山岭隧道涌水径流水量排放演变模拟*

李 琦，杨 旭，由丹丹，刘 威

(哈尔滨师范大学,寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室)

0 引言

在“十二五”到“十三五”的10年中，中国投资超过4万亿集中用于建设超长超深高风险隧道工程和世界级大型水利水电工程，并在“十四五”规划纲要中强调要加快建设交通强国，加快推动铁路项目建设.近年来，中国铁路行业迅猛发展，铁路沿线的地形地质复杂、气候条件多变、生态环境脆弱等难题层出不穷，隧道建设逐渐成为了铁路施工的重难点.长期以来，隧道涌水一直是隧道施工过程的水文难题[1].它影响着隧道的施工、运营及维护的全过程，且致灾机理复杂、量化分析困难[2].特别是由于山岭地区铁路隧道的水文地质资料不易获取以及隧址区复杂的地表和地下水系，使得隧道施工时刻面临着突涌水风险[3].

突涌水风险是隧道施工中的主要地质灾害风险[4]，在国内外重大隧道工程发生的特大事故中，突涌水事件在发生频次和伤亡人数方面均居于前列[5].该文重点针对涌水从隧道口涌出后形成地表径流这一事件，利用HEC-RAS水文模型对涌水排放径流的动态分布进行估算.HEC-RAS模型可用于生成基于事件的河段规模水力过程，用更为详细和有效的时空方程来模拟基于事件的河道水力学[6-8].以往研究通常将有效降雨量替代为地表径流来进行模型演算.例如，使用土壤保持服务曲线数(SCS-CN)方法估算有效降水量[9]，或使用更稳健的水文建模系统(HEC-HMS)，用于生成二维模型(HEC-RAS)的流入边界线，并进一步模拟河网流量[10].除了SCS-CN方法，还可以利用HEC-HMS中的土壤水分核算方法，对连续模型下的地表径流进行模拟[11].虽然SCS-CN和HEC-HMS方法都已经成功应用，但用于模拟隧道涌水径流事件仍需要理论验证[12-14].

1 研究区域与方法

该研究利用空间式水文模型对隧道涌水形成的地表径流事件进行模拟，并对隧址区的影响范围及程度进行预报预警，目的是提出一套切实可行的隧道涌水径流模拟和水量风险评估方法，以减轻涌水对隧址区的水环境造成的影响.为此，选择HEC-RAS(美国陆军工程兵团，2014)和ArcGIS(ESRI，ArcGIS Desktop，2007)软件作为识别关键要素和模拟径流的有效工具组合.

1.1 研究区域

朝阳湖火车站隧道位于成都市浦江县朝阳湖镇，全长98 km，是川藏铁路起点站.隧道最大埋深约为27.57 m，海拔536 m(如图1所示)，双线设计.隧址区围岩岩质较硬，性脆，地处硬质岩的应力聚集带，且区内地表水系较发育，加上大气降雨补给，在隧道建设过程中经常遇到溶洞和地下暗河，这些丰富的地表水和地下水极易造成隧道涌水事件发生.

图1 研究区域

在不考虑施工抽排水的情况下，经模型调参测试出隧道涌水自然涌出后形成的地表径流量约为1000cfs，该研究只考虑自然状态下涌水径流对隧址区产生的潜在风险.

1.2 研究方法

HEC-RAS水文模型被广泛用于地表径流的模拟和安全管理研究，它包括文件存储、径流分析、结果输出和图像展示等功能[15-17].该文利用HEC-RAS软件中的动波模型对隧道涌水径流排放情景进行一维模拟.考虑到DEM是地表水流路径的主要自然表示，当隧址区的土壤达到饱和时，超过土壤渗透能力的径流会通过地表水流路径分流到附近的河网.在数据不易获取的山岭地区，HEC-RAS中的动波模型是较好的选择，因为动波模型是HEC-HMS地表径流模型中的概念模型[18-19]，此模型所需的数据主要为DEM数据，且可以直接从哨兵二号高分辨率遥感影像中解译获取.采用HEC-RAS建立的一维隧道涌水水文模型可以准确地模拟隧道涌水在隧道外的径流排放演变规律和分布情况.构建水文模型是隧道涌水径流生态风险预报的基础[20-21]，因此利用水文模型模拟隧道外涌水径流的排放路径是十分必要的.

HEC-RAS是美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水面线计算模型,适用于河道一维恒定流和非恒定流的水力计算.其中，非恒定流计算基于连续方程和动量方程.

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

式中：ρ为径流水体密度；u为流速；x为横向坐标；t为时间；p为压力；f为质量力.

2 涌水径流模拟

基于1∶1000地形图，利用HEC-RAS地表径流模型构建朝阳湖火车站隧道口涌水径流线的水文模型.通过Arcview3.3的拓展模块HEC-GeoHMS3.3对径流DEM数据进行处理，提取径流的地形参数及河道特征参数，并在此基础上构建HEC-RAS工程，最终得到涌水径流排放的概化河道如图2所示.

图2 涌水径流排放概化河道

3 结果与讨论

将ArcGIS软件中的图层数据均转换为数值形式录入HEC-RAS软件，在HEC-RAS水面线计算软件中进行水量演进运算，最终得到隧道涌水径流排放的模拟结果(如图3所示).其中10、9、8、7和6分别代表涌水径流的5、4、3、2和1号横断面.

图3 水文模型模拟结果

朝阳湖火车站隧道口涌水径流的水位剖面线图如4所示，图中展示了涌水径流水位的变化情况，J1点位于隧道口处的5号横断面，J5点在径流1号横断面上，PFK1点为涌水径流末端端点.

朝阳湖火车站隧道涌水径流的HEC-RAS工程提供河道三维立体图(如图5所示).其中，绿色线为涌水径流河道河岸线，红色线为涌水径流水面线，黑色线表示涌水径流河道底部.

图5 涌水径流河道三维立体图

由朝阳湖火车站隧道涌水径流的水文模型模拟结果(如图3所示)可见，隧道涌水径流的平均流速(第10列)显示出上下波动的变化趋势，在径流末段平均流速为6.16ft/s，流速较慢，在隧道口流速最快，最大值达到18.04ft/s，说明径流的流速变化受到土地利用因素的影响.径流的有效流动面积(第11列)最大值出现在径流中段(居民住宅区)，说明涌水径流的水量风险在住宅聚集区域影响范围最大，程度最高.在住宅区，地面坡降小，自然状态下的径流河道浅，相同涌水量的地表径流就会呈现出更大的水面宽和更大的流域面积.同样，径流的水面宽度(第12列)与流速和流动面积呈现出相同的变化趋势，水面宽度从隧道口涌出后先增加后减少，最大值出现在2号横断面(6.68ft)，这是由于此横断面的河道较浅，在相同的涌水量条件下，呈现出相对更大的径流水面宽度.径流流速快和流动面积大的区段，可能会影响隧址区的植被生长和居民正常生活，并对地下水系造成扰动，间接影响附近居民用水和土壤中动植物需水.为了减少涌水径流对隧址区生态环境的影响，隧道管理人员应依据涌水径流的水量模拟结果，着重考虑如何构建隧道突涌水防治优化路径.

由图4可以看出，朝阳湖火车站隧道涌水径流从5号横断面至径流末端的水位呈不断下降的趋势.由河道三维立体图(如图5所示)可以看出，涌水径流的水面线呈上下波动趋势，但高度一直未超出两侧河道线.

图4 涌水径流水位剖面线图

涌水径流对隧址区造成潜在的环境风险，原因之一是缺少可供施工人员和管理人员使用的决策支持工具.除了目前隧道广泛使用的在隧道口处设置沉淀池、蓄水池等对隧道涌水进行处理，包括与施工废水进行清污分流预处理，该研究建议采用多目标优化策略，将绿色基础设施(GI)纳入隧道管理办法，以最大限度地减少径流的环境风险.以隧道坐标地图为底图，利用高分辨率遥感DEM高程影像，搭建隧址区GIS地图，覆盖隧址区的地表水系和附近地物.借助隧道管理平台编制“一隧一档”电子基础信息，展示隧址区管理区域、建设单位信息、涌水处理设施数据、涌水量监测数据、现场实景照片等内容，并基于GIS地图实现径流的多维度测量和计算，大大提高径流排放估算的工作效率.

综上所述，水文模型、卫星影像和对隧道现场熟悉度的综合分析结果对于径流模拟至关重要.有必要监测隧址区现场环境指标变化情况并实现隧道内部状态实时分析.隧道相关人员对涌水径流进行模拟后，应立即实行能有效减少涌水径流的措施，并构建对隧址区扰动最小的输水渠道，将涌水径流的影响降到最小化.

4 结论

水文模型模拟结果表示，隧道涌水径流的流速显示出上下波动的变化趋势，在径流末段平均流速为6.16ft/s，流速较慢，在隧道口流速最快，最大值达到18.04ft/s.径流的有效流动面积最大值出现在径流中段.同样，径流的水面宽度与流速和有效流动面积呈现出相同的变化趋势，水面宽度从隧道口涌出后先增加后减少，最大值出现在2号横断面.由涌水径流水位剖面线图可以看出，朝阳湖火车站隧道涌水径流从5号横断面至径流末端的水位呈不断下降的趋势.由河道三维立体图可以看出，涌水径流的水面线呈上下波动趋势，但高度一直未超出两侧河道线.该技术方法可用于短期涌水径流水量模拟，以较少的模型指标输入量就可以准确模拟涌水径流排放演变规律，随着HEC-RAS技术开发人员继续推进HEC-RAS模型对二维涌水径流的模拟能力，未来可尝试从多维视角对隧道涌水径流事件进行排放演变模拟.