基于hec-ras的大凌河朝陽市城區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)

洪水災害是發生頻率較高的自然災害之一，并嚴重威脅著人類的生命和財產安全。建設水利工程是降低洪水災害的主要方法和途徑，同時加強洪水淹沒危險性和預報分析等非工程性措施是減少洪澇災害的關鍵性技術手段。非工程性措施是防治洪水災害的重點工作，對洪水淹沒場景進行模擬分析是為制定防洪預案和有關制度提供重要的決策依據。國內外學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[2]等基于GIS格柵數據對荊江分洪區的淹沒范圍、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，以期為研究區域的洪水災害危險性分析、制定人員疏散方案以及洪水預警等方面提供一定的數據支撐和決策依據。

1 軟件介紹

1.1 Hec-ras軟件

河道分析系統Hec-ras是一款能夠對河道的恒定流量以及非恒定流進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絡服務環境的完整性軟件，該軟件系統主要包含了水力分析單元、數據儲存管理以及繪制圖標等工具。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、水質狀況等4部分進行模擬計算，并以同一系列幾何數據為基礎，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的Hec-ras進行模擬的主要內容，當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模擬，據此，利用GIS相關功能，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聯合研發的Hec-Georas河道分析系統利用鑲嵌的GIS模塊可對空間信息數據進行處理，GIS應用程序是進行數據交換傳遞的媒介。通過對河道圖形、截面信息參數，提防等河道特征信息進行前期預處理可獲得用于模擬分析的數據輸入體系，在分析了河道水力特征的基礎上對模型的輸入文件進行調取，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 河網的數字化

利用Geo-ras軟件中的相關模塊對大凌河朝陽市區段的EDM地形圖進行河道信息的提取如河道形貌、灘地、橫斷面等有關數據，然后導入軟件進行計算可得錦州段的河網結構圖以及橫斷面標記圖，如圖1所示。

圖1 大凌河朝陽市城區段河網結構圖

上圖中不同的數字代表大凌河錦州市城區段的不同河段，其中以數字1代表河段的上游；數字2代表主干流中游河段；數字3代表主干流下游河段；數字4代表支流上游段；數字5代表支流的下游段；數字6代表分流段；大凌河朝陽市城區段河流走向用；字母A、B、C和D分別代表不同河段的河道斷面，因朝陽市城區河道斷面較多，受數據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 輸入參數的選擇

2.2.1不同洪水期的設計流量

根據《朝陽市城市防洪規劃》相關標準，朝陽市近期防洪標準為40年一遇，遠期防洪標準為100年一遇[11]。結合40年一遇的防洪標準設計流量，并利用頻率曲線圖推算出研究區域的60年和100年一遇洪水設計流量。各個洪水周期內的河段洪水設計流量設計值見表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

2.2.2各節點設計洪水位及流量

根據朝陽市城市防洪規劃標準可知，朝陽市城區內的設計洪水流量為8000m3/s，城區內各節點的設計洪水位及設計流量統計計算結果見表2。

表2 大凌河朝陽市城區段各節點設計洪水位及流量

2.2.3提頂高程

大凌河朝陽市城區段設有防洪提防26.8km，結合朝陽市城市防洪規劃相關標準設定河道提防高程，朝陽市城區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所組成的行洪區的壩頂高度為22.7m，河段3上游覆蓋的行洪區堤壩高程區22.4～22.8m，其下游所圍成的行洪區堤壩高程區22.6m[12]。

2.2.4各系數的確定

結合研究區域河道實際情況，并通過借鑒文獻和有關研究成果，河道左灘地、主河道和右灘地的Manning系數n分別取值為0.02，0.036和0.05；引入收縮系數和擴張系數分別表征因河道收縮和擴張所引起的能量損失，結合河道徑流以及河岸建筑物特征，設定河道的擴張系數和收縮系數分別為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；采取混合流態為研究區域的河流流態。

3 淹沒模擬結果

3.1 河道斷截面水位線

大凌河朝陽市城區段A河道斷面和B河道斷面在各個洪水期間內的洪水模擬水位線模擬結果如圖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

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，故不會發生漫頂災害，A斷面的右岸提防能夠抵御不同洪水期間內的洪水；河道B斷面在40年洪水周期內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年洪水周期則可發生洪水漫頂自然災害，并對河岸產生明顯影響。

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上，對河道進行全程縱剖面研究分析，以此表征河道內漫頂現象的發生狀況[13]。當河道堤頂高程高于模擬水位線時，則不會發生漫頂；當河道堤頂高程低于模擬水位線時，則可發生漫頂危害。大凌河朝陽市城區段在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的模擬水位線，故該河段不會發生漫頂現象，且不會對河岸引起洪水災害。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，但個別區段內模擬水位線低于堤頂高程，B河道斷面局部區域可引起洪水漫頂現象，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，對朝陽市城區段的地形數據輸入Hec-ras軟件系統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所圍成的行政區在各個洪水周期內均可被淹沒；而對于洪水周期40年時，河段4內的局部行政區可被淹沒，對于60年一遇的洪水，河段1左岸行政區域內可局部被淹沒，對于洪水周期100年時，該區域的大部分范圍均可被洪水淹沒。根據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，在可產生漫頂現象的區域，所溢流出的洪水均朝著行洪泄流區方向漫流，故在大凌河朝陽市城區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徑流，而且可對行政區域內地勢較低的區域產生徑流，并造成洪水直接進入城市市區范圍內，如可對七道泉子區域產生洪水危害，故該區域應加強河道堤壩修筑或提高堤壩堤頂高程。

3.4 結點設計水位與模擬水位

利用Hec-ras模擬分析軟件分別對各洪水周期內的斷面水位進行模擬計算，并與朝陽市防洪規劃標準中規定的40年一遇洪水設計水位進行對比分析，模擬洪水位和規劃設計水位統計計算結果見表3。

表3 大凌河朝陽市城區段各節點的設計水位與模擬洪水位統計結果表

由表3可知，以研究區域的設計水位為基準水位，分別對各個洪水周期內的模擬水位進行對比分析，前7個結點的40年一遇模擬水位與設計水位保持高度的一致性，而后2個結點的模擬水位與設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域的地形數據資料收集的完整性和準確性相關，該河段內河底高程的數據是以已知河道中心線河底高程為基礎，通過進行假設推算而來的，其中個別橫斷面的真實數據與真實值存在一定的誤差進而進一步加大了計算誤差；同時相關標準規劃中僅對各個站點的40年一遇的設計流量進行了規定，而對各河段分配的設計流量未給出準確的設計流量，即在確定了河道總設計流量的基礎上，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、系數等可能對該區段存在較大的誤差影響，如所選定的河道擴張系數、縮減系數等取值較大或較小，對區段的模擬流量產生較大誤差。

4 結論

通過以大凌河朝陽市城區段為研究對象，基于Hec-ras模擬分析軟件，利用GIS相關模塊技術，以分別展開各個洪水周期內的水位線、全程縱剖面圖、洪水漫頂等模擬分析。得出的主要結論如下：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的模擬水位線，故該河段不會發生漫頂現象，且不會對河岸引起洪水災害。對于河段2、5和6所圍成的行政區在各個洪水周期內均可被淹沒；而對于洪水周期40年時，河段4內的局部行政區可被淹沒。以研究區域的設計水位為基準水位，研究區段內的前7個節點的40年一遇模擬水位與設計水位保持高度的一致性，而后2個節點的模擬水位與設計洪水位之間的差異性較為明顯。

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