HEC-RAS模型在洪水危險性評價中的應用

劉姝熠

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

1 概述

洪水災害是自然界發(fā)生較為頻繁且危害最大自然災害之一，對人類的生命和財產安全構成了嚴重威脅[1]。城鎮(zhèn)建設的不斷擴展、人口的急劇增加以及經濟的發(fā)展，不僅加速了水環(huán)境系統(tǒng)的破壞，而且因洪水災害所造成的經濟和財產損失急劇增大。為降低洪水災害損失，除了大興修建水利工程外，還要考慮非工程措施，如洪水預報分析、淹沒危險性預測等技術的應用。實踐表明，有效的洪水災害防治工作還要注重對洪水淹沒場景的模擬分析，不僅可為制定洪水管理與防洪預案提供一定參考，而且對保證洪水淹沒范圍內的生命財產安全具有重要意義[2]。針對洪水淹沒問題國內外學者開展了大量的研究，通過對各類模擬軟件的應用取得了一定的成果。如李天文等以渭河下游為研究對象，利用數字高程柵格原理模擬分析了三維可視化淹沒過程；蘇布達等對荊江分洪區(qū)的淹沒范圍、災害損失、水深等利用GIS格柵數據進行了模擬分析；P.D Bates等利用一維運動波表征河道水流狀況，利用二維擴散波反映洪水徑流樁，然后在此基礎上運用有限差分法求解了洪水淹沒模型；M.S.Horritt等以英國Severn流域為例對河流的行洪時間利用2D模型進行了模擬分析。據此，本文結合已有研究成果，利用HEC-RAS軟件模擬分析了遼河流域遼寧段的洪水漫頂淹沒過程，并對比分析了不同洪水周期下的漫頂情況，以期為該流域的洪水預警及淹沒危險性預制方案提供一定的參考。

2 洪水漫頂模擬

2.1 模擬模型

河道沉積物的輸移規(guī)律、水流溫度、水力狀態(tài)等參數均可通過HEC-RAS軟件的模擬分析來實現(xiàn)，該軟件不僅能夠模擬分析非恒定水流的淹沒過程，而且可表征恒定水流的水力狀態(tài)、淹沒面積等。HEC-RAS軟件是由圖表繪制、數據儲存以及水力分析單元等工具組成的能夠提供網絡服務環(huán)境與多項指令的完整性軟件，能夠實現(xiàn)河道水質狀況、泥沙輸移、水流等狀況的模擬分析。

傳統(tǒng)的HEC-RAS主要是模擬分析水位的變化情況，而在水位超過漫頂高程時很難實現(xiàn)堤外的二維淹沒模擬。針對上述問題，本文考慮將GIS的應用程序引入HEC-GEORAS的擴展模塊中，對于模擬分析時所需要的數據可通過對河道特征信息的處理獲取，如對河道堤防、截面信息及河道流向等信息利用GIS程序進行提取。然后通過分析河道水力特征模擬洪水漫頂淹沒的范圍與洪水深度，以此實現(xiàn)GEO-RAS軟件的模擬處理[7]。

2.2 河網信息提取

對研究區(qū)段EDM地形圖中的橫斷面、灘地、形貌等參數信息利用GEO-RAS軟件中的相關模塊進行提取，然后通過數據的導入得到遼河流域寧夏段的河網結構，如圖1所示。

圖1 遼河流域遼寧段河網結構圖

不同的數字符號代表河流的相應區(qū)段，其中1、2、3分別代表河流的上、中、下游河段；數字4、5分別代表該區(qū)段支流的上游與下游段；6為分流段區(qū)間；箭頭方向為河流走向，字母A～D為河道的不同斷面?？紤]到數據資料的有限性特征，本文結合研究區(qū)段實際狀況選取A、B兩個斷面作為模擬對象。

2.3 模型參數確定

結合《遼寧省城市防洪規(guī)劃》標準可知，40年一遇與100年一遇分別為研究區(qū)域的近期與遠期的防洪標準。據此，本研究根據該區(qū)段40年一遇防洪標準設計流量以及頻率曲線圖對其60年一遇、100年一遇的設計洪水流量進行了推算，河道設計洪水流量在不同周期內的取值范圍見表1。

表1 不同洪水周期內各個河段的洪水設計流量設計值 單位：m3/s

結合遼寧省防洪規(guī)劃標準可知，遼寧省境內的設計洪水流量為8500m3/s，據此可得到研究區(qū)段各節(jié)點處設計流量與洪水位，見表2。

表2 遼河流域遼寧段各節(jié)點設計洪水位及流量

遼寧段設有防洪堤防38.5km，結合遼寧防洪規(guī)劃相關標準設定河道堤防高程，遼河流域遼寧段各區(qū)間堤防高程分別取26.1、25.0、24.5、27.8m。根據河道行洪區(qū)以及上游覆蓋區(qū)的壩頂高程為22.8、21.5m，可確定下游河道最低值為22.8m。

根據河道歷年洪水淹沒情況和研究資料，可確定左、右灘地以及主河道的曼寧系數分別為0.02、0.036、0.05；根據河道附近的建筑物特征以及沿程徑流的走向曲線，對河道的擴張與收縮造成的能量損失分別采用相應的系數指標進行表征，其中擴張系數設定為0.2，收縮系數為0.1；利用計算模型進行河道漫頂模擬分析時應首先確定其邊界條件，本文分別選取3、4河段作為臨界水深的邊界條件，河道坡降比設定為0.0004；根據河流在不同季節(jié)的變化特征，選取混合流態(tài)作為模型的流態(tài)輸入參數。

3 模擬結果分析

3.1 橫斷面水位線

將上述各參數輸入HEC-RAS軟件模型，并進行水位線的模擬運算，在各個洪水期間內河道斷面A、B的洪水模擬結果。如圖2所示。

圖2 河道斷面A和B在各個洪水周期內的模擬水位線

根據圖2可以看出，堤防工程的高程明顯高于河道A斷面的模擬水位線和徑流速度，因此不會發(fā)生漫頂災害，針對于不同時期的洪水A斷面的右岸堤防均可抵御；模擬洪水水位線的的地方高程在40年一遇洪水周期內低于堤防工程的實際高程，而在60年一遇和100年一遇的洪水周期內略高于實際地方工程。因此，在河道B斷面處基本能夠低于40年一遇的洪水周期，而在60年與100年周期則可能出現(xiàn)洪水漫頂的災害。

3.2 洪水水位線及漫頂分析

為反映河道漫頂的發(fā)生狀況，本文基于河堤、灘地、水位線以及堤防高程等模擬分析結果，研究分析了河道縱剖面的水位線與漫頂過程。按照模擬水位線高于河道堤頂高程則不會出現(xiàn)漫頂災害，反之則可能出現(xiàn)漫頂的原則，分別對河道A斷面與B斷面的全程剖面特征，如圖3—4所示。

圖3 A河段截面全程縱剖面

圖4 B河段截面全程縱剖面

根據圖3模擬結果可以看出，在各個洪水周期內A河段的右岸堤頂整體上均高于模擬水位，因此在一般情況下該區(qū)段不會出現(xiàn)漫頂的洪水災害；根據圖4可以看出，B河段截面的右岸堤頂高程整體低于60與100年一遇的模擬水位線，然而在個別區(qū)段出現(xiàn)堤頂高程高于模擬水位線的情況，因此可認為在B河道斷面的局部區(qū)域可能會出現(xiàn)漫頂災害，而在30年一遇洪水時基本上不會發(fā)生漫頂現(xiàn)象。

在40年一遇的洪水周期內可能出現(xiàn)2、5、6河段范圍的淹沒情況，而在4河段存在局部淹沒的情況；在60年一遇洪水周期1河段左岸的局部區(qū)域可能出現(xiàn)淹沒情況，而在100年一遇洪水時可將該河道附近大部分范圍淹沒。

通過洪水淹沒溢流量及漫頂特征的對比分析可以看出，在40年一遇與60年一遇可能產生漫頂的區(qū)域范圍內，洪水溢流的方向大部分是朝著行洪泄流方向漫流，因此可認為該區(qū)段的防洪堤壩基本能夠低于期間的洪水災害；而在100年一遇可能出現(xiàn)的洪水棄漫頂流向不僅沿著行洪區(qū)徑路，而且向河道附近較低的方向徑流，并在人口密集區(qū)形成洪水災害，造成生命財產的損失。因此，有必要對該區(qū)段進行堤防的加固與壩頂高程的提升。

3.3 設計水位線

利用HEC-RAS軟件模擬分析各洪水周期內的斷面水位，并對比分析30年一遇設計水位線與模型輸出結果，進一步探討河道設計水位線的合理性與適用性，規(guī)劃設計水位線與軟件模擬結果，見表3。

表3 遼河流域遼寧段各節(jié)點的設計水位與模擬洪水位統(tǒng)計結果表 單位：m

對比分析30年一遇洪水周內模擬水位與設計水位之間的大小關系，可以發(fā)現(xiàn)在前7個節(jié)點中二者具有良好的一致性，而在本溪與鞍山節(jié)點處設計洪水位與模擬水位之間存在較大的差異。結合該區(qū)域河道實際情況可從以下3個方面對出現(xiàn)差異的原因進行分析：①出現(xiàn)該輸出結果的差異可能與數據資料收集的準確性與可靠性相關，在數據統(tǒng)計分析時是以河道中心線處河底的高程為依據進行河段內高程數據的假設與推算，這就在一定程度上加大了個別橫斷面真實值與推算值之間的誤差。②相關標準中僅僅對30年一遇的主干河道的設計流量進行描述和規(guī)定，并未給出各支流河段的分配設計流量，只是對河道的總設計流量進行了規(guī)定，并未對各個支流與干流的分配流量進行準確的描述。③本溪與鞍山設計水位與模擬水位出現(xiàn)較大偏差還可能與模型軟件的參數、邊界條件等參數的設定相關，模擬區(qū)段的流量受河道縮減系數、擴張系數等參數的設計影響顯著，不同的參數取值均可對流量與水位設計造成一定的誤差。

4 結語

本文以遼河流域遼寧段為例，對40年一遇、60年一遇以及100年一遇的水位線、漫頂過程等利用HEC-RAS軟件與GIS模塊進行了模擬分析，主要結論如下。

(1)模擬洪水水位線在40年一遇洪水周期內低于堤防工程的實際高程，而在60年一遇和100年一遇的洪水周期內略高于實際堤防工程。因此，在河道B斷面處基本能夠低于40年一遇的洪水周期，而在60與100年周期則可能出現(xiàn)洪水漫頂的災害。

(2)在40年一遇與60年一遇可能產生漫頂的區(qū)域范圍內，洪水溢流的方向大部分是朝著行洪泄流方向漫流，因此可認為該區(qū)段的防洪堤壩基本能夠抵御期間的洪水災害；而在100年一遇可能出現(xiàn)的洪水棄漫頂流向不僅沿著行洪區(qū)徑路，而且向河道附近較低的方向徑流，并在人口密集區(qū)形成洪水災害，造成生命財產的損失。因此，有必要對該區(qū)段進行堤防的加固與壩頂高程的提升。

(3)對比分析30年一遇洪水內模擬水位與設計水位之間的大小關系，可以發(fā)現(xiàn)在前7個節(jié)點中二者具有良好的一致性，而在本溪與鞍山節(jié)點處設計洪水位與模擬水位之間存在較大的差異。

(4)本溪與鞍山設計水位與模擬水位出現(xiàn)較大偏差可能與數據資料收集的準確性與可靠性相關，在數據統(tǒng)計分析時是以河道中心線處河底的高程為依據進行河段內高程數據的假設與推算，這就在一定程度上加大了個別橫斷面真實值與推算值之間的誤差。另外，相關標準中僅僅對30年一遇的主干河道的設計流量進行描述和規(guī)定，并未給出各支流河段的分配設計流量，只是對河道的總設計流量進行了規(guī)定，并未對各個支流與干流的分配流量進行準確的描述；還可能與模型軟件的參數、邊界條件等參數的設定相關，模擬區(qū)段的流量受河道縮減系數、擴張系數等參數的設計影響顯著，不同的參數取值均可對流量與水位設計造成一定的誤差。