HEC－RAS在唐家山洪水演进中的应用研究

GXF360 2018-04-10

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我国是一个洪涝灾害极其严重的国家。对于高坝大库而言，一旦发生垮坝洪水，将会对下游造成严重的生命财产损失。因此，对洪水进行演进模拟及对洪水造成的损失进行评估具有极重要的现实意义［1］。周毅［2］利用 GIS技术进行相关资料的收集和处理，应用HEC－RAS模拟软件和ARCGIS、HECGEORAS等数据处理组件，模拟了疏勒河地区2000年一遇洪水在下游区域的演进情况。孙锐娇等［3］利用HEC－RAS软件模拟了主坝溃决后洪水在下游的演进过程，结合ArcGIS软件进行淹没范围分析，得到的淹没生命和经济损失数可为水库风险分析和风险管理提供依据。陈建峰等［4］以黑河为例，模拟该河流金盆水库坝址至入渭河口的河道洪水（P＝1%）水面线，表明HEC－RAS模型应用简便，适用性较好。田景环等［5］采用HEC－RAS模型模拟了50年一遇洪水水文资料下的演进过程，并可视化显示水深、流速、淹没区域等信息。HEC不仅能够计算天然河道复杂流态下的水面线，还能直观的判断现状河道的防洪能力，河道水力分析、河道整治、水库规划［6］对防洪规划工程具有重要的指导意义［7］，并且HEC－RAS模型在分析计算闸坝对河道的阻水壅高影响时方便实用，工程适用性较好［8－11］。

2008年5月12日，四川汶川发生8．0级大地震。受汶川地震影响，位于四川省通口河右岸、距北川县城上游6．0 km的唐家山发生大规模高速滑坡。快速下滑的山体冲向左岸，掩埋了元河坝村，滑坡体形成的堰塞体导致通口河被堵，形成堰塞湖，堰塞湖库容达3．2亿m3，高度为90 m～124 m之间。在堰塞湖洪水发生时，由于影响洪水发生的动态因素较多，因此为了降低洪水灾害造成的损失［12－13］静态的计算演进范围并不能够解决实际问题。在唐家山溃坝发生后，下游河道缺乏河道断面数据的情况下，本文采用GIS快速提取断面数据，并对洪水演进进行了数值计算，得出了洪水演进的历时曲线及历时的演进淹没范围，对于居民的撤离进行动态控制。

1 原理及方法

HEC模型是由美国陆军工兵团水文工程中心开发的一组水利工程应用软件包［1，14］。其功能主要有四个方面，分别为：（1）恒定流水面线计算；（2）非恒定流的模拟；（3）可动边界的泥沙输移计算；（4）水质分析。HEC－RAS的恒定流计算模块可以对天然河道或者人工河道进行水面线的数值计算，河道可以是一条河段、也可以是整个流域河网。

1．1 恒定流计算原理

HEC－RAS的恒定流计算模块可以对天然或人工河道的渐变流进行水面线的计算，河道可以是一条河段、也可以是整个河网。恒定流模型可对次临界流（Fr＜1）、超临界流 Fr＞1）及临界流（Fr＝1）三种不同的流态进行模拟［15－16］，最基本的依据是一维能量方程，如式（1）及式（2）所示。

式中：Z2、Z1为断面渠底高程；Y1，Y2为几何断面水深；V1，V2为断面平均流速；α1，α2为流速系数；g 为重力计算速度；he为水头损失。

式中：L为左、右漫滩及主河槽断面计算相邻断面之间的加权平均值；为两断面的水力坡降；C为收缩或扩展系数。其中 L为沿程损失，

C的取值原则为：对于次临界流，如果前后两个断面突变很小，那么收缩系数取为0．1，扩散系数取为0．3；如果遇到桥等障碍物，收缩、扩散系数分别为 0．3、0．5；桥或渡槽附近可分别取为 0．6、0．8。

Sf的计算公式为：

式中：K为流量模数，表示水力坡降为1时的流量，量纲与流量相同。

1．2 方法

当自然河道断面地形复杂或者缺少实测断面数据时，将GIS技术和HEC－RAS软件相结合，可以快速计算出河道水面线和断面流速，计算流程图如图1所示。

图1 HEC－RAS计算流程图

1．3 HEC－RAS工作界面介绍

1．3．1 HEC－RAS主界面介绍

HEC－RAS进行建模和计算时有图标和下拉菜单两种操作方式，如图2所示。

图2 HEC－RAS主界面

1．3．2 模型建立的主要步骤

（1）建立一个Project并为其命名字，将其保存到对应的目录底下［1］。

（2）在主界面的Edit下选择建立地形数据Geometric Data，见图 3。

图3 建立地形数据断面

（3）设定完几何资料之后就可以对模拟过程的边界条件与初始条件进行设定［19］。在主界面的Edit下选择Steady Flow Data，将流量数据和边界条件输入Project所在的文件中。

（4）在主界面的Run中选择Steady Flow Analysis对应的选项，选择自己模型的水流流态，并建立相应的Plan保存到Project所在的文件中。

（5）通过主界面的View选项查看各断面水深，沿程水深，一维立体水深等，并且可以将具体计算结果数据导出。

2 结果与讨论

唐家山堰塞湖距下游北川县城只有6．0 km，距绵阳也只有70．0 km，对于这两所重要的城市，接近百万人都受到唐家山堰塞湖的溃决威胁，见图4。

图4 唐家山上下游地形图

2．1 HEC－RAS处理结果

在唐家山下游15．0 km距离内选取特殊断面12个，以靠近唐家山堰塞湖下游66 m作为起始断面，在GIS中提取出这12个断面的数据资料，断面之间距离数据见表1。

表1 断面之间距离

断面标号左岸间距／m 主河槽间距／m 右岸间距／m 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 12 251．935 430．638 631．996 944．704 888．025 867．184 1189．331 960．279 756．463 471．678 857．586 1179．500 1006．043 700．189 246．473 1443．991 1253．652 866．959 487．749 726．484 1018．133 794．736 934．484 1124．718 2033．930 2058．843 2164．437 3649．061 3528．221 3389．788 2309．166 2092．138 1944．845

在GIS中提取断面数据发现，唐家山堰塞湖下游15 km内河道断面基本成V字形，选取典型断面见图5和图6。

图5 第4断面剖面图

图6 第10断面剖面图

根据断面数据建立一维河流模型如图7所示，图示方向只是一个示意方向，河流的真正走向和转角由表1和GIS中提取的断面数据决定。

图7 HEC－RAS唐家山一维河流模型

2．2 模型的边界条件

唐家山堰塞湖下游15．0 km范围内，有3处较大的转折，此次模型为一维河道模型，并不能够模拟出这个二维流态，因此在选取主河道和左右河道糙率系数n时，为了更加接近真实情况，糙率的选取比规范稍大一点。对于唐家山堰塞湖河道流量 Q，实测资料显示最大流量为6 400 m3／s，为了提升下游居民安全系数，模型在每一段河流中输入流量都选用6 400 m3／s。模型水流状态采用缓流计算。

模型中采用的其它数据见表2。

表2 模型参数表

糙率n左岸右岸主河道上游边界下游边界0．035 0．040 0．035临界水深临界水深

2．3 计算结果

将建好的数据模型导入到一维溃坝洪水计算工具HEC－RAS中进行溃坝洪水演进模拟［20］。X－Y－Z计算结果如图8所示。

从图8中可以看出在第7断面到第9断面，水流已经漫过主河槽，通过GIS对比发现，淹没段为唐家山下游5．0 km到7．2 km段，此段是龙尾，西羌上街，四川省S105省道一部分位置所在，因此这三处在流量为6 400 m3／s时面临被洪水淹没的风险。

图8 唐家山下游河段洪水演进一维图

洪水演进计算选取的典型断面基本处在河流转弯处，图9和图10是距离唐家山堰塞湖最近的两个转弯断面，从计算结果可以看出，主河道高程高于洪水淹没的范围，并且还有很大的防洪安全超高。图11是典型的淹没断面，是西羌上街所在地，主河槽高程低于水位高程，处在防洪重点保护区。图12是距离唐家山堰塞湖下游12．5 km处，在白果村，海光村，治新村的上游0．35 km，此断面水流流速在5．54 m／s，河道水深过大，对于下游三个村的安全受到了威胁。

图9 第2断面水深图

图10 第3断面水深图

图11 第7断面水深图

图12 第11断面水深图

从图13可以看出上游水位高程在699．65 m，与实测的水位高程698．96 m相差不大，计算结果也偏安全，由于峡谷呈V字型，流速较大，根据流量不变的假设，上游水深较浅，下游水深在第11断面达到最大；图13中水面线的走向是左边为下游，右边为上游。

图13 唐家山下游水面剖面图

从表3中可以看出，位于唐家山堰塞湖下游5．0 km～7．2 km处，也就是在第7断面到第9断面之间，水面宽度大，淹没范围广，尤其是在第8断面，淹没面积 1 525．21 m2，水面宽度 266．80 m，计算结果与实际相近，因为此处地势低，龙尾和西羌上街位于此地，处于防洪重灾区。在第11断面，淹没范围1 155．66 m2，水面宽度 145．83 m，通过实际地形对比，此断面位于白果村、海光村、治新村、东溪沟村上游0．35 km处，地势低，四个村子受到洪水的影响。整个河道的流速处于 4 m／s～13 m／s，在距离溃口1．1 km，3．8 km 和 5．2 km 处，水流速度达到 10 m／s以上，在距离上游水面6．0 km的地方，水流速度最小为4 m／s左右。这四处位置对于抢险救灾起到了参考的作用。根据计算结果显示，洪水演进到下游15．0 km处需历时30 min。洪水历时演进曲线，可以得出下游任何断面洪水到来的时间，为抢险救灾提供准确数字依据。

表3 断面数据表

断面标号流量／（m3·s－1）主河道水面高程／m 坡度淹没面积／m2水面宽度／m断面流速／（m·s－1）6400 699．65 0．01343 538．95 122．80 12．10 2 6400 685．71 0．00378 779．25 117．77 8．31 3 6400 682．76 0．01375 505．12 102．46 12．70 4 6400 659．80 0．00153 1011．73 105．99 6．33 5 6400 657．56 0．00371 733．83 92．57 8．72 6 6400 652．87 0．00855 589．78 105．65 10．90 7 6400 645．25 0．01402 492．30 94．75 13．00 8 6400 636．75 0．00114 1525．21 266．80 4．10 9 6400 635．05 0．00737 730．02 181．71 9．17 10 6400 630．33 0．00356 845．37 132．01 7．57 11 6400 625．77 0．00144 1155．66 145．83 5．54 1 12 6400 613．94 0．01420 602．01 169．64 10．78

通过HEC－RAS计算得出了每个断面的流速，文中采用两个断面的平均流速作为主河槽断的流速，计算出了洪水到达每一个断面的演进时间，见图14。

图14 洪水历时曲线

3 结论

（1）将GIS技术和洪水演进软件HEC－RAS相结合，可以解决突发性发生的自然灾害（比如滑坡和地震引发的堰塞坝）和缺乏实测河道断面数据资料的洪水演进问题，为下游撤离和计算经济损失预测提供科学有效的数据，减少人员的伤亡和经济的损失。

（2）由于洪水演进过程是动态过程，因此对于下游地区受灾进行预警时必须进行动态预警，人员撤离和经济财产撤离必须进行动态控制。文中提出洪水演进时间曲线，为动态预警提供了计算基础。

利用HEC－RAS计算洪水演进，在设置边界条件时采用了恒定流量的假定，并没有考虑洪水在演进过程中河道入渗和蒸发对于流量的影响。在河道转弯处，采用了一维河流洪水演进的假设，对于河流二维流动和水流对于河岸的冲刷作用没有考虑。洪水历时曲线是根据断面流速和主河槽长度计算得出，在两个选取的典型断面之间采用了直线插补方法，因此，文中得出的洪水演进历时曲线对于断面的演进时间精度较高，对于两断面之间的演进时间精度偏低。

参考文献：

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