基于hec-ras的大凌河朝陽市城區(qū)段洪水淹沒危險性評價

宋福濤

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110000)

洪水災(zāi)害是發(fā)生頻率較高的自然災(zāi)害之一，并嚴(yán)重威脅著人類的生命和財產(chǎn)安全。建設(shè)水利工程是降低洪水災(zāi)害的主要方法和途徑，同時加強洪水淹沒危險性和預(yù)報分析等非工程性措施是減少洪澇災(zāi)害的關(guān)鍵性技術(shù)手段。非工程性措施是防治洪水災(zāi)害的重點工作，對洪水淹沒場景進行模擬分析是為制定防洪預(yù)案和有關(guān)制度提供重要的決策依據(jù)。國內(nèi)外學(xué)者分別利用多種模擬分析軟件開展了洪水淹沒危險分析，并取得了一定的成果，如李天文[1]等利用數(shù)字高程中的柵格原理，對渭河下游進行了無源淹沒的三維可視化模擬分析；蘇布達(dá)[2]等基于GIS格柵數(shù)據(jù)對荊江分洪區(qū)的淹沒范圍、水深、淹沒面積以及可造成的損失展開模擬和分析；A.P JeRoo和P.D Bates基于一維運動波和二維擴散波構(gòu)建了洪水淹沒模型，其中河道水流狀況用一維運動波進行表征，并利用有限差分法進行求解，而洪范區(qū)的水流徑流狀況以二維擴散波進行表征[3- 8]。本文以大凌河朝陽市城區(qū)段為研究對象，分別利用Hec-ras軟件和Hec-Georas模塊對不同洪水周期下的漫頂淹沒情況進行模擬，以期為研究區(qū)域的洪水災(zāi)害危險性分析、制定人員疏散方案以及洪水預(yù)警等方面提供一定的數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。

1 軟件介紹

1.1 Hec-ras軟件

河道分析系統(tǒng)Hec-ras是一款能夠?qū)拥赖暮愣髁恳约胺呛愣鬟M行淹沒模擬分析的軟件，對河道的水力、水溫以及沉沙積物的移動傳輸規(guī)律進行模擬分析，該軟件是水文工程軟件中的一個分支。Hec-ras是一個可以提供多項指令和使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)環(huán)境的完整性軟件，該軟件系統(tǒng)主要包含了水力分析單元、數(shù)據(jù)儲存管理以及繪制圖標(biāo)等工具。Hec-ras軟件主要功能可對恒定和非恒定河道水流、泥沙輸移演、水質(zhì)狀況等4部分進行模擬計算，并以同一系列幾何數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，且計算途徑保持一致[9]。

1.2 HEC-GreRAS模塊

水位變化情況是傳統(tǒng)的Hec-ras進行模擬的主要內(nèi)容，當(dāng)水位超過提頂高程時，軟件模型對提防外的二維淹沒情況較難實現(xiàn)模擬，據(jù)此，利用GIS相關(guān)功能，在Hec-Georas中編入GIS擴展模塊可有效解決上述問題。由美國歡顏所和EHC聯(lián)合研發(fā)的Hec-Georas河道分析系統(tǒng)利用鑲嵌的GIS模塊可對空間信息數(shù)據(jù)進行處理，GIS應(yīng)用程序是進行數(shù)據(jù)交換傳遞的媒介。通過對河道圖形、截面信息參數(shù)，提防等河道特征信息進行前期預(yù)處理可獲得用于模擬分析的數(shù)據(jù)輸入體系，在分析了河道水力特征的基礎(chǔ)上對模型的輸入文件進行調(diào)取，以此可模擬計算出河道的漫頂洪水淹沒深度和范圍，并以此作為Geo-ras模擬計算的后期處理過程[10]。

2 淹沒模擬步驟

2.1 河網(wǎng)的數(shù)字化

利用Geo-ras軟件中的相關(guān)模塊對大凌河朝陽市區(qū)段的EDM地形圖進行河道信息的提取如河道形貌、灘地、橫斷面等有關(guān)數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入軟件進行計算可得錦州段的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖以及橫斷面標(biāo)記圖，如圖1所示。

圖1 大凌河朝陽市城區(qū)段河網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

上圖中不同的數(shù)字代表大凌河錦州市城區(qū)段的不同河段，其中以數(shù)字1代表河段的上游；數(shù)字2代表主干流中游河段；數(shù)字3代表主干流下游河段；數(shù)字4代表支流上游段；數(shù)字5代表支流的下游段；數(shù)字6代表分流段；大凌河朝陽市城區(qū)段河流走向用；字母A、B、C和D分別代表不同河段的河道斷面，因朝陽市城區(qū)河道斷面較多，受數(shù)據(jù)資料和研究條件限制，本文僅選取具有代表性A和B兩個斷面為模型模擬對象展開研究。

2.2 輸入?yún)?shù)的選擇

2.2.1不同洪水期的設(shè)計流量

根據(jù)《朝陽市城市防洪規(guī)劃》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，朝陽市近期防洪標(biāo)準(zhǔn)為40年一遇，遠(yuǎn)期防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇[11]。結(jié)合40年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計流量，并利用頻率曲線圖推算出研究區(qū)域的60年和100年一遇洪水設(shè)計流量。各個洪水周期內(nèi)的河段洪水設(shè)計流量設(shè)計值見表1。

表1 不同洪水周期內(nèi)各個河段的洪水設(shè)計流量設(shè)計值 單位：m3/s

2.2.2各節(jié)點設(shè)計洪水位及流量

根據(jù)朝陽市城市防洪規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)可知，朝陽市城區(qū)內(nèi)的設(shè)計洪水流量為8000m3/s，城區(qū)內(nèi)各節(jié)點的設(shè)計洪水位及設(shè)計流量統(tǒng)計計算結(jié)果見表2。

表2 大凌河朝陽市城區(qū)段各節(jié)點設(shè)計洪水位及流量

2.2.3提頂高程

大凌河朝陽市城區(qū)段設(shè)有防洪提防26.8km，結(jié)合朝陽市城市防洪規(guī)劃相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定河道提防高程，朝陽市城區(qū)自南向北分別為凌鳳段、凌河段、紅旗段、燕北段、七道泉子段，提防高程分別取25.6～27.1m，28.5m、25.2～26.8m、27.0～28.5m和26.0m。由河段2、5、6所組成的行洪區(qū)的壩頂高度為22.7m，河段3上游覆蓋的行洪區(qū)堤壩高程區(qū)22.4～22.8m，其下游所圍成的行洪區(qū)堤壩高程區(qū)22.6m[12]。

2.2.4各系數(shù)的確定

結(jié)合研究區(qū)域河道實際情況，并通過借鑒文獻和有關(guān)研究成果，河道左灘地、主河道和右灘地的Manning系數(shù)n分別取值為0.02，0.036和0.05；引入收縮系數(shù)和擴張系數(shù)分別表征因河道收縮和擴張所引起的能量損失，結(jié)合河道徑流以及河岸建筑物特征，設(shè)定河道的擴張系數(shù)和收縮系數(shù)分別為0.2和0.1；邊界條件是進行河道模擬計算的必要條件，上游1河段的坡降比為0.0006，河道的臨界水深分別為3和4河段的邊界條件；采取混合流態(tài)為研究區(qū)域的河流流態(tài)。

3 淹沒模擬結(jié)果

3.1 河道斷截面水位線

大凌河朝陽市城區(qū)段A河道斷面和B河道斷面在各個洪水期間內(nèi)的洪水模擬水位線模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 河道斷面A和B在各個洪水周期內(nèi)的模擬水位線

由圖2可知，河道A斷面的模擬水位線和徑流速度明顯高于提防的高程，故不會發(fā)生漫頂災(zāi)害，A斷面的右岸提防能夠抵御不同洪水期間內(nèi)的洪水；河道B斷面在40年洪水周期內(nèi)的模擬洪水位線抵御提防高程，而對于60和100年點模擬洪水位線略高于提防高程，故對于河道B斷面能夠抵御40年一遇的洪水，而對于60和100年洪水周期則可發(fā)生洪水漫頂自然災(zāi)害，并對河岸產(chǎn)生明顯影響。

3.2 全程縱剖面

本文在考慮了河道堤頂高程、灘地高程、水位線以及河底高程的基礎(chǔ)上，對河道進行全程縱剖面研究分析，以此表征河道內(nèi)漫頂現(xiàn)象的發(fā)生狀況[13]。當(dāng)河道堤頂高程高于模擬水位線時，則不會發(fā)生漫頂；當(dāng)河道堤頂高程低于模擬水位線時，則可發(fā)生漫頂危害。大凌河朝陽市城區(qū)段在A和B河道的全程總剖面如圖3、4所示。

圖3 大凌河朝陽市城區(qū)段A河段截面全程縱剖面

由圖3可知，對于A河段全程縱剖面，右岸堤頂高程均高于各個洪水期間內(nèi)的模擬水位線，故該河段不會發(fā)生漫頂現(xiàn)象，且不會對河岸引起洪水災(zāi)害。由圖4可知，對于60和100年的模擬水位線，右岸提頂高程整體低于模擬水位線，但個別區(qū)段內(nèi)模擬水位線低于堤頂高程，B河道斷面局部區(qū)域可引起洪水漫頂現(xiàn)象，而對于40年一遇的洪水，右岸提頂高程大于模擬水位線，一般不會發(fā)生漫頂。

3.3 二維漫頂洪水淹沒分析

基于GIS地理信息處理技術(shù)，對朝陽市城區(qū)段的地形數(shù)據(jù)輸入Hec-ras軟件系統(tǒng)進行二維洪水漫頂淹沒危險性分析。研究表明，對于河段2、5和6所圍成的行政區(qū)在各個洪水周期內(nèi)均可被淹沒；而對于洪水周期40年時，河段4內(nèi)的局部行政區(qū)可被淹沒，對于60年一遇的洪水，河段1左岸行政區(qū)域內(nèi)可局部被淹沒，對于洪水周期100年時，該區(qū)域的大部分范圍均可被洪水淹沒。根據(jù)洪水漫頂特征和淹沒溢流洪水的流量進行分析，對于40和60年一遇的洪水，在可產(chǎn)生漫頂現(xiàn)象的區(qū)域，所溢流出的洪水均朝著行洪泄流區(qū)方向漫流，故在大凌河朝陽市城區(qū)段的防洪堤壩可抵御40年和60年一遇的洪水；對于100年一遇的洪水，漫頂洪水不僅朝著行洪泄流區(qū)徑流，而且可對行政區(qū)域內(nèi)地勢較低的區(qū)域產(chǎn)生徑流，并造成洪水直接進入城市市區(qū)范圍內(nèi)，如可對七道泉子區(qū)域產(chǎn)生洪水危害，故該區(qū)域應(yīng)加強河道堤壩修筑或提高堤壩堤頂高程。

3.4 結(jié)點設(shè)計水位與模擬水位

利用Hec-ras模擬分析軟件分別對各洪水周期內(nèi)的斷面水位進行模擬計算，并與朝陽市防洪規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的40年一遇洪水設(shè)計水位進行對比分析，模擬洪水位和規(guī)劃設(shè)計水位統(tǒng)計計算結(jié)果見表3。

表3 大凌河朝陽市城區(qū)段各節(jié)點的設(shè)計水位與模擬洪水位統(tǒng)計結(jié)果表

由表3可知，以研究區(qū)域的設(shè)計水位為基準(zhǔn)水位，分別對各個洪水周期內(nèi)的模擬水位進行對比分析，前7個結(jié)點的40年一遇模擬水位與設(shè)計水位保持高度的一致性，而后2個結(jié)點的模擬水位與設(shè)計洪水位之間的差異性較為明顯。其原因可能與七道泉子和大平房河道區(qū)域的地形數(shù)據(jù)資料收集的完整性和準(zhǔn)確性相關(guān)，該河段內(nèi)河底高程的數(shù)據(jù)是以已知河道中心線河底高程為基礎(chǔ)，通過進行假設(shè)推算而來的，其中個別橫斷面的真實數(shù)據(jù)與真實值存在一定的誤差進而進一步加大了計算誤差；同時相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃中僅對各個站點的40年一遇的設(shè)計流量進行了規(guī)定，而對各河段分配的設(shè)計流量未給出準(zhǔn)確的設(shè)計流量，即在確定了河道總設(shè)計流量的基礎(chǔ)上，并未給出各個支流和干流的分配流量；研究所選定邊界條件、參數(shù)、系數(shù)等可能對該區(qū)段存在較大的誤差影響，如所選定的河道擴張系數(shù)、縮減系數(shù)等取值較大或較小，對區(qū)段的模擬流量產(chǎn)生較大誤差。

4 結(jié)論

通過以大凌河朝陽市城區(qū)段為研究對象，基于Hec-ras模擬分析軟件，利用GIS相關(guān)模塊技術(shù)，以分別展開各個洪水周期內(nèi)的水位線、全程縱剖面圖、洪水漫頂?shù)饶M分析。得出的主要結(jié)論如下：對于A河段全程縱剖面，右岸堤頂高程均高于各個洪水期間內(nèi)的模擬水位線，故該河段不會發(fā)生漫頂現(xiàn)象，且不會對河岸引起洪水災(zāi)害。對于河段2、5和6所圍成的行政區(qū)在各個洪水周期內(nèi)均可被淹沒；而對于洪水周期40年時，河段4內(nèi)的局部行政區(qū)可被淹沒。以研究區(qū)域的設(shè)計水位為基準(zhǔn)水位，研究區(qū)段內(nèi)的前7個節(jié)點的40年一遇模擬水位與設(shè)計水位保持高度的一致性，而后2個節(jié)點的模擬水位與設(shè)計洪水位之間的差異性較為明顯。

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