HEC-RAS模型在洪水危险性评价中的应用

刘姝熠

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

1 概述

洪水灾害是自然界发生较为频繁且危害最大自然灾害之一，对人类的生命和财产安全构成了严重威胁[1]。城镇建设的不断扩展、人口的急剧增加以及经济的发展，不仅加速了水环境系统的破坏，而且因洪水灾害所造成的经济和财产损失急剧增大。为降低洪水灾害损失，除了大兴修建水利工程外，还要考虑非工程措施，如洪水预报分析、淹没危险性预测等技术的应用。实践表明，有效的洪水灾害防治工作还要注重对洪水淹没场景的模拟分析，不仅可为制定洪水管理与防洪预案提供一定参考，而且对保证洪水淹没范围内的生命财产安全具有重要意义[2]。针对洪水淹没问题国内外学者开展了大量的研究，通过对各类模拟软件的应用取得了一定的成果。如李天文等以渭河下游为研究对象，利用数字高程栅格原理模拟分析了三维可视化淹没过程；苏布达等对荆江分洪区的淹没范围、灾害损失、水深等利用GIS格栅数据进行了模拟分析；P.D Bates等利用一维运动波表征河道水流状况，利用二维扩散波反映洪水径流桩，然后在此基础上运用有限差分法求解了洪水淹没模型；M.S.Horritt等以英国Severn流域为例对河流的行洪时间利用2D模型进行了模拟分析。据此，本文结合已有研究成果，利用HEC-RAS软件模拟分析了辽河流域辽宁段的洪水漫顶淹没过程，并对比分析了不同洪水周期下的漫顶情况，以期为该流域的洪水预警及淹没危险性预制方案提供一定的参考。

2 洪水漫顶模拟

2.1 模拟模型

河道沉积物的输移规律、水流温度、水力状态等参数均可通过HEC-RAS软件的模拟分析来实现，该软件不仅能够模拟分析非恒定水流的淹没过程，而且可表征恒定水流的水力状态、淹没面积等。HEC-RAS软件是由图表绘制、数据储存以及水力分析单元等工具组成的能够提供网络服务环境与多项指令的完整性软件，能够实现河道水质状况、泥沙输移、水流等状况的模拟分析。

传统的HEC-RAS主要是模拟分析水位的变化情况，而在水位超过漫顶高程时很难实现堤外的二维淹没模拟。针对上述问题，本文考虑将GIS的应用程序引入HEC-GEORAS的扩展模块中，对于模拟分析时所需要的数据可通过对河道特征信息的处理获取，如对河道堤防、截面信息及河道流向等信息利用GIS程序进行提取。然后通过分析河道水力特征模拟洪水漫顶淹没的范围与洪水深度，以此实现GEO-RAS软件的模拟处理[7]。

2.2 河网信息提取

对研究区段EDM地形图中的横断面、滩地、形貌等参数信息利用GEO-RAS软件中的相关模块进行提取，然后通过数据的导入得到辽河流域宁夏段的河网结构，如图1所示。

图1 辽河流域辽宁段河网结构图

不同的数字符号代表河流的相应区段，其中1、2、3分别代表河流的上、中、下游河段；数字4、5分别代表该区段支流的上游与下游段；6为分流段区间；箭头方向为河流走向，字母A～D为河道的不同断面。考虑到数据资料的有限性特征，本文结合研究区段实际状况选取A、B两个断面作为模拟对象。

2.3 模型参数确定

结合《辽宁省城市防洪规划》标准可知，40年一遇与100年一遇分别为研究区域的近期与远期的防洪标准。据此，本研究根据该区段40年一遇防洪标准设计流量以及频率曲线图对其60年一遇、100年一遇的设计洪水流量进行了推算，河道设计洪水流量在不同周期内的取值范围见表1。

表1 不同洪水周期内各个河段的洪水设计流量设计值 单位：m3/s

结合辽宁省防洪规划标准可知，辽宁省境内的设计洪水流量为8500m3/s，据此可得到研究区段各节点处设计流量与洪水位，见表2。

表2 辽河流域辽宁段各节点设计洪水位及流量

辽宁段设有防洪堤防38.5km，结合辽宁防洪规划相关标准设定河道堤防高程，辽河流域辽宁段各区间堤防高程分别取26.1、25.0、24.5、27.8m。根据河道行洪区以及上游覆盖区的坝顶高程为22.8、21.5m，可确定下游河道最低值为22.8m。

根据河道历年洪水淹没情况和研究资料，可确定左、右滩地以及主河道的曼宁系数分别为0.02、0.036、0.05；根据河道附近的建筑物特征以及沿程径流的走向曲线，对河道的扩张与收缩造成的能量损失分别采用相应的系数指标进行表征，其中扩张系数设定为0.2，收缩系数为0.1；利用计算模型进行河道漫顶模拟分析时应首先确定其边界条件，本文分别选取3、4河段作为临界水深的边界条件，河道坡降比设定为0.0004；根据河流在不同季节的变化特征，选取混合流态作为模型的流态输入参数。

3 模拟结果分析

3.1 横断面水位线

将上述各参数输入HEC-RAS软件模型，并进行水位线的模拟运算，在各个洪水期间内河道断面A、B的洪水模拟结果。如图2所示。

图2 河道断面A和B在各个洪水周期内的模拟水位线

根据图2可以看出，堤防工程的高程明显高于河道A断面的模拟水位线和径流速度，因此不会发生漫顶灾害，针对于不同时期的洪水A断面的右岸堤防均可抵御；模拟洪水水位线的的地方高程在40年一遇洪水周期内低于堤防工程的实际高程，而在60年一遇和100年一遇的洪水周期内略高于实际地方工程。因此，在河道B断面处基本能够低于40年一遇的洪水周期，而在60年与100年周期则可能出现洪水漫顶的灾害。

3.2 洪水水位线及漫顶分析

为反映河道漫顶的发生状况，本文基于河堤、滩地、水位线以及堤防高程等模拟分析结果，研究分析了河道纵剖面的水位线与漫顶过程。按照模拟水位线高于河道堤顶高程则不会出现漫顶灾害，反之则可能出现漫顶的原则，分别对河道A断面与B断面的全程剖面特征，如图3—4所示。

图3 A河段截面全程纵剖面

图4 B河段截面全程纵剖面

根据图3模拟结果可以看出，在各个洪水周期内A河段的右岸堤顶整体上均高于模拟水位，因此在一般情况下该区段不会出现漫顶的洪水灾害；根据图4可以看出，B河段截面的右岸堤顶高程整体低于60与100年一遇的模拟水位线，然而在个别区段出现堤顶高程高于模拟水位线的情况，因此可认为在B河道断面的局部区域可能会出现漫顶灾害，而在30年一遇洪水时基本上不会发生漫顶现象。

在40年一遇的洪水周期内可能出现2、5、6河段范围的淹没情况，而在4河段存在局部淹没的情况；在60年一遇洪水周期1河段左岸的局部区域可能出现淹没情况，而在100年一遇洪水时可将该河道附近大部分范围淹没。

通过洪水淹没溢流量及漫顶特征的对比分析可以看出，在40年一遇与60年一遇可能产生漫顶的区域范围内，洪水溢流的方向大部分是朝着行洪泄流方向漫流，因此可认为该区段的防洪堤坝基本能够低于期间的洪水灾害；而在100年一遇可能出现的洪水弃漫顶流向不仅沿着行洪区径路，而且向河道附近较低的方向径流，并在人口密集区形成洪水灾害，造成生命财产的损失。因此，有必要对该区段进行堤防的加固与坝顶高程的提升。

3.3 设计水位线

利用HEC-RAS软件模拟分析各洪水周期内的断面水位，并对比分析30年一遇设计水位线与模型输出结果，进一步探讨河道设计水位线的合理性与适用性，规划设计水位线与软件模拟结果，见表3。

表3 辽河流域辽宁段各节点的设计水位与模拟洪水位统计结果表 单位：m

对比分析30年一遇洪水周内模拟水位与设计水位之间的大小关系，可以发现在前7个节点中二者具有良好的一致性，而在本溪与鞍山节点处设计洪水位与模拟水位之间存在较大的差异。结合该区域河道实际情况可从以下3个方面对出现差异的原因进行分析：①出现该输出结果的差异可能与数据资料收集的准确性与可靠性相关，在数据统计分析时是以河道中心线处河底的高程为依据进行河段内高程数据的假设与推算，这就在一定程度上加大了个别横断面真实值与推算值之间的误差。②相关标准中仅仅对30年一遇的主干河道的设计流量进行描述和规定，并未给出各支流河段的分配设计流量，只是对河道的总设计流量进行了规定，并未对各个支流与干流的分配流量进行准确的描述。③本溪与鞍山设计水位与模拟水位出现较大偏差还可能与模型软件的参数、边界条件等参数的设定相关，模拟区段的流量受河道缩减系数、扩张系数等参数的设计影响显著，不同的参数取值均可对流量与水位设计造成一定的误差。

4 结语

本文以辽河流域辽宁段为例，对40年一遇、60年一遇以及100年一遇的水位线、漫顶过程等利用HEC-RAS软件与GIS模块进行了模拟分析，主要结论如下。

(1)模拟洪水水位线在40年一遇洪水周期内低于堤防工程的实际高程，而在60年一遇和100年一遇的洪水周期内略高于实际堤防工程。因此，在河道B断面处基本能够低于40年一遇的洪水周期，而在60与100年周期则可能出现洪水漫顶的灾害。

(2)在40年一遇与60年一遇可能产生漫顶的区域范围内，洪水溢流的方向大部分是朝着行洪泄流方向漫流，因此可认为该区段的防洪堤坝基本能够抵御期间的洪水灾害；而在100年一遇可能出现的洪水弃漫顶流向不仅沿着行洪区径路，而且向河道附近较低的方向径流，并在人口密集区形成洪水灾害，造成生命财产的损失。因此，有必要对该区段进行堤防的加固与坝顶高程的提升。

(3)对比分析30年一遇洪水内模拟水位与设计水位之间的大小关系，可以发现在前7个节点中二者具有良好的一致性，而在本溪与鞍山节点处设计洪水位与模拟水位之间存在较大的差异。

(4)本溪与鞍山设计水位与模拟水位出现较大偏差可能与数据资料收集的准确性与可靠性相关，在数据统计分析时是以河道中心线处河底的高程为依据进行河段内高程数据的假设与推算，这就在一定程度上加大了个别横断面真实值与推算值之间的误差。另外，相关标准中仅仅对30年一遇的主干河道的设计流量进行描述和规定，并未给出各支流河段的分配设计流量，只是对河道的总设计流量进行了规定，并未对各个支流与干流的分配流量进行准确的描述；还可能与模型软件的参数、边界条件等参数的设定相关，模拟区段的流量受河道缩减系数、扩张系数等参数的设计影响显著，不同的参数取值均可对流量与水位设计造成一定的误差。