基于DEM的河道斷面構(gòu)造改進(jìn)方法及洪水演進(jìn)精度評(píng)估

張文婷，李祉璇，張行南，劉永志

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；3.南京水利科學(xué)研究院水文水資源研究所，南京 210009)

洪水災(zāi)害是自然災(zāi)害之一，常導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1-2]。為了減輕洪水帶來的危害，需要不斷加深對(duì)洪水的研究。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，越來越多的水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型用于模擬洪水過程，如MIKE 、HEC-RAS(hydrologic engineering center′s river analysis system)等[3-5]，為防洪減災(zāi)措施的科學(xué)制定提供參考和依據(jù)。

水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型可以得到與實(shí)際洪水演進(jìn)過程較為吻合的模擬結(jié)果，需要河道斷面資料用于建模，但在無河道斷面地區(qū)和不方便實(shí)施河道斷面測(cè)量的地區(qū)其應(yīng)用受到了限制[6-7]。河道斷面數(shù)據(jù)缺乏問題在許多地區(qū)都存在，盡管可以在建模前補(bǔ)充測(cè)量，但耗時(shí)長(zhǎng)，花費(fèi)昂貴[8]。針對(duì)這一問題，一些學(xué)者[9-11]開始探索從數(shù)字高程模型(digital elevation mode，DEM)中提取河道橫斷面數(shù)據(jù)應(yīng)用到洪水模擬中，為缺少河道橫斷面數(shù)據(jù)的河段洪水模擬提供方法。在模擬中，研究者[12-16]發(fā)現(xiàn)從DEM中提取河道斷面數(shù)據(jù)存在對(duì)河道地形的描述不夠準(zhǔn)確的問題，這將會(huì)影響洪水模擬準(zhǔn)確性，因此,一些研究者嘗試通過使用河道斷面數(shù)據(jù)修正的方法對(duì)DEM數(shù)據(jù)做出調(diào)整，將河道實(shí)測(cè)斷面數(shù)據(jù)整合到DEM中，從而得出理想的模擬結(jié)果[17-18]。然而實(shí)際洪水模擬中許多河段的斷面數(shù)據(jù)不易獲得或測(cè)量成本過高，對(duì)此，一部分研究者[19]嘗試概化河道斷面，使概化的斷面與實(shí)測(cè)斷面保持一致的水位-流量關(guān)系；也有研究者探索通過結(jié)合水面以上地形數(shù)據(jù)推求水面以下的地形，例如俞茜等[20]采用三次樣條插值并合成完整斷面，得到的模型結(jié)果有較高可信度。但目前缺乏對(duì)于DEM提取河道斷面用于水動(dòng)力學(xué)建模效果的系統(tǒng)研究和分析。

為此，本文在缺少河道斷面資料的地區(qū)以高精度DEM數(shù)據(jù)為支撐，通過構(gòu)造斷面的方式快速獲取能夠應(yīng)用于水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型的河道橫斷面。分別采用由DEM直接提取河道橫斷面(以下簡(jiǎn)稱DEM斷面)、實(shí)際勘測(cè)測(cè)量河道斷面(以下簡(jiǎn)稱實(shí)測(cè)斷面)和改進(jìn)的基于DEM構(gòu)造的河道斷面(以下簡(jiǎn)稱構(gòu)造斷面)，進(jìn)行河道水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型建模，利用水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型分別進(jìn)行洪水模擬試驗(yàn)，包括在不同頻率的洪水或不同模型結(jié)構(gòu)(HEC-RAS 1D,HEC-RAS 1D-2D)中，分析不同河道斷面生成和獲取方法對(duì)模擬結(jié)果的影響，為缺少實(shí)測(cè)河道斷面資料河段的洪水模擬提供參考。

1 基于DEM的河道斷面提取方法和構(gòu)造方法

1.1 DEM數(shù)據(jù)直接提取河道斷面

使用的地形數(shù)據(jù)由美國國家高程數(shù)據(jù)集(National elevation dataset，NED)以DEM的形式提供，其生成方式為通過航空激光掃描獲取激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到本試驗(yàn)采用的3 m×3 m分辨率的DEM柵格數(shù)據(jù)，是研究區(qū)范圍內(nèi)可公開獲取的最高分辨率數(shù)據(jù)。DEM 被用作地形數(shù)據(jù)的輸入來源以創(chuàng)建河道橫斷面等，在RAS Mapper模塊中將橫斷面數(shù)字化，以轉(zhuǎn)換為 HEC-RAS 模型所需的河道幾何形狀，所有幾何數(shù)據(jù)都使用柵格表面的高程值進(jìn)行編碼，作為DEM斷面的地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型計(jì)算。

1.2 改進(jìn)的基于DEM數(shù)據(jù)構(gòu)造斷面

基于DEM的河道橫斷面構(gòu)造方法[21]以Bhuyian提出的DEM校正方法為基礎(chǔ)，在河道橫斷面較為規(guī)則的河道中通過增大DEM斷面面積來增強(qiáng)河道的過流能力?；驹硎抢肈EM斷面高岸點(diǎn)指定的坡度確定各斷面左右岸的交點(diǎn)(圖1)，并假定其為各斷面最低點(diǎn)的近似位置。對(duì)于單渠道河道，邊坡的坡度從高岸點(diǎn)處的最大值逐漸減小至零。斷面最低點(diǎn)的近似位置確定之后，各橫斷面由通過斷面最低點(diǎn)的鉛直線分為左半部分和右半部分，每一部分面積相當(dāng)于拋物線及其對(duì)稱軸圍成的面積，拋物線的垂直高度為均勻流深度y。此構(gòu)造方法為斷面構(gòu)造的Bhuyian方法，以下簡(jiǎn)稱為Bhuyian法。

比對(duì)研究區(qū)實(shí)際勘測(cè)河道橫斷面情況，Bhuyian法構(gòu)造的斷面形態(tài)較為接近實(shí)測(cè)斷面，但其面積存在偏小的情況，造成過流能力不足，需要在此基礎(chǔ)上增加構(gòu)造斷面的過流面積，使得構(gòu)造斷面與實(shí)測(cè)斷面的過流能力更為接近。本文提出一種改進(jìn)的斷面構(gòu)造方法，提出橫斷面最低點(diǎn)高程修正系數(shù)k，對(duì)橫斷面最低點(diǎn)高程進(jìn)行修正，斷面形態(tài)仍由左半部分和右半部分的拋物線組成，最終構(gòu)造橫斷面的方式見圖1。

圖1 橫斷面構(gòu)造Fig.1 Schematic of section construction

構(gòu)造的橫截面的幾何特性為

(1)

式中：B為河道斷面頂寬，m；B′為斷面寬度，m；y為均勻流水深，m；Zi為DEM表示的高岸坡點(diǎn)高程，m；Z′T為DEM最低點(diǎn)高程，m；k為橫斷面最低點(diǎn)高程修正系數(shù)。

斷面面積為

(2)

濕周為

P=∑Pi=Pl+Pr

(3)

水力半徑為

(4)

利用曼寧公式[式(5)]確定河道各斷面的均勻流水深，這是一個(gè)求得參考流量的均勻流水深精確解的迭代過程[21]。

曼寧公式為

(5)

式中：Q為參考流量,m3/s；n為糙率，其取值在《水工設(shè)計(jì)規(guī)范》等設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際河道類型及以往研究模擬中的相關(guān)取值經(jīng)驗(yàn)[22]確定；A為斷面過水面積，m2；R為水力半徑，m；S為河道坡度。

河道坡度由沿著河流中心線的DEM上可用的高程確定，確定糙率時(shí)要考慮到局部特征和地形，這一過程是為了實(shí)現(xiàn)估計(jì)的斷面最低點(diǎn)的縱向坡度和河道坡度值之間的最小差異。通過計(jì)算得出斷面最低點(diǎn)的高程為(Z′T-ky)。本文所提改進(jìn)的斷面構(gòu)造方法以Bhuyian法為基礎(chǔ)，利用橫斷面最低點(diǎn)高程修正系數(shù)k改進(jìn)構(gòu)造斷面的橫斷面面積，以下簡(jiǎn)稱為改進(jìn)法。

2 洪水演進(jìn)模擬模型計(jì)算原理

用于河道水力計(jì)算的兩個(gè)模型為HEC-RAS 1D和HEC-RAS 1D-2D，均由美國陸軍工程兵團(tuán)(USACE)的水文工程中心(Hydrologic Engineering Center)研發(fā)[23]。

HEC-RAS 1D中所用到的理論基礎(chǔ)是基于Saint-Venant方程組的水流連續(xù)方程和動(dòng)量方程[24]

(6)

(7)

式中：AT為過流斷面面積，m2；t為過流時(shí)間，s；x為水平距離，m；Q為斷面流量，m3/s；ql為單位長(zhǎng)度的旁側(cè)入流，m2/s；V為沿水流方向流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；z為河道水位，m；Sf為摩阻比降，依據(jù)曼寧公式求得

(8)

式中：n為糙率；R為水力半徑，m。

在一維非恒定流模擬中，HEC-RAS模型對(duì)式(6)和(7)采用四點(diǎn)隱式差分格式離散求解方程。

HEC-RAS 1D-2D模型由進(jìn)一步擴(kuò)展一維模型得到。通過建立側(cè)向連接，將二維流動(dòng)區(qū)域耦合到一維斷面。

二維連續(xù)方程為

(9)

式中：H為水面高程，m；h為水深，m；u和v為分別為x和y方向平均深度上的流速，m/s；q為源項(xiàng)，m/s，表示外部流入(如降水)。

二維動(dòng)量方程中x方向?yàn)?/p>

(10)

y方向

(11)

式中：vt為渦流黏度系數(shù)；cf為摩擦因數(shù)；f為科里奧利參數(shù)。

側(cè)向結(jié)構(gòu)上水流的流動(dòng)由堰流方程或二維流動(dòng)方程確定，計(jì)算側(cè)向結(jié)構(gòu)上水流流動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)堰流方程為

dQ=C(yws-yw)3/2dx

(12)

式中：yws為水面高程；yw為側(cè)向結(jié)構(gòu)的高程；C為堰流系數(shù)。

3 實(shí)例應(yīng)用

選取美國佛羅里達(dá)州邁阿密市內(nèi)主河道邁阿密河作為研究案例，該河流包括一條干流和南北兩條支流。

3.1 研究區(qū)概況

邁阿密河發(fā)源于佛羅里達(dá)國家公園大沼澤地，流經(jīng)邁阿密的市中心，長(zhǎng)達(dá)8.9 km，河口位置為北緯25°46′14″，西經(jīng)80°11′06″，研究區(qū)面積38.8 km2。

邁阿密河流經(jīng)的邁阿密市位于佛羅里達(dá)大沼澤和比斯坎灣之間，屬于熱帶季風(fēng)氣候，平均最高氣溫一般為29～38 ℃，年降水量1 710 mm，其中大部分降水發(fā)生在6月至10月中旬。此外，該區(qū)域常受颶風(fēng)影響，如2004年弗朗西斯(Frances)颶風(fēng)、2017年艾爾瑪(Irma)颶風(fēng)。

3.2 數(shù)據(jù)

研究區(qū)域內(nèi)流量和水位的觀測(cè)數(shù)據(jù)來自南佛羅里達(dá)州水管理區(qū)(SFWMD)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)集可作為水動(dòng)力學(xué)模擬的邊界條件輸入HEC-RAS模型。根據(jù)Anuar等[25]的研究，斷面布設(shè)間距為河道水面寬度的10～20倍時(shí)對(duì)水位過程模擬結(jié)果影響較小，考慮到邁阿密河大部分河道較為平直，研究區(qū)域內(nèi)自上游向下游以500 m為間距布設(shè)河道橫斷面，布設(shè)情況、驗(yàn)證站位置及邊界所處位置見圖2。

圖2 斷面布設(shè)情況、驗(yàn)證站位置及邊界所處位置Fig.2 The distribution of cross-sections and the location of the gauging station and the boundaries

采用本文提出的改進(jìn)的斷面構(gòu)造法和DEM數(shù)據(jù)直接提取法生成研究區(qū)河道斷面。經(jīng)過當(dāng)?shù)貙?shí)際典型河道斷面與Bhuyian法概化的橫斷面對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)以Bhuyian法概化的橫斷面其過流面積雖然有所改善，但與實(shí)測(cè)斷面面積仍相差較大，通過改進(jìn)法進(jìn)一步擴(kuò)大河道橫斷面面積，當(dāng)最低點(diǎn)高程修正系數(shù)取值為1.1時(shí)，各典型斷面的橫斷面面積相對(duì)誤差均降至30%以下，縮小了約7%(表1)；若繼續(xù)增大最低點(diǎn)高程系數(shù)的取值，部分橫斷面的河底高程將低于實(shí)測(cè)斷面，綜合考慮橫斷面形態(tài)特征和過流能力，將最低點(diǎn)高程修正系數(shù)k取值為1.1。選取位于河道上游的斷面1、支流與干流交匯后的斷面2、位于河道下游的斷面3以及分別位于南北兩條支流上的斷面4和斷面5，比較實(shí)測(cè)斷面、Bhuyian法和改進(jìn)法構(gòu)造的斷面，如圖3所示，改進(jìn)法構(gòu)造的斷面在表示的河道測(cè)深細(xì)節(jié)方面優(yōu)于Bhuyian法構(gòu)造的，更為貼近實(shí)測(cè)斷面。

表1 橫斷面面積的相對(duì)誤差Tab.1 Relative error of cross-sectional area %

圖3 不同斷面形式對(duì)比Fig.3 Comparison of cross-sections

3.3 水動(dòng)力學(xué)模擬參數(shù)設(shè)置

運(yùn)行HEC-RAS 1D模型需要河道橫斷面的地形資料、邊界條件和糙率值。地形數(shù)據(jù)為研究區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)，分辨率為3 m。模擬2004年颶風(fēng)Frances期間(2004年9月1日00:00至2004年9月8日00:00)、2017年颶風(fēng)Irma期間(2017年9月7日00:00至2017年9月14日00:00)和2014年6月17日至2014年6月24日的洪水演進(jìn)過程，上邊界條件為干流和兩條支流的入流流量，下邊界條件為各颶風(fēng)期間的潮位，初始條件為上邊界所在斷面流量初始值，模型計(jì)算步長(zhǎng)為20 s，模擬結(jié)果輸出時(shí)間間隔為1 200 s。

在水力學(xué)模擬中，糙率是一個(gè)重要參數(shù)[26]，需要對(duì)河道和河漫灘的糙率分別賦值。根據(jù)《水工設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)文獻(xiàn)資料，河道糙率為0.015～0.035，河漫灘糙率為0.075～0.150，結(jié)合研究區(qū)河道受到人為干預(yù)的實(shí)際情況，糙率參數(shù)的最終取值見表2。

表2 河道橫斷面糙率取值Tab.2 Parameter (Manning coefficient )

HEC-RAS 1D-2D模型由HEC-RAS 1D模型耦合水流的二維流動(dòng)區(qū)域得到，輸入模型的數(shù)據(jù)在一維模型基礎(chǔ)上增加了洪泛區(qū)的地形數(shù)據(jù)和糙率值，水流的二維流動(dòng)區(qū)域糙率取值依據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的土地利用數(shù)據(jù)(NLCD)，對(duì)不同土地利用類型分區(qū)處理。研究區(qū)內(nèi)不同類型下墊面的糙率取值見表3。

表3 不同下墊面類型糙率取值Tab.3 Roughness values of different underlying surface types

本研究主要目的是研究河道橫斷面數(shù)據(jù)對(duì)洪水演進(jìn)模擬的影響，因此,同一種水動(dòng)力模型結(jié)構(gòu)中的模擬設(shè)置僅有河道橫斷面地形數(shù)據(jù)不同，其他參數(shù)均相同。

4 結(jié)果與分析

4.1 河道水位結(jié)果和流量結(jié)果對(duì)比分析

利用HEC-RAS 1D模型和HEC-RAS 1D-2D模型對(duì)Frances颶風(fēng)期間(2004年9月1日至2004年9月8日)和Irma颶風(fēng)期間(2017年9月7日至2017年9月14日)的洪水過程以及2014年6月17日至2014年6月24日的低水位過程進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)模擬，根據(jù)驗(yàn)證站處斷面實(shí)測(cè)水位過程，對(duì)實(shí)測(cè)斷面的HEC-RAS 1D和HEC-RAS 1D-2D模型進(jìn)行模型驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，HEC-RAS 1D模擬的3次水位過程均方根誤差分別為0.04、0.03和0.04 m，HEC-RAS 1D-2D模擬的3次水位過程均方根誤差分別為0.07、0.04和0.07 m，模擬結(jié)果的均方根誤差都不超過0.1 m，模型模擬結(jié)果的偏差較小，可以在該區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確的洪水模擬。將構(gòu)造斷面輸入HEC-RAS 1D模型和HEC-RAS 1D-2D模型，其模擬水位過程見圖4。

圖4 驗(yàn)證站處采用構(gòu)造斷面時(shí)模擬水位與觀測(cè)水位對(duì)比Fig.4 Simulated water level and observed water level with modified cross-section at the gauging station

圖4顯示構(gòu)造斷面模擬出的水位過程與實(shí)測(cè)水位過程基本吻合，計(jì)算出模擬水位過程與實(shí)測(cè)水位過程的誤差(表4)，用以比較不同水動(dòng)力模型結(jié)構(gòu)和不同斷面形態(tài)模擬洪水水位過程的差別，計(jì)算結(jié)果表明，DEM斷面模擬出的水位數(shù)值和變化趨勢(shì)均與觀測(cè)值相差較大。在采用DEM斷面的4種模擬方案中，計(jì)算水位的平均誤差最高可達(dá)3.57 m，均方根誤差明顯高于采用構(gòu)造斷面的模擬方案。

表4 模擬水位結(jié)果及分析Tab.4 Summary of simulations 單位：m

分析模擬水位誤差大小與實(shí)際觀測(cè)水位的關(guān)系(圖5)，發(fā)現(xiàn)在HEC-RAS 1D模型和HEC-RAS 1D-2D模型中，實(shí)測(cè)斷面和構(gòu)造斷面的模擬誤差穩(wěn)定在較低的數(shù)值，沒有隨水位而變化的趨勢(shì)，DEM斷面的模擬誤差隨著水位的升高呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，當(dāng)驗(yàn)證站處水位達(dá)到1.61 m時(shí)，DEM斷面的計(jì)算誤差已經(jīng)小于0.1 m，而在低水位條件下，DEM斷面的模型計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)值相差較大。

圖5 水位模擬誤差與實(shí)測(cè)水位關(guān)系Fig.5 Relationship between simulation error and measured water elevation

研究區(qū)內(nèi)的驗(yàn)證站為水位站，缺少實(shí)測(cè)流量資料驗(yàn)證構(gòu)造斷面的準(zhǔn)確性，但采用實(shí)測(cè)斷面的HEC-RAS 1D模型經(jīng)過驗(yàn)證可以模擬該研究區(qū)的洪水過程，故而將構(gòu)造斷面產(chǎn)生的流量過程與實(shí)測(cè)斷面產(chǎn)生的流量過程進(jìn)行比較，見圖6。圖6顯示，在不同的水位條件下，HEC-RAS 1D模型中構(gòu)造斷面產(chǎn)生的流量過程與實(shí)測(cè)斷面產(chǎn)生的流量過程平均誤差為0.05 m3/s，HEC-RAS 1D-2D模型中兩者分別產(chǎn)生的流量過程變化趨勢(shì)及峰現(xiàn)時(shí)間比較接近，洪峰流量平均相對(duì)誤差約為10%?？紤]到偏大的模擬洪峰流量在實(shí)際應(yīng)用中更為安全，偏差在可接受范圍。

圖6 驗(yàn)證站處采用構(gòu)造斷面與實(shí)測(cè)斷面時(shí)模擬流量對(duì)比Fig.6 Comparison of simulated flow between the modified cross-sections and measured cross-sections at the gauging station

4.2 淹沒范圍對(duì)比

洪水的最大淹沒面積由HEC-RAS 1D-2D模型中的RAS Mapper模塊計(jì)算得到，圖7為HEC-RAS 1D-2D 模型模擬的2017年Irma洪水過程中相應(yīng)的淹沒面積，在3種斷面形式中，由構(gòu)造斷面和實(shí)測(cè)斷面對(duì)應(yīng)的HEC-RAS 1D-2D 模型模擬出的淹沒面積和變化趨勢(shì)在第72 h前比較接近，幾乎同時(shí)出現(xiàn)最大淹沒范圍，兩者的淹沒面積僅在退水過程中略有差異，相差最大的時(shí)刻出現(xiàn)在第96 h，淹沒面積相差約20%；DEM斷面由于缺少足夠的過水面積，且洪水期間上邊界的來水流量較大，致使河道中的水不斷地漫溢，洪泛區(qū)內(nèi)洪水淹沒面積呈擴(kuò)大趨勢(shì)，洪水的最大淹沒范圍產(chǎn)生于模擬計(jì)算結(jié)束的時(shí)刻。

分別使用實(shí)測(cè)斷面、構(gòu)造斷面和DEM斷面構(gòu)建的HEC-RAS 1D-2D模型計(jì)算出洪水淹沒范圍，圖8為這3種斷面數(shù)據(jù)模擬計(jì)算的最大淹沒面積對(duì)比。使用基于DEM斷面的模型計(jì)算出的最大淹沒范圍較基于實(shí)測(cè)斷面的模型產(chǎn)生的最大淹沒范圍偏大，與基于DEM斷面的模型相比，使用基于構(gòu)造斷面的模型計(jì)算出的最大淹沒范圍與使用基于實(shí)測(cè)斷面的模型結(jié)果十分接近。

圖7 不同斷面形態(tài)下的洪水淹沒面積對(duì)比Fig.7 Comparison of flooded areas of different cross-sections

圖8 最大淹沒面積對(duì)比Fig.8 Comparison of maximum submerged area

圖9顯示了HEC-RAS 1D-2D 模擬的Irma洪水過程中實(shí)測(cè)斷面和構(gòu)造斷面在不同淹沒深度時(shí)對(duì)應(yīng)的淹沒面積對(duì)比，在不同的時(shí)刻，構(gòu)造斷面模擬的不同淹沒深度對(duì)應(yīng)的面積總體與實(shí)測(cè)斷面的模擬一致，約90%淹沒范圍水深小于1 m。

圖9 實(shí)測(cè)斷面和構(gòu)造斷面在不同淹沒深度時(shí)對(duì)應(yīng)的淹沒面積Fig.9 Area of the measured cross-sections and modified cross-sections at different submerged depths

在HEC-RAS 1D-2D模型的4個(gè)洪泛區(qū)總計(jì)4 729個(gè)二維流動(dòng)網(wǎng)格中選取6個(gè)淹沒典型點(diǎn)，將構(gòu)造斷面與實(shí)測(cè)斷面的模擬的結(jié)果進(jìn)行比較。比較對(duì)象是Irma颶風(fēng)期間6個(gè)典型點(diǎn)的淹沒過程，包括洪水到達(dá)時(shí)間、淹沒水深和洪水歷時(shí)，結(jié)果見圖10。

圖10 實(shí)測(cè)斷面和構(gòu)造斷面的淹沒典型點(diǎn)水深Fig.10 Water depth of submerged typical points in measured cross-sections and modified cross-sections

圖10顯示，在二維洪泛區(qū)中構(gòu)造斷面產(chǎn)生的淹沒過程和實(shí)測(cè)斷面接近，HEC-RAS 1D-2D采用構(gòu)造斷面時(shí)能夠較好地反映最大淹沒水深，具有與采用實(shí)測(cè)斷面時(shí)幾乎相同的洪水到達(dá)時(shí)間，雖然構(gòu)造斷面模擬的退水過程略快于實(shí)測(cè)斷面，但是在大多數(shù)淹沒典型點(diǎn)退水時(shí)長(zhǎng)相差不超過4 h?？偟膩碚f，通過典型點(diǎn)的淹沒過程比較，在洪水到達(dá)時(shí)間、淹沒水深和洪水歷時(shí)方面構(gòu)造斷面能夠達(dá)到與實(shí)測(cè)斷面接近的模擬效果，表明采用構(gòu)造斷面能夠在該區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確的洪水模擬。

5 結(jié) 論

以美國佛羅里達(dá)州的邁阿密河下游為例，分析河道斷面數(shù)據(jù)分別來源于DEM直接提取法、實(shí)地測(cè)量和本文改進(jìn)的河道斷面構(gòu)造法時(shí)，對(duì)模型HEC-RAS 1D，HEC-RAS 1D-2D模型模擬效果的影響，主要結(jié)論如下。

DEM數(shù)據(jù)在精確水力建模方面存在局限性，由于激光雷達(dá)掃描地形時(shí)忽略了水面以下的地形，DEM數(shù)據(jù)對(duì)河床的描述是不充分的，DEM斷面提供的過流能力不足，使用DEM斷面計(jì)算出的水位與實(shí)際觀測(cè)水位過程不相符合，且模擬出的淹沒深度、淹沒范圍與使用實(shí)測(cè)斷面的模擬結(jié)果存在明顯偏差。

采用本文提出的改進(jìn)斷面構(gòu)造的方式對(duì)DEM水面以下的數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)造矯正，在洪水演進(jìn)模擬中能夠達(dá)到與使用實(shí)地測(cè)量河道橫斷面數(shù)據(jù)相近的效果，優(yōu)于河道橫斷面僅從DEM數(shù)據(jù)直接提取法。通過對(duì)DEM資料中的河道橫斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)，可以節(jié)約實(shí)地勘測(cè)測(cè)量需要投入的時(shí)間和精力，從而增加DEM數(shù)據(jù)在廣泛實(shí)踐中的用處。

本研究中應(yīng)用案例為平原河網(wǎng)地區(qū)，該地區(qū)受人類活動(dòng)干預(yù)較大，橫斷面形狀相比于有明顯沖淤變化的河段更為規(guī)則，且采用的DEM數(shù)據(jù)分辨率較高。后續(xù)將對(duì)國內(nèi)具備條件的流域進(jìn)行擴(kuò)展，并嘗試在山區(qū)型河道或由于沖淤導(dǎo)致橫斷面形狀不規(guī)則的河道區(qū)域，開展橫斷面獲取方法對(duì)水動(dòng)力模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和適用性的進(jìn)一步研究。