基于HEC-RAS模型的青海省玉樹縣巴塘河流域洪水模擬分析

王 輝，張 佳，張 駿

(1.寧夏國土資源調(diào)查監(jiān)測院， 寧夏 銀川 750001； 2.長安大學 地質工程與測繪學院， 陜西 西安 710054)

洪水是最常見的水文極端事件之一，洪水峰高量大，具有季節(jié)性特征和年際變化不穩(wěn)定的特點。近年來，隨著全球平均氣溫上升，洪水等水文極端事件發(fā)生的可能性也在上升[1]。除了建設必要的工程措施降低洪水災害外，洪水控制預測等非工程措施也是不可或缺的。由于山區(qū)地形起伏大，流速快，水位漲落快且歷時短，更容易發(fā)生山地洪澇災害。山地洪澇災害主要指山地丘陵地區(qū)由于降雨、融雪等引起的洪水、泥石流和滑坡，其特點是具有突發(fā)性，集中性和強大的破壞力[2]。因此，對于山區(qū)進行洪水模擬具有重要意義。洪水的致害等級具有空間變異性[3]，所以洪水災害的防治問題也是一個空間問題[4-5]。最傳統(tǒng)和最常用的河道及洪水淹沒模型為基于圣維南方程的數(shù)值求解模型，如MIKE11，F(xiàn)LUCOMP，ONDA和ISIS等。這些模型可以成功地運用于傳統(tǒng)監(jiān)測方法的求參。但是，這些模型較適用于近似一維的勻速正常水流，對于地形起伏大的山區(qū)具有一定的局限性[6]。目前，經(jīng)過改進的HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center River Analysis System)模型已可實現(xiàn)二維流和非穩(wěn)定流模擬，并成功地運用于美國[7-8]、巴基斯坦[9]、中國[10-12]等國家的洪水淹沒模擬，但在青藏高原等高海拔寒冷地區(qū)應用較少。

本文利用HEC-RAS模型耦合嵌套于ArcGIS平臺的HEC-GeoRAS(Hydrologic Engineering Center Geographic River Analysis System)模塊，對青海省玉樹縣巴塘河流域進行洪水模擬分析，以對該區(qū)防洪預報和工程選址提供參考和借鑒。

1 研究區(qū)域概況

玉樹縣位于青海省南部，是三江源重要的生態(tài)環(huán)境保護區(qū)，地理位置為東經(jīng)95°41′～97°44′，北緯32°02′～33°44′之間，境內(nèi)平均海拔4 493.4 m，全縣總面積15 442.08 km2。該縣冬季風大、干燥、氣溫低；夏季氣候半濕潤，雨天多，降水少，蒸發(fā)量大，氣壓低，紫外線強，年均氣溫2.9℃，年降水量487 mm，且以暴雨居多。

玉樹縣地形復雜，地形起伏大，新構造活動強烈，巖體破碎，是地質災害較發(fā)育區(qū)域[13]。玉樹“4.14”地震造成大面積山體松動和河道堵塞，導致該區(qū)發(fā)生洪水時危害性等級更大。本次研究的區(qū)域為巴塘河流域，屬于長江水系。巴塘河上游在玉樹縣結古鎮(zhèn)以南，被稱為格曲。格曲在玉樹縣結古鎮(zhèn)納左岸支流扎巴曲后，因流經(jīng)巴塘盆地始稱巴塘河。研究區(qū)流域面積為2 298 km2，流域內(nèi)水系有格曲、扎巴曲和巴塘河。研究區(qū)內(nèi)格曲長15.75 km，扎巴曲長17.54，巴塘河長25.54 km。巴塘河新寨水文站距玉樹縣結古鎮(zhèn)東約3.5 km處。該流域徑流補給以大氣降水、地下水為主，年徑流量為8.46×108m3，徑流模數(shù)為12.2l m3/km2·s，多年平均輸沙量7.87×104t，年徑流深為385.6 mm，年平均流量26.8 m3/s。

研究區(qū)的地理位置如圖1所示。

圖1研究區(qū)地理位置圖

2 研究原理與方法

2.1 研究原理

HEC-RAS是基于水文學及水力學原理的水面線計算軟件，可進行河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定流一維水力計算。研究區(qū)穩(wěn)定流模型計算原理如式(1)，非穩(wěn)定流模型計算原理如式(2)。

(1)

式中：Z1、Z2為河底高程，m；Y1、Y2為斷面水深，m；α1、α2為動能修正系數(shù)；he為水頭損失，m；L為斷面平均距離，m；Sf為兩斷面間沿程水頭損失坡度；C為水頭損失或擴張系數(shù)。

(2)

式中：ρw為水的密度，kg/m3；vi為斷面流速，m/s；xi、xj為距離，m；ρ為壓力，N；fi為質量力，m/s2；v為流體運動的黏滯系數(shù)。

2.2 研究方法

HEC-RAS由美國陸軍總隊水文工程中心開發(fā)，可以模擬水面線恒流和非恒流，水質分析及泥沙輸移計算[16-17]。本文選用最新版HEC-RAS5.0。HEC-GeoRAS由美國陸軍總隊水文工程中心和美國環(huán)境研究所(ESRI)共同開發(fā)，HEC-GeoRAS可以考慮水力學，沉積物輸送，河道粗糙度和相關邊界條件的影響，并在ArcGIS平臺下結合遙感影像提取HEC-RAS模型所需的空間幾何數(shù)據(jù)。模擬的主要操作流程如下：

(1) 將地形高程數(shù)據(jù)導入GIS中，用HEC-GeoRAS做前期預處理，創(chuàng)建河道中心線、河岸線、水流路徑線及河流橫斷面圖層，為創(chuàng)建的圖層提取河流名稱，河流長度，高程和粗糙度數(shù)據(jù)。

(2) 將從GIS中導出的預處理后的模型數(shù)據(jù)導入HEC-RAS軟件，以實現(xiàn)河網(wǎng)的幾何屬性編輯。這些屬性主要包括：河網(wǎng)形狀、河流走向、河道斷面、研究區(qū)曼寧系數(shù)。根據(jù)需要，還可以添加水工建筑物，例如堤防、水壩、橋梁、堰、孔口等。

(3) 根據(jù)河道監(jiān)測斷面歷史序列流量數(shù)據(jù)，調(diào)整模型邊界條件、下墊面條件和初始條件，刻畫研究區(qū)產(chǎn)流模型。

(4) 帶入監(jiān)測斷面序列歷史洪水資料，進行非穩(wěn)定流模擬，得出研究區(qū)河道在特定時間段和時間步長條件下的流量模擬，并與實際監(jiān)測流量進行對比。

該模擬實現(xiàn)的技術路線如圖2所示。

圖2河道分析模擬流程圖[14-15]

2.3 數(shù)據(jù)準備

研究區(qū)TIN(Triangulated Irregular Network)的尺度為30 m網(wǎng)格，由國家科學數(shù)據(jù)服務平臺提供的DEM(Digital Elevation Model)轉化而來。TIN可為HEC-GeoRAS軟件提供高程、坡度及坡長信息。根據(jù)國家土地利用圖，確定研究區(qū)的土地利用類型。敞水區(qū)及河漫灘的曼寧值設為0.035，洪積平原的曼寧值設為0.040，居民區(qū)的曼寧值設為0.120[17]。根據(jù)新寨水文站1959年至2011年的水文觀測資料，1981年的年最大流量最大。所以，本文選取1981年作為穩(wěn)定流計算年。非穩(wěn)定流流量數(shù)據(jù)來自青海省玉樹縣新寨水文站1981年至1982年逐月水文資料。

2.4 模型概化

2.4.1 下墊面概化

通過對研究區(qū)域的分析，確定需要概化的圖層。首先，在ArcGIS中導入DEM、遙感數(shù)據(jù)，確定其投影坐標系。矢量數(shù)據(jù)可以直接處理并導入HEC-GeoRAS數(shù)據(jù)庫。若無矢量數(shù)據(jù)，可根據(jù)DEM和遙感信息繪制相應的圖層。在概化圖層后，計算和輸入各圖層屬性數(shù)據(jù)。圖層屬性有兩種，其中一種需要手動提供，另一種可以根據(jù)模型概化結果自動提取。對于河流中心線，需要手動給出河流名稱和河段名稱等屬性。水流中心線的拓撲關系，起點距離，高程等屬性可以從模型中自動提取。模型概化結果如圖3所示。

圖3研究區(qū)模型概化圖

本次研究的主河道為巴塘河，扎巴曲為巴塘河的支流。扎巴曲匯入巴塘河后，最終向東流入通天河。新寨水文站處的河道橫斷面測站為21 480.34。

2.4.2 邊界與初始條件設置

HEC-RAS根據(jù)模型幾何圖形自動判斷需要設置邊界條件的節(jié)點。如果節(jié)點為上邊界，則其邊界條件設置為流量邊界條件、水位邊界條件、水位流量關系邊界條件；而如果節(jié)點為下邊界，則其邊界條件除了上邊界條件的3種外還有正常水深等。同邊界條件相同，HEC-RAS會根據(jù)幾何資料自動判斷需要設置初始條件的斷面。除了模型自動判斷的需要設置初始條件和邊界條件的斷面外，還可以人工給定別的需要設置初始條件和邊界條件的斷面。初始條件一般給定斷面的初始流量，模型會在開始模擬之前自動進行恒定流模擬并自動計算出相應的初始水位。

穩(wěn)定流模擬的河道邊界條件為1981年最大流量和平均流量，初始條件為河道比降。非穩(wěn)定流模擬的河道邊界條件為1981年至1982年逐月流量，初始條件為河道基流。根據(jù)穩(wěn)定流模擬所得水深和流速情況調(diào)整模型幾何數(shù)據(jù)并進行保存。建立非穩(wěn)定流模型時，運用穩(wěn)定流模擬中調(diào)整過的幾何數(shù)據(jù)再現(xiàn)河道情況。模型所用邊界條件和初始條件見表1。

表1 數(shù)據(jù)表

2.5 模擬結果驗證

本研究用確定性系數(shù)R2和Nash-Sutcliffe模型效率系數(shù)Ens評價模型的模擬精度[17]。確定性系數(shù)R2用于實測值與模擬值之間的吻合程度評價，Nash-Sutcliffe模型效率系數(shù)Ens用于評價模型模擬值的可信度。確定性系數(shù)=1表示非常吻合，確定性系數(shù)越接近于1，說明模擬值與實測值的吻合程度越高[13,16]。當Ens=1時，實測值等于模擬值，Ens越接近于1，說明模擬值可信度越高[15,18]。

確定性系數(shù)R2的計算公式為：

(3)

效率系數(shù)Ens的計算公式為：

(4)

式中：Qo為實測值，m/s；Qp為模擬值，m/s；Qavg為實測平均值，m/s；n為觀測值個數(shù)。

3 結果與分析

1981年年平均流量和年最大流量分別作為邊界條件時，巴塘河河道21 480.34橫斷面水深如圖4所示，巴塘河河道縱剖面總流速與流速水頭如圖5所示。

由圖4可知，1981年年平均流量和年最大流量分別作為邊界條件時，巴塘河河道21 480.34橫斷面淹沒水深分別為20 m和23 m，淹沒水深增幅為3 m。這兩種流量條件下，均未出現(xiàn)河道溢流情況。

圖4 年最大流量和年平均流量下河道橫斷面淹沒圖(1981年)

圖5年最大流量和年平均流量下河道縱剖面總流速與流速水頭變化圖(1981年)

由圖5可知，1981年年平均流量和年最大流量分別作為邊界條件時，巴塘河河道縱剖面總流速與流速水頭峰值出現(xiàn)位置基本一致?？偭魉俚淖兓秶鸀樵诤拥揽v剖面最末端，河道總流速和流速水頭均增幅較大。年最大流量下，河道縱剖面最末端最大總流速可達14 m/s，其他位置為0～5 m/s；年最大流量下，河道縱剖面最末端流速水頭達到11 m，其他位置為0～1.5 m。年平均流量下，河道縱剖面最末端最大總流速可達9 m/s，其他位置為0～4 m/s；年平均流量下，河道縱剖面最末端流速水頭達到4 m，其他位置為0～1 m。巴塘河河道縱剖面總流速和流速水頭出現(xiàn)劇烈增長，主要與該河道末尾為巴塘河匯入通天河的交口，地勢整體開闊低洼有關。

通過對巴塘河代入流經(jīng)水文站(新寨水文站)1981年至1982年的逐月流量數(shù)據(jù)，導入調(diào)整過的研究區(qū)幾何數(shù)據(jù)，建立研究區(qū)HEC-RAS非穩(wěn)定流模型，并將模擬的時間步長設置為天。距離新寨水文站最近的21 480.34斷面模擬的1981年至1982年逐日流量數(shù)據(jù)如圖6所示。由圖6可知，模擬的研究區(qū)1981年至1982年的流量數(shù)據(jù)峰值均出現(xiàn)在7月，與實際情況一致。模擬流量與新寨水文站1981年至1982年的監(jiān)測流量對比如圖6所示。由圖6可知，本次模擬結果與實測值整體變化趨勢一致，具有較高的吻合度。根據(jù)公式(3)和公式(4)，本次21 480.34斷面處模擬的逐日流量與新寨水文站監(jiān)測的實際流量的確定性系數(shù)為0.86，模型效率系數(shù)Ens為0.82。所以，HEC-RAS在本次研究區(qū)的應用具有較高的適用性。

圖6 21480.34斷面實測徑流與模擬徑流對比圖

4 結 論

耦合HEC-RAS模型和基于ArcGIS的HEC-GeoRAS模塊，對青海省玉樹縣巴塘河流域建立HEC-RAS模型，進行該區(qū)歷史洪水模擬，得到的主要結論如下：

(1) 1981年年平均流量和年最大流量分別作為邊界條件時，巴塘河河道21 480.34橫斷面淹沒水深分別為20 m和23 m，淹沒水深增幅為3 m。這兩種流量條件下，均未出現(xiàn)河道溢流情況。

(2) 1981年年平均流量和年最大流量分別作為邊界條件時，巴塘河河道縱剖面總流速與流速水頭峰值出現(xiàn)位置基本一致。年最大流量下，河道縱剖面最末端最大總流速可達14 m/s，其他位置為0～5 m/s；年最大流量下，河道縱剖面最末端流速水頭達到11 m，其他位置為0～1.5 m。年平均流量下，河道縱剖面最末端最大總流速可達9 m/s，其他位置為0～4 m/s；年平均流量下，河道縱剖面最末端流速水頭達到4 m，其他位置為0～1 m。

(3) 巴塘河流域1981年至1982年新寨水文站附近的模擬流量與該水文站實測數(shù)據(jù)變化趨勢整體一致，模擬期內(nèi)流量數(shù)據(jù)峰值均出現(xiàn)在7月；本次模擬結果具較高的可信度，模擬值與實測值的確定性系數(shù)和模型效率系數(shù)均大于0.8。

建立合理的HEC-RAS模型，可再現(xiàn)河道洪水行洪和溢流情況，對于缺測數(shù)據(jù)地區(qū)的工程選址和防洪規(guī)劃具有指導意義。