基于BIM+GIS技术的前坪水库溃坝洪水数值模拟

李政鹏 皇甫英杰 李宜伦 应越红 皇甫泽华

摘 要：为确保水库汛期防洪及水库下游人民生命财产安全，以河南省汝阳县前坪水库为例，基于库区高精度地形图和DEM，采用BIM技术、GIS技术结合MIKE软件建立水库溃坝一维、二维耦合数值模型，模拟水库大坝在5 000 a一遇校核洪水位下溃坝及洪水下泄过程，计算水库溃口流量过程及溃决后洪水在下游的演进过程，获得水库下游淹没区范围、淹没区流态等洪水风险信息。结果表明：大坝溃口流量过程与经验公式计算结果较吻合，数值模型可有效模拟溃坝后洪水下游演进风险特征，计算结果较为合理，三维洪水演进过程直观准确。

关键词：MIKE;BIM技术;GIS技术;溃坝洪水;溃口流量过程;淹没范围;前坪水库

中图分类号：TV122+.4 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.031

引用格式：李政鹏，皇甫英杰，应越红，等.基于BIM+GIS技术的前坪水库溃坝洪水数值模拟[J].人民黄河，2021，43（4）：160-164.

Abstract： In order to ensure the flood control safety of reservoirs and the safety of peoples lives and property of the downstream of reservoirs during flood season， the Qianping Reservoir in Ruyang Country Henan Province was taken as an example， based on the high-precision topographic map and DEM， BIM technology and GIS technology were used with MIKE software to establish one-dimensional and two-dimensional coupled numerical model of the reservoir dam-break， dam break and flood discharge process of the reservoir was simulated under the condition of checking flood level in 5 000-year flood frequency， the process of reservoir dam break and the downstream evolution of flood after collapse was simulated and the risk information was obtained， such as the extent of the inundation area downstream of the reservoir and the fluid state of the inundation area. The results show that the flow process of dam is in good agreement with the calculated results of empirical formula， the risk characteristics of downstream flood routing after dam break can be effectively simulated， the calculated results are reasonable and the three-dimensional flood routing process is intuitive and accurate.

Key words： MIKE; BIM technology; GIS technology; dam break flood; dam break flow process; submerged area; Qianping Reservoir

水库大坝汛期存在溃坝风险，溃坝洪水过程及溃坝后对下游产生的风险已成为水库灾害研究的重要内容。目前我国已建水库大坝中，土石坝数量众多，且失事率高[1]，进行土石坝溃坝洪水问题研究，为水库汛期制定防洪应急预案、风险分析等提供理论和技术基础，对于防洪减灾具有重要意义。

关于溃坝洪水的研究，1871年法国科学家圣维南提出了圣维南方程组，奠定了溃坝洪水理论计算的基础[2-3];1892年Ritter得出了矩形断面瞬时全溃的Ritter解[4];我国于20世纪70年代开始系统研究溃坝洪水[5]，1993年谢任之从理论上推导了大坝瞬间全溃坝址最大流量的统一公式[6];2003年朱勇辉等介绍了土坝溃决机理[7];2008年隆文非等基于瞬时全溃等模型进行了溃坝洪水研究[8];2012年沈洋等以金牛山水库为例计算分析了溃坝洪水[9];2014年魏红艳采用Roe方法研究了洪水溃决演进规律[10];近年來DAMBRK、BREACH、DHI等溃坝计算模型的开发，为水库溃坝洪水的数值模拟提供了便利[11]。

本文基于前述溃坝模型研究，将BIM、GIS技术与溃坝洪水模型进行深度融合，应用于前坪水库工程溃坝洪水分析中，实现洪水演进过程的二、三维分析与展示。

1 工程概况

前坪水库位于沙颍河支流北汝河上游、洛阳市汝阳县县城以西9 km的前坪村，该水库是以防洪为主，结合灌溉、供水，兼顾发电效益的大（2）型水库，水库总库容5.84亿m3，最大坝高90.3 m，控制流域面积1 325 km2，水库主要建筑物包括主坝、副坝、溢洪道、泄洪洞、电站等，主坝为黏土心墙沙砾（卵）石坝。

前坪水库设计洪水标准为500 a一遇，校核洪水标准为5 000 a一遇，考虑不利工况下的大坝溃决影响，溃坝洪水选取5 000 a一遇校核洪水，采用1982年典型洪水过程线进行前坪水库溃坝洪水计算。

2 控制方程

2.1 MIKE11控制方程

MIKE11洪水控制方程为圣维南方程组[12-13]，控制方程如下：

2.2 MIKE21控制方程

MIKE21洪水演进控制方程[14-16]如下：

2.3 一、二维耦合模型

为准确反映水库上游一维河道与下游二维淹没范围间的相互关系，构建溃坝洪水一、二维耦合模型[17]。为确保模型计算准确，模型耦合断面处的各水力要素值应保持一致，本次数值模拟将一维模型计算得出的溃口流量过程作为二维模型的上边界条件，确保一、二维模型计算连续。

3 计算方法及范围

基于BIM+GIS技术构建前坪水库一、二维耦合模型计算溃坝洪水过程，具体方法与步骤如下：①收集水库工程基础资料，构建各建筑物BIM模型，采用GIS技术进行建筑物地基开挖和河道扩挖，得到三维地形模型，搭建水库三维场景;②构建前坪水库上游北汝河一维河道水力学模型，采用典型洪水过程线计算得到河道内洪水演进情况和溃坝后溃口洪水的流量过程;③根据所求溃口流量过程，设置MIKE21模型边界条件及计算参数;④利用MIKE21模拟溃坝洪水在下游的淹没演进过程，结合水库三维场景实现库区下游淹没区范围、水流流态等风险要素的分析和直观查询。

为确保前坪水库溃坝洪水模拟准确，划定模型计算范围为：一维模型为前坪水库坝址断面至上游河道约20 km断面处，二维模型为水库坝址断面至下游河道约30 km断面处。

4 BIM模型构建

采用Bentley公司开发的MicroStation、AECOsim Building Designer等软件在PW协同平台上进行三维协同设计，得到水库各建筑物精确BIM模型，如图1所示。

利用GIS技术对水库地形图、局部无人机航测图以及水库周边大范围的公共DEM数据等空间地理数据进行处理与整合，并以BIM模型为基础，对各建筑物进行地基开挖和河道扩挖，得到开挖后的精准地形模型，并与实景模型融合，搭建直观的水库工程三维可视化场景。

5 溃坝模型构建及计算

5.1 一维模型

（1）构建河网文件。在计算模型划定范围内，通过1∶5 000矢量图层提取上下游干流、重要支流、拦河闸等图层文件，导入MIKE11软件并布置溃口、闸等相应建筑物，构建河网文件。采用MIKE11 DB模块中的能量方程法进行溃坝洪水过程模拟，当水位到达设计洪水位418.36 m时溃坝开始。

水库溃口宽度采用经验公式计算[18]：

式中：b为溃口宽度，m;W为溃坝时蓄水量，m3;B为坝顶长，m;H为坝前水深，m;K为与坝体土质相关的系数。

根据前坪水库大坝实际尺寸，计算的大坝溃口宽度约为182 m，溃口深度约为70 m，溃决历时取0.5 h。溃口位置定为主河槽坝段，溃口形状由溃口底部高程、宽度和边坡系数等确定[19]。

（2）构建河道断面文件。河道断面數据通过GIS技术对DEM数据剖切获得。获得各断面离散点高程数据后，通过自编断面生成工具批量生成河道断面，并根据实际情况修正河道堤防边界，防止河道内水溢出，为保证模型计算精度，河道断面间距约取500 m。

（3）设置边界文件。一维水动力学模型上边界条件为1982年典型洪水过程线，下边界为坝址断面下游约30 km处断面，控制条件为断面流速，约为1.5 m/s。

（4）设置参数文件。为保证模型平稳启动，模型中初始水位和流量的取值尽可能与实际条件一致，也可设定为接近0，让模型自行迭代计算，本次研究初始流量设定为0.1 m3/s，水位设定为计算开始时的库水位。糙率是水动力学模型计算的重要参数，根据《洪水风险图编制导则》[20]和《河南省前坪水库工程初步设计报告》，前坪水库坝址上游范围内河道主槽的糙率为0.034 8，边滩的糙率为0.045 2。

（5）设置模拟文件。模拟类型选择水动力模型，模拟方式为非恒定流，通过模拟文件编辑器把相关文件链接起来，计算时间步长经试算调整为固定时间5 s时模型可稳定收敛，输出结果时间步长取5 s，并将其作为二维模型溃口流量的边界条件。

5.2 二维模型

（1）网格剖分。选择前坪水库下游河道长约30 km、面积约300 km2作为下游淹没演进计算范围。考虑到溃坝瞬时流量较大，为满足模型计算精度要求，计算区域采用不规则三角形网格，最大网格面积不大于0.03 km2，对于溃口区域、堤防、地形变化较大等部分区域计算网格进行适当加密，保证水流平滑过渡、计算稳定，本次计算区域共剖分网格1.2万个。

（2）地形高程整理与插值。对计算范围进行网格剖分后，采用1∶10 000比例尺的DEM高程数据对剖分网格进行高程插值，插值得到的地形云图如图2所示。

（3）设置边界条件。溃口位置设置为入流边界条件，与一维模型通过溃口流量过程进行耦合连接，连接宽度为溃口宽度;二维模型淹没演进末端主河道断面设置为定流速出流边界条件，流速设为1.5 m/s，宽度为主河槽宽度;模型其余边界为闭边界条件。

（4）布置公路、铁路等阻水地物。水库下游计算区域内分布有堤防、铁路、公路、桥梁等阻水建筑物，若其高于地面0.5 m以上，则对洪水演进有明显影响。本次二维计算模型构建时，将243省道、325省道与二广高速公路（含2座桥梁）及北汝河10余条堤防均纳入计算范围。

（5）设置计算参数。①糙率。在二维模型中可以设定每个网格取不同的糙率值，也可统一设定为一个固定的糙率值。本次在模型计算中，综合考虑计算区域地形地貌、植被情况等，按统一糙率进行计算，结合《洪水风险图编制导则》[20]，糙率取0.04。②计算时间和步长。二维模型计算时间保持与一维模型相同，确保模型计算连续、稳定。计算时间步长根据模型计算精度和收敛的需要确定，经调试模型，计算时间步长采用0.01～1 s的可变时间步长，边界条件输入步长为5 s。③干湿边界。模型中干水深、浸没水深和湿水深分别取0.005、0.050、0.100 m，确保模型计算连续、稳定。

6 结果分析

6.1 溃口流量过程

前坪水库主坝为土石壩，当宽度方向部分溃决时，溃坝最大流量Qmax可采用经验公式[21]计算：

式中：h0为决口处水深;B为坝顶长。

结合大坝实际尺寸，采用经验公式计算的溃坝峰值流量为99 859 m3/s，采用一维模型计算的溃口，最大流量为111 963 m3/s，较经验公式计算值大，计算溃口流量从0发展到最大用时27 min，与假定的0.5 h基本吻合。采用MIKE软件一、二维耦合模型计算溃口流量时考虑水库上游河道形式变化及水库库容更能反映大坝实际溃口流量过程，因此采用该模型计算较为合适。

6.2 下游洪水演进过程

前坪水库下游淹没范围内地形高程总体沿北汝河河道流向呈下降趋势，故溃坝后洪水呈现在坝址附近积蓄后向下游河道演进，溃坝发生2 min后距坝址约1 km的上店镇被淹没，溃坝发生38 min后距坝址约9 km的汝阳县城被淹没，最大淹没水深超过10 m。

溃坝洪水演进在不同时刻符合水力学规律，随着溃口处流量逐步减小或不再出流后，地势较高的区域淹没水深逐步减小，而地势较低的区域，在溃口流量减小或不再出流时，洪水聚集水深还将增大。

分析图3、图4可知，模型在不同时刻的洪水演进及洪水淹没区范围变化符合实际，计算模型合理。

6.3 下游洪水流态

MIKE软件二维模型中布置了堤防、桥等阻水建筑物以确保与实际洪水下泄情况相符，当洪水下泄过程中遇到阻水建筑物时流向、流速会发生变化。图5反映了洪水下泄时遭遇阻水建筑物的流态变化情况，流场与阻水建筑物位置、地形起伏情况相匹配，且有一定规律性，与实际情况较符合。

6.4 洪水模拟结果三维展示

将溃坝洪水计算结果根据水深、流速等特性进行渲染和三维可视化展示，可直观查看下游溃坝洪水演进过程、村镇淹没具体情况等。

7 结 论

（1）采用BIM技术、GIS技术、MIKE软件构建了水库溃坝洪水计算模型，模拟了前坪水库大坝溃口溃决过程及洪水演进过程，通过对溃口流量过程、下游洪水演进、淹没区流态等进行分析，验证了溃坝模型构建的合理性。

（2）水库溃坝洪水对下游影响范围较大，特别是溃口附近、河道半径较小和比降较大的地区，溃坝洪水可能对村庄、河道堤防等造成较大的冲击，因此在汛期应提早防范，做好对下游局部地段水流的引导，并对下游重点河段进行疏浚清淤、堤防加高等处理，局部河段适度拓宽，以提高过流能力、降低洪灾风险。

（3）基于BIM技术的三维设计和GIS技术的时空数据分析处理，与溃坝洪水模型深度技术融合，提高了模型计算精度和展示效果。将溃坝洪水淹没演进过程在二、三维场景中直观展现，对于水库防洪决策、制定库区下游群众避险转移方案等具有重要指导意义。

参考文献：

[1] 刘宁.国内外大坝失事分析研究[M].武汉：湖北科学技术出版社，2001：1-14.

[2] 刘林，常福宣，肖长伟，等.溃坝洪水研究进展[J].长江科学院院报，2016，33（6）：29-35.

[3] 王立辉，胡四一.溃坝问题研究综述[J].水利水电科技进展，2007，27（1）：80-85.

[4] 李炜.水力计算手册[M].北京：中国水利水电出版社，2006：434-461.

[5] 林秉南，龚振瀛，王连祥.突泄坝址过程线简化分析[J].清华大学学报，1980，20（1）：17-31.

[6] 谢任之.溃坝水力学[M].济南：山东科学技术出版社，1993：15-73.

[7] 朱勇辉，廖鸿志，吴中如.国外土坝溃坝模拟综述[J].长江科学院院报，2003，20（4）：26-29.

[8] 隆文非，张新华，黄金池，等.水库溃坝洪水预测方法研究及应用[J].四川大学学报，2008，40（1）：21-26.

[9] 沈洋，王佳妮.基于MIKE软件的溃坝洪水数值模拟[J].水电能源科学，2012，30（6）：56-58.

[10] 魏红艳.均质土堤漫溢溃决过程试验研究及数值模拟技术[D].武汉：武汉大学，2014：54-87.

[11] 吴秀山.不同溃决模式下冰湖溃坝洪水演进模拟[D].杭州：浙江大学，2014：9-16.

[12] 姜世俊.土石坝溃坝风险评估关键技术研究及应用[D].南昌：南昌大学，2012：27-28.

[13] 田福昌，张兴源，苑希民.溃堤山洪淹没风险评估水动力耦合模型及应用[J].水资源与水工程学报，2018，29（4）：127-131.

[14] 董建良，吴欢强，傅琼华.油罗口水库溃坝洪水计算与风险评估[J].南水北调与水利科技，2014，12（6）：189-191.

[15] 郜国明，李书霞，郭晓明，等.黄河濮阳段防洪保护区洪水风险分析[J].人民黄河，2018，40（8）：36-43.

[16] 任海.溃坝洪水演进数值模拟分析研究[D].天津：天津大学，2012：8-12.

[17] 黄萍，雷文韬，李德龙，等.MIKE21模型在南新联圩洪水模拟中的应用[J].人民长江，2017，48（17）：1-5.

[18] 可友国，雷宏军，王永高，等.尖岗水库溃坝洪水计算与风险评估[J].人民黄河，2008，30（7）：36-37.

[19] 周兴波，陈祖煜，陈淑婧，等.基于MIKE11的堰塞坝溃决过程数值模拟[J].安全与环境学报，2014，14（6）：23-27.

[20] 中华人民共和国水利部.洪水风险图编制导则：SL483—2017[S].北京：中国水利水电出版社，2017：8-9.

[21] 王欣，王玮琦，黄国如.基于MIKE FLOOD的城区溃坝洪水模拟研究[J].水利水运工程学报，2017（5）：67-73.

【责任编辑 张华岩】