見圖3-圖5。

圖2 模型范圍地形

圖3 洪水淹沒范圍

圖4 最大水深分布

圖5 流速分布

3 結語

本文綜合應用ArcGIS，HEC-RAS等軟件，簡要介紹了一種二維潰壩洪水模擬計算方法及過程。并以寶石橋水庫為例，基于數字化航測圖提取模型計算所需的地形等數據，對大壩潰決進行演進模擬，得到下游洪水淹沒范圍，洪水水深，流速分布和洪水到達時間等。研究結果可為洪水風險圖制做、水庫大壩安全管理應急預案、水庫防汛搶險應急預案及水庫下游河道防洪減災提供一定的技術支持。