基于HEC-RAS的二维溃坝洪水计算
2020-05-18
(四川省水利水电勘测设计研究院规划设计分院，四川 德阳，618000)
据相关资料[1]统计，截至2018年底，我国建成各类水库98822座，其中大型水库736座，中型水库多达3954座。一旦水库发生溃坝事故，将会给下游人民的生命财产造成惨重损失，因此，对溃坝洪水的计算至关重要。本文通过HEC-RAS 5.0.7软件二维模型对开江县宝石桥水库进行溃坝分析，得到分析研究区域的洪水淹没范围，洪水水深，流速分布和洪水到达时间等。研究结果可为防洪减灾提供一定的技术支持。
1 计算原理
1.1 软件介绍
河流分析系统(HEC-RAS)软件可进行一维恒定流和一维、二维非恒定河流水力计算。HEC-RAS是一个集成的软件系统，该系统包括图形用户界面(GUI)，独立的水力学分析组件，数据存储和管理组件，图形和报告设施组件。溃坝洪水可采用一维或二维非恒定流进行水力计算。
1.2 二维非恒定流水力计算原理
控制水流的物理定律是质量守恒原理(连续性)和动量守恒原理。这两个定律以偏微分方程的形式在数学上表达，以下将其称为连续性和动量方程。HEC-RAS软件的二维非恒定流计算方程采用Navier-Stokes方程描述了二维流体的运动[2]。
假设流动是不可压缩的，质量守恒(连续)方程的非定常微分形式为：
(1)
式中：t为时间，H为水位，hu和hv分别为x和y方向的水位分量，q为流量。
动量方程的非定常微分形式为：
(2)
(3)
式中：u和v是x和y方向的速度分量，g是重力加速度，vt是水平涡粘系数，cf是底部摩擦系数，fu和fv分别是x和y方向的科里奥利参数。
模型采用迭代法求解上述(1)(2)(3)式。
2 溃坝洪水计算案例及分析
2.1 工程概况
开江县宝石桥水库位于明月江的支流白岩河上，水库枢纽由主坝、一副坝、二副坝、溢洪道构成，放水建筑物有前厢取水口、后厢取水口、放空洞。主坝为粘土斜墙石渣坝，坝顶高程484.68m，最大坝高34.70m，坝顶宽7.0m，坝顶轴线长267.31m，坝顶迎水面设置1.0m高浆砌条石防浪墙，墙顶高程485.68m。总库容10142万m3，2000年一遇校核标准洪峰流量为2530m3/s，洪量7400万m3；100年一遇设计标准洪峰流量为1490m3/s，洪量5335万m3。
2.2 地形模型处理
根据二维模拟区的1/10000数字化航测图(CAD版本)，通过ArcGIS软件将等高线和高程点图层转化为shp格式，并将转化出的Polyline、Polygon、Point三个图层进一步处理成线要素图层，设置空间参照系为：西安80坐标。采用3D Analyst工具将线要素图层转化为HEC-RAS支持的tif格式。
使用RAS Mapper将二维模拟区的tif格式文件构建为.hdf文件和.vrt文件。至此地形图层将在RAS窗口中可见，并可以在模型中识别使用。
2.3 HEC-RAS模型的建立及计算
2.3.1 建立几何数据
从Mapper组件中创建水库大坝下游的二维模拟区的边界多边形，设置合理大小的计算单元格并设定糙率等相关参数。输入宝石桥水库库区边界，并设置库容曲线等相关参数。将二维模拟区和宝石桥水库通过水库大坝进行连接，并输入大坝的相关参数，如坝顶高程484.68m，最大坝高34.70m，坝顶宽7.0m，坝顶轴线长267.31m。
2.3.2 输入计算条件
(1)边界条件
①水库边界条件：用水库入库洪水过程线Q(t)来表示，在计算洪水波向下游演进时，Q(t)为已知值。
②二维模拟区边界条件：可用水位～流量关系曲线来表示，若下游末端流量由河道控制。
(2)初始条件数据
水库库区初始条件：将库区的初始高程设置为483.68m。
在用差分法求解非恒定流方程时，首先必须知道初始时刻(t= 0)各断面的水位h和流量Q，本模型假定初始时刻为恒定非均匀流，用Newton-Raphson法求解，由于流量和河道几何断面形状已知，故可求得末端水位。
(3)输入溃坝数据
本次溃口底部高程为管涌发生位置的高程，为464.00m，形成底宽50m，左边坡1.4，右边坡1.7的溃口，溃口形成时间取1h，溃口尺寸见图1。
图1 大坝溃口示意
(4)执行计算
设置好初始条件加速时间、计算时间步长、计算公差等参数后，执行非恒定流计算。
在计算过程中，分配适当的计算单元格尺寸和计算时间步长对于获得2D流量区的求解非常重要。计算单元格尺寸和计算时间步长的一致性原则要求减少空间(网格)和时间步长，以保证解决方案的收敛。通过多次测试后选择合适的计算单元格尺寸和计算时间步长以获得最优解[3]。
2.4 溃坝洪水淹没分析
将计算成果导入ArcGIS软件或直接在RAS Mapper中查看，地形图层见图2，洪水淹没范围、洪水水深及流速分布图见图3-图5。
图2 模型范围地形
图3 洪水淹没范围
图4 最大水深分布
图5 流速分布
3 结语
本文综合应用ArcGIS，HEC-RAS等软件，简要介绍了一种二维溃坝洪水模拟计算方法及过程。并以宝石桥水库为例，基于数字化航测图提取模型计算所需的地形等数据，对大坝溃决进行演进模拟，得到下游洪水淹没范围，洪水水深，流速分布和洪水到达时间等。研究结果可为洪水风险图制做、水库大坝安全管理应急预案、水库防汛抢险应急预案及水库下游河道防洪减灾提供一定的技术支持。
