基于HEC-RAS的淮河淮南段洪水漫頂風險分析

徐 偉，劉 茂，楊 杰，李春志，尚小娟

（1.南開大學城市公共安全研究中心，天津 300071；2.中國石油天然氣管道局第二工程分公司，江蘇徐州 221008；3.天津師范大學生命科學院，天津 300387）

基于HEC-RAS的淮河淮南段洪水漫頂風險分析

徐 偉1，2，劉 茂1，楊 杰1，李春志2，尚小娟3

（1.南開大學城市公共安全研究中心，天津 300071；2.中國石油天然氣管道局第二工程分公司，江蘇徐州 221008；3.天津師范大學生命科學院，天津 300387）

淮河淮南段聚集了大量的人口、工廠、農田、建筑物等，一旦發生較大規模的洪水，將對人民生命財產安全造成嚴重威脅。運用HEC-RAS軟件和HEC-GeoRAS模塊，在GIS環境中，模擬現有防洪工程條件下淮河淮南段在40年、60年及100年一遇洪水周期下的洪水漫頂淹沒情況，得到不同橫斷面的設計水位線、漫頂淹沒的范圍、淹沒水深等數據。洪水漫頂模擬結果表明：淮河淮南段的防洪堤壩能夠抵御40年、60年一遇的洪水，基本能抵抗100年一遇的洪水；模擬水位與設計水位吻合度高，基于HEC-RAS的洪水漫頂模擬合理可信，可為防洪預警、制定人員疏散方案及洪水災害風險分析等方面提供依據。

HEC-RAS；淮河；洪水；漫頂；風險分析

1 概 述

在遍及全球的各種自然災害中，洪水災害最為常見。即使在科技高度發達的今天，洪水災害依然是威脅人類生命安全和財產損失最大的自然災害［1］。由于城市的擴大、人口的增加和經濟的發展，同樣的洪水災害所造成的損失較過去有幾倍甚至幾十倍的增加。為了降低洪水災害帶來的損失，除興建必要的骨干工程之外，應當加強研究洪水預報與風險分析等非工程措施，將防洪工作重點放在非工程措施上，其中洪水淹沒場景的模擬是非工程措施中制定防洪預案的重要依據［2］。

李天文等人［3］基于數字高程模型的柵格結構，以渭河下游洪水淹沒數據為基礎，依據無源淹沒和有源淹沒的原理，并結合ERDAS 8.5的虛擬GIS模塊實現了無源淹沒的三維可視化模擬。蘇布達等人［4］以GIS柵格數據為基礎及湖北省荊江分洪區為研究對象，在數字地形模型和Landsat ETM遙感影像等數據的基礎上，模擬了不同分洪方案下的洪水淹沒范圍、水深和相應的洪水淹沒地物面積及其可能損失等。英國的M.S.Horritt和P.D.Bates［5］運用1D和2D水力模型LISFLOOD-FP、TELEMAC-2D測驗英國境內60 km長的Severn河流在1998和2000年發生的洪水事件。P.D.Bates和A.P.J.De Roo［6］于2000年開發了一個用于模擬洪水淹沒的模型，該模型由一維運動波和二維擴散波組成，其中用一維運動波近似代替河道水流情況，并由顯式有限差分法求解，用二維擴散波代表洪泛區水流行徑情況。

本文以淮河淮南段為研究對象，用HEC-RAS軟件和HEC-GeoRAS模塊，在GIS環境中模擬不同洪水周期下的漫頂淹沒情況。模擬步驟概括如下：

（1）在GIS中導入數字高程模型（DEM），用HEC-GeoRAS做前期處理，在DEM中創建河道中心線、河岸、河流路徑中心線、土地使用類型等圖層；

（2）將這些圖層數據從GIS中導出，再由HECRAS軟件導入這些數據，構架起河網的基本幾何屬性，包括：河流走向、河網形狀、河道斷面、不同土地使用類型的曼寧系數；

（3）運行HEC-RAS模擬程序，得到不同斷面的水深、水流速度等數據，將HEC-RAS軟件模擬出的文件導入HEC-GeoRAS中，做后期處理，最終在GIS環境中模擬出洪水的淹沒范圍和淹沒水深。

2 HEC-RAS軟件和HEC-GeoRAS模塊

2.1 HEC-RAS軟件

河道分析系統HEC-RAS（River Analysis System）是由美國陸軍工程師團（U.S.Army Corps of Engineers）的水文工程中心（Hydrologic Engineering Center）開發出的一款能夠演算一維恒定流和非恒定流的軟件，可以用于河道水力的計算、泥沙沉積物的遷移模擬和水溫分析。HEC-RAS模型系統是水文工程中心研發的“Next Generation”（NexGen）水文工程軟件中的一個部分［7］。

HEC-RAS4.0系統是能夠提供多項工作、與使用者間交互使用網絡環境服務的完整軟件，此系統包含了圖形用戶界面（Graphical User Interface，簡稱GUI）、獨立的水力分析單元、數據存儲與管理功能以及圖標制作工具。HEC-RAS 4.0涵蓋了4個部分的一維河道分析：水面線的恒定流計算；非恒定流模擬；泥沙輸移／可動邊界計算；水質分析。這4個部分都使用同一個幾何數據，并且幾何和水力計算路徑也一致。除此之外，HEC-RAS 4.0系統還具有一些水力設計功能，在計算基本水面線時可以調用這些功能［8］。

2.2 HEC-GeoRAS模塊

過去使用HEC-RAS模擬時，主要是針對河道內的水位變化情況，一旦水位超過堤頂高程，RAS就無法模擬堤防之外的二維洪水淹沒情況。如今，搭載了GIS的功能，在GIS中加入HEC-GeoRAS的擴展模塊可以解決這個難題。

HEC-GeoRAS是由HEC和美國環研所（ESRI）聯合開發，為水文工程中心河道分析系統（HEC-RAS）提供處理空間數據功能的GIS特定應用程序，可以嵌套在GIS里運行，是HEC-RAS與GIS數據交換的媒介。前期處理可以獲取河道的幾何圖形、河道的橫截面資料、堤防的數據等，為HEC-RAS的模擬提供前期的準備工作；在HEC-RAS水力分析之后，在GIS中調入HEC-RAS的輸出文件，通過GeoRAS可模擬出漫頂洪水淹沒范圍和水深，這就是GeoRAS的后期處理功能［7］。

3 漫頂模擬步驟

3.1 河網的數字化

用Geo-RAS模塊從淮南的DEM地形圖中提取河道、灘地、橫斷面等數據，導入HEC-RAS軟件中，得到淮河淮南段河網結構圖及橫斷面的標記圖，如圖1、圖2所示。

圖1 淮河淮南段河網結構圖Fig.1 Network structure of Huainan reach of Huai River

圖1 中各個數字代表不同的河段。其中：1為流經淮南市的淮河上游段；2為淮河主干流中游段；3為淮河主干流下游段；4為淮南市淮河支流上游段；5為淮南市淮河支流下游段；6為淮河分流段。箭頭方向代表了淮南段淮河的水流走向，藍色線條代表各個河段，綠色線條代表不同河段的河道橫斷面，紅點代表河道兩側的左、右高灘地，灘地外圍的粉色方框代表河道左右兩側的堤防位置。

圖2中的阿拉伯數字代表不同河段的河道橫斷面的標記。在前期處理選取的橫斷面較多，受篇幅所限，本文僅選取其中的1號、2號兩個橫斷面作為模擬對象。

3.2 輸入參數的選取

3.2.1 各個河段不同洪水周期的設計流量

《淮南市城市防洪規劃》［9］的近期防洪標準為抵御1954年洪水（約40年一遇），遠期防洪標準為100年一遇洪水。依照40年一遇的設計流量，根據《淮南市城市防洪規劃》中頻率曲線圖估算出60年和100年一遇的洪水設計流量，再分別做具體的洪水模擬分析。不同洪水周期下，各個河段的洪水設計流量的假定值如表1所示。

圖2 淮河淮南段河網橫斷面的標記圖Fig.2 The tag of river network cross-sections of Huainan reach of Huai River

表1 各個河段在不同洪水周期下的假定洪水設計流量Table 1 The assumed flood design flow of each reach under different floods m3／s

3.2.2 各節點設計洪水水位及流量

根據《淮南市城市防洪規劃》，淮南市境內設計流量10 000 m3／s，淮河淮南段境內各節點相應的設計洪水水位及流量，如表2所示。

3.2.3 堤頂高程

淮河淮南段在右岸建有防洪堤39.12 km，從西至東分別為黑李段、老應段、耿石段、田家庵圈堤、窯河封閉堤5段。根據《淮南市城市防洪規劃》選取堤頂高程，分別為：黑李段取27.6～28.0 m，老應段取29.0 m，耿石段取26.5～27.0 m，田家庵圈堤取27.5～26.5 m，窯河封閉堤取27.0 m；由河段2，5，6圍成的上六坊行洪區的堤壩高度取23.7 m，由河段3上半段以南覆蓋的下六坊行洪區的堤壩取23.7～23.9 m，由河段3下半段和對應的右側堤防圍成的石姚段行洪區的堤壩取23.5 m。

3.2.4 Manning系數

左岸高灘地、主河道和右岸高灘地的Manning系數n取值分別為：0.03，0.035，0.04［6］。

3.2.5 收縮系數和擴張系數

這2個系數用以評估河道收縮和擴張的能量損失。收縮系數為0.1，擴張系數為0.3。

3.2.6 邊界條件

在計算上游1河段正常水深時的上游坡降為0.000 5，河段3和河段4的邊界條件為臨界水深。

3.2.7 河流的流態

河流的流態為混合流態。

表2 淮河淮南段境內各節點設計洪水水位及流量Table 2 Designed flood level and flow of each node in Huainan reach of Huai River

4 漫頂模擬結果

4.1 河道橫斷面的模擬水位線

淮河淮南段中2個河道橫斷面在40年、60年及100年一遇的洪水周期下的模擬水位線如圖3所示。

圖3中藍色橫線代表不同設計洪水周期下的模擬水位線，紅色豎線代表堤防的高度和位置。不同顏色代表不同流速，由圖例可得出流速的大小，凡是藍色橫線沒有劃到的地方代表沒有水流入。

由圖3（a）可得，1號橫斷面右岸堤防高度高于模擬水位線，所以右岸不會發生漫頂。因此，右岸堤防能夠抵擋40年、60年、100年一遇的洪水。

由圖3（b）可得，2號橫斷面40年一遇洪水周期下洪水的模擬水位線低于堤防高度，而60年和100年一遇周期下洪水的模擬水位線高于堤防高度。因此，2號橫斷面右岸堤防能夠抵擋40年一遇的洪水，而在60年和100年一遇的洪水周期下則發生漫頂現象，對河流右岸產生影響。

圖3 1號和2號橫斷面在40年、60年及100年一遇洪水周期下的模擬水位線Fig.3 The simulated water levels of No.1 and No.2 cross-section under floods once in 40 years，60 years and 100 years

4.2 河段的全程縱剖面

全程縱剖面包含了堤頂高程、河底高程、灘地高程及水位線在水平方向的位置情況，它能有效地說明是否有漫頂現象發生。當水位線低于堤頂高程時，不會發生漫頂；反之，當水位線高于堤頂高程時，則發生漫頂。淮河淮南段的河段1、河段2全程縱剖面如圖4所示。

圖4中，從上往下不同的線分別代表：右岸堤防堤頂高程、100年一遇的模擬水位線、60年一遇的模擬水位線、40年一遇的模擬水位線、左岸堤防堤頂高程，2條虛線分別代表左岸灘地和右岸灘地的縱剖面及河底高程的縱剖面。

由圖4（a）可得，對于河段1而言，右岸堤頂高程高于40年、60年、100年一遇洪水的模擬水位線。因此，河段1不會發生漫頂，對河流右岸沒有影響。

由圖4（b）可得，在河段2的起始2 000 m內，右岸堤頂高程高于40年一遇洪水的模擬水位線，但是低于60年、100年一遇洪水的模擬水位線，因此，對于40年一遇的洪水不會發生漫頂，而對于60年和100年一遇的洪水會發生漫頂；在河段2的3 000～14 000 m內，右岸堤頂高程高于40年、60年、100年一遇的模擬水位線，此時不會發生漫頂，對河流右岸沒有影響。

圖4 淮河淮南段的河段1和河段2全程縱剖面Fig.4 The entire longitudinal profiles of No.1 and No.2 river reach in Huainan reach of Huai River

圖5 淮河淮南段發生洪水淹沒示意圖Fig.5 The flood inundation in Huainan reach of Huai River

表3 淮河淮南段境內各節點設計洪水水位與模擬值的對照Table 3 Comparison between designed flood level and simulated level of each node in Huainan reach of Huai River

4.3 二維漫頂洪水淹沒圖

在GIS環境中，通過GeoRAS模塊將由HECRAS軟件模擬出的數據導入到淮南市的DEM地形圖中，生成不同洪水周期下的二維漫頂洪水淹沒示意圖，如圖5所示。

模擬可知，在40年、60年、100年一遇洪水周期下，河段2與河段4，5，6所圍區域內的行洪區被淹沒。對于40年一遇的洪水，河段3右岸行洪區僅有少量被水淹沒；對于60年一遇的洪水，河段3右岸行洪區的少部分被水淹沒；對于100年一遇的洪水，河段3右岸行洪區絕大部分被水淹沒。

從二維漫頂洪水淹沒的模擬圖來看，40年和60年一遇的洪水都出現漫頂現象，只是溢流出來的水都泄流到行洪區中，因此淮河淮南段能夠抵御40年、60年一遇的洪水。然而，對于100年一遇的洪水，除了漫頂淹沒行洪區外，由于袁郢孜地段（圖5（c）中的a點）位于行洪區的邊緣地帶，而且地勢比較低，造成洪水從該地區直接流入淮南市區，因此，袁郢孜地段需加強堤壩修筑或填高。

4.4 節點設計水位與模擬水位

將軟件模擬出的40年、60年、100年一遇洪水周期下的橫斷面水位線與《淮南市防洪規劃》中給出的淮河淮南段境內40年一遇洪水周期下各節點的設計水位對照所得統計結果，如表3所示。

由表3可知，以設計水位為基準，前5個節點的40年一遇的模擬水位與設計水位吻合度較高，而后5個節點這2個值之間差異越來越大。

出現這一現象的原因，分析有三點：一是缺乏詳細的河道地形數據，河道的地形數據是在已知河道中心線河底高程的基礎上合理假設給出的，其中部分區域或個別橫斷面的數據與真實值之間可能存在較大的誤差；二是《淮南市城市防洪規劃》中規定了境內各個站點的40年一遇的設計流量，而沒有規定各個河段分配的設計流量，即在已知總的設計流量的情況下，沒有給定干流和支流所分配的流量；三是邊界條件、各種系數（如Manning系數、擴張系數等）對模擬結果也有一定影響。

5 結 論

本文通過HEC-RAS軟件和HEC-GeoRAS模塊，在GIS環境中，模擬現有條件下淮河淮南段在40年、60年及100年一遇洪水周期下，河道各個橫斷面的模擬水位線、各個河段的全程縱剖面圖，能夠直觀地反應是否有漫頂現象發生。在GIS中實現不同洪水周期下的二維洪水淹沒圖，得到洪水淹沒的范圍及水深數據。模擬結果表明，淮河淮南段的防洪堤能夠抵御40年、60年一遇的洪水；基本能抵抗100年一遇的洪水，但需要對袁郢孜地段加強堤壩修筑或填高，防止洪水從袁郢孜流出傾入市區。

將不同周期下洪水的模擬水位與《淮南市城市防洪規劃》中規定的40年一遇洪水周期下淮河淮南段境內各個節點設計洪水水位相比較可知，模擬水位和設計水位吻合度高，模擬結果真實可信，可為城市防洪預警、制定人員疏散方案以及洪水災害損失評估等方面提供依據。

［1］ 葉義華.城市防災工程［M］.北京：冶金工業出版社，1999.（YE Yi-hua.Urban Disaster Prevention［M］.Beijing：Metallurgical Industry Press，1999.（in Chinese））

［2］ 徐 偉.城市洪水災害的模擬及風險管理對策的研究——以淮南市為例［D］.天津：南開大學，2010.（XUWei.Simulation of Urban Flood Disaster and Research on Measures of Risk Management：Take Huainan City as an Example［D］.Tianjin：Nankai University，2010.（in Chinese））

［3］ 李天文，吳 琳，曹 穎.基于渭河下游DEM的洪水淹沒分析與模擬［J］.水土保持通報，2005，25（4）：53－56.（LI Tian-wen，WU Lin，CAO Ying.Flood A-nalysis and Simulation of Lower Reaches of Weihe River Based on DEM［J］.Bulletin of Soil and Water Conservation，2005，25（4）：53－56.（in Chinese））

［4］ 蘇布達，姜 彤，郭業友.基于GIS柵格數據的洪水風險動態模擬模型及其應用［J］.河海大學學報，2005，33（4）：370－374.（SU Bu-da，JIANG Tong，GUO Ye-you.GIS Raster Data-based Dynamic Flood Risk Simulation Model and Its Application［J］.Journal of Hohai University，2005，33（4）：370－374.（in Chinese））

［5］ HORRITTM S，BATESPD.Evaluation of 1-D and 2-D Numerical Models for Predicting River Flood Inundation［J］.Journal of Hydrology，2002，268（1－4）：87－99.

［6］ BATESA P D，DE ROO A P J.A Simple Raster-Based Model for Flood Inundation Simulation［J］.Journal of Hydrology，2000，236（1－2）：54－77.

［7］ Hydraulic Engineering Center of USACE.HEC-RAS：River Analysis System User’s Manual Version 4.0［M］.Davis CA：USArmy Corps of Engineers，2008.

［8］ Hydraulic Engineering Center of USACE.HEC-RAS：River Analysis System Hydraulic Reference Manual Version 4.0［M］.Davis CA：USArmy Corps of Engineers，2008.

［9］ 安徽省水利水電勘測設計院.淮南市城市防洪規劃［R］.安徽淮南：淮南市水利局規劃設計室.1995.（Anhui Provincial Survey＆Design Institute of Water Conservancy and Hydropower.Urban Flood Control Planning of Huainan City［R］.Huainan：Planning and Designing Department of Huainan Water Resources Bureau.1995.（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

HEC-RAS for Risk Analysis of Flood Overtopping Inundation in Huainan Reach of Huai River

XUWei1，2，LIU Mao1，YANG Jie1，LIChun-zhi2，SHANG Xiao-juan3
（1.Research Center on Urban Public Safety，Nankai University，Tianjin 300071，China；2.No.2 Construction Company of China Petroleum Pipeline Bureau，Xuzhou 221008，China；3.School of Life Sciences，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

There are a large number of people，factories，farmlands and buildings in Huainan area，the south part of Huai River.Big floodswill severely endanger people’s life and property.In this paper，HEC-RAS software andHEC-GeoRASmodule are employed in GIS to simulate the flood overtopping inundation in Huainan reach of Huai River under the existing flood protection works during floods once in 40，60，and 100 years respectively.The designed water level of different cross-sections，the overtopping inundation area，and the inundation depth data are obtained.The simulationmanifested that the flood protection works in this reach are capable of handling floods once in 40 and 60 years，and can generally withstand floods once in 100 years.The simulated water level is consistent with the designed level.Therefore it is concluded that it is reasonable and credible to use HEC-RAS to simulate flood overtopping，and thereby providing reference for the early warning，the population evacuation planning，as well as flood disaster risk analysis.

HEC-RAS；Huai River；flood；overtopping；risk analysis

TV122.3

A

1001－5485（2011）07－0013－06

2010-09-03

國家科技支撐計劃課題（200603746006）；國家自然科學基金項目（70833003）

徐 偉（1985-），男，江蘇淮安人，碩士研究生，主要從事城市公共安全研究，（電話）13615108319（電子信箱）xuwei198500＠163.com。