基于HEC-RAS的躍進(jìn)水庫潰壩洪水風(fēng)險分析

摘 要：水庫大壩一旦發(fā)生潰壩，潰壩洪水會對下游造成毀滅性的影響。該文以黑龍江省五大連池市躍進(jìn)水庫為研究對象，使用HEC-RAS軟件建立二維非恒定流潰壩模型，模擬躍進(jìn)水庫潰壩后的洪水淹沒范圍和時間演變特征。研究結(jié)果可為水庫防洪搶險指揮和應(yīng)急預(yù)案的編制提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：HEC-RAS；洪水模擬；潰壩洪水；洪水演進(jìn)；躍進(jìn)水庫

中圖分類號：TV122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0071-04

Abstract： Once the reservoir dam breaks， the flood will have a devastating impact on the downstream. This paper takes Yuejin Reservoir in Wudalianchi City， Heilongjiang Province as the research object， establishes a two-dimensional unsteady flow dam-break model using HEC-RAS software， and simulates the flood inundation range and time evolution characteristics after the dam-break of Yuejin Reservoir. The research results can provide a theoretical basis for reservoir flood control and emergency command and emergency plan compilation.

Keywords： HEC-RAS; flood simulation; dam break flood; flood evolution; Yuejin Reservoir

水庫大壩潰壩是一種非常嚴(yán)重的災(zāi)害，大壩因重大自然災(zāi)害或遭遇人為破壞等原因?qū)е聺?，產(chǎn)生的潰壩洪水會對下游造成毀滅性的影響。如1975年8月發(fā)生在河南省駐馬店地區(qū)的潰壩事件，使29個縣市的1 100萬人口受災(zāi)，造成2.6萬人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失近百億元[1]。因此，國內(nèi)外眾多學(xué)者對潰壩洪水分析和預(yù)測做了大量研究。付昕佳[2]對小溝井水利工程應(yīng)用HEC-RAS和GIS建立潰壩模型，并結(jié)合故障樹理論進(jìn)行洪水災(zāi)害損失預(yù)測。蔣林杰等[3]對百花灘水電站擬定了9種潰壩分析方案，運用HEC-RAS進(jìn)行洪水演進(jìn)計算，為水電站防洪應(yīng)急管理提供了理論依據(jù)。Zeiger等[4]使用集成建模方法耦合SWAT和HEC-RAS對城市進(jìn)行降水和洪水模擬。李政鵬等[5]將BIM技術(shù)、GIS技術(shù)結(jié)合MIKE軟件建立前坪水庫一維、二維耦合模型，準(zhǔn)確模擬了洪水演進(jìn)過程和下游風(fēng)險特征。梁駿等[6]對竹根池水庫進(jìn)行了多種潰壩成因的洪水分析，評估了潰壩洪水對下游重點區(qū)域的影響。丁燦等[7]以大渡河枕頭壩水電站為研究對象，采用理論公式和HEC-RAS建立數(shù)值模型進(jìn)行模擬，并用實測水文資料進(jìn)行驗證，結(jié)果表明HEC-RAS數(shù)值模擬與理論公式完全吻合。

本文采用HEC-RAS對黑龍江省訥謨爾河支流上的躍進(jìn)水庫進(jìn)行潰壩洪水計算，得到潰壩條件下洪水淹沒范圍、水深、洪水演進(jìn)特性等結(jié)果，為水庫汛期調(diào)度和應(yīng)急搶險提供理論依據(jù)。

1 計算原理

1.1 軟件介紹

HEC-RAS（River Analysis System）是由美國陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心研發(fā)的一款用于一維水流分析的計算軟件，適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定流一維水力計算，主要分為4個模塊，分別為恒定流計算、非恒定流計算、泥沙輸運以及水質(zhì)分析模塊[8]，功能強(qiáng)大，操作簡便[9]。

1.2 計算原理

控制水流的物理定律是質(zhì)量守恒原理（連續(xù)）和動量守恒原理。這2個定律以偏微分方程的形式在數(shù)學(xué)上表達(dá)，以下稱之為連續(xù)性方程和動量方程。HEC-RAS軟件的二維非恒定流計算方程采用Navier－Stokes方程描述二維流體的運動[10]。

假設(shè)流動是不可壓縮的，質(zhì)量守恒（連續(xù)）方程的非定常微分形式為

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

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(shù)，cf是底部摩擦系數(shù)，fu和fv分別是x和y方向的科里奧利參數(shù)。

模型采用迭代法求解上述（1）（2）（3）式。

2 潰壩洪水模擬

2.1 研究區(qū)域概況

黑龍江省五大連池市躍進(jìn)水庫位于訥謨爾河北側(cè)的一條支流上，在五大連池市團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)西北方向5 km處，壩址地理位置為東經(jīng)126°00′06″、北緯48°36′50″。躍進(jìn)水庫始建于1966年，主河道長10 km，水庫控制流域面積為50 km2，經(jīng)復(fù)核后水庫總庫容846×104 m3，正常蓄水位265.5 m，設(shè)計洪水位266.42 m（Q3%=58.3 m3/s），校核洪水位267.17 m（Q0.3%=127m3/s），汛期限制水位（死水位）259 m，工程等級為Ⅳ等，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的小（1）型水庫。

2.2 二維模型構(gòu)建

2.2.1 地形處理

在地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站上下載水庫周邊區(qū)域的30 m精度DEM數(shù)據(jù)，使用RAS Mapper將下載的tif格式文件構(gòu)建為.hdf文件和.vrt文件，設(shè)置坐標(biāo)系為EPSG：3857，至此地形圖層成功導(dǎo)入RAS Mapper并可以編輯。使用Bing Staellite在線地圖作為水庫周邊DOM影像，并疊加到DEM中。圖1為躍進(jìn)水庫的DEM高程與DOM影像數(shù)據(jù)。

2.2.2 建立二維模型

在RAS Mapper中使用Storage Areas組件編輯水庫邊界，輸入水庫的水位-庫容曲線等相關(guān)參數(shù)。使用2D Flow Areas組件繪制下游模擬區(qū)，創(chuàng)建50 m×50 m的計算單元并設(shè)定糙率等相關(guān)系數(shù)，共22 745個計算單元。將水庫區(qū)域和下游模擬區(qū)域通過大壩連接，輸入壩頂高程、壩頂長度等相關(guān)參數(shù)。使用Boundary Condition Lines繪制一條與下游模擬區(qū)邊界貼近但平行的矢量線，設(shè)置模擬區(qū)邊界條件為Normal Depth，輸入河道邊坡系數(shù)，設(shè)置水庫邊界條件為LateralInterflowHydrograph，輸入300年一遇（校核）洪水過程線。潰壩形態(tài)方案采用Von Thun & Gillete[6]，潰口底寬59 m，大壩潰口示意圖如圖2所示。

2.3 模擬計算

在非恒定流計算界面設(shè)置模擬時段、時間步長等參數(shù)，開始非恒定流計算。

在計算過程中，計算單元大小和時間步長的長度對計算工作量有顯著影響，經(jīng)多次試驗，選取恰當(dāng)?shù)挠嬎銌卧芏群蜁r間步長長度以獲得最優(yōu)方案[10]。

3 計算結(jié)果及影響分析

3.1 淹沒范圍分析

潰壩洪水淹沒范圍如圖3所示。由水深分布數(shù)據(jù)可知，躍進(jìn)水庫內(nèi)最大水深為12.35 m，壩址下游至團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)的盆地區(qū)域水深為3～5 m，團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)下游為地形平坦的耕地區(qū)域，水深在1 m以下，淹沒范圍較大，直至匯入水庫南方8 km處的訥謨爾河。從整個水深分布區(qū)域來看，淹沒深度最大的區(qū)域集中在壩址下游盆地，局部地區(qū)水深達(dá)到6 m，經(jīng)過下游盆地區(qū)域后，洪水向四周散開，水深橫向逐漸遞減。

3.2 洪水演進(jìn)分析

本文依據(jù)300年一遇（校核）洪水過程線進(jìn)行洪水演進(jìn)，洪水歷時共20 h。洪水演進(jìn)過程如圖4所示。潰壩發(fā)生的時間為00：00：00，由圖4可知，潰壩后洪水在00：30：00時從潰口行進(jìn)了4 590 m，淹沒了連接團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)和永發(fā)村的009縣道，潰口出流速度達(dá)到6 m/s，洪峰以2 m/s的速度向下游推進(jìn)。在團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)附近洪水的水面寬度在700～1 200 m，會對村莊產(chǎn)生一定淹沒影響。在01：00：00時洪水漫到團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)下游的耕地區(qū)域，由于地形平坦，洪水向四周分散，流速降低到0.5 m/s。03：00：00時躍進(jìn)水庫洪水基本泄空，洪水行進(jìn)到下游訥謨爾河流域，至此洪水匯入訥謨爾河，不再繼續(xù)行進(jìn)。12：00：00時壩址附近洪水水位迅速減小，說明此時洪水由地下徑流等因素迅速消耗，在后續(xù)時間內(nèi)，地表洪水將繼續(xù)緩慢減少，淹沒深度繼續(xù)減小。

3.3 下游淹沒影響

通過將淹沒范圍結(jié)合DOM影像數(shù)據(jù)分析，水庫潰壩后洪水將淹沒009縣道團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)-永發(fā)村段，公路淹沒長度1 800 m，最大淹沒深2 m，正常車輛無法通行。下游淹沒區(qū)域主要為農(nóng)田，淹沒范圍為20 km2。本次模擬得到的洪水淹沒范圍雖然不包括村莊，但水庫在遭遇校核洪水，有潰壩風(fēng)險時，水庫下游的團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)、永發(fā)村、前進(jìn)村等村莊仍需要緊急疏散，以保護(hù)人民群眾生命財產(chǎn)安全。

4 結(jié)束語

文本采用HEC-RAS軟件建立二維非恒定流模型，以五大連池市躍進(jìn)水庫為例進(jìn)行潰壩洪水演算，得到了洪水淹沒范圍、淹沒深度和時間演變特征，并結(jié)合衛(wèi)星影像圖對洪水造成的淹沒影響進(jìn)行分析，結(jié)果可為躍進(jìn)水庫的防洪調(diào)度管理和應(yīng)急預(yù)案的編制提供理論依據(jù)。

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