基于GIS的水庫大壩潰壩洪水風險圖技術研究

王祥梁經緯宋子龍

（1.湖南省水利水電科學研究所長沙市410007；

2.湖南省大壩安全與病害防治工程技術研究中心長沙市410007）

基于GIS的水庫大壩潰壩洪水風險圖技術研究

王祥1，2梁經緯1，2宋子龍1，2

（1.湖南省水利水電科學研究所長沙市410007；

2.湖南省大壩安全與病害防治工程技術研究中心長沙市410007）

水庫大壩潰壩洪水風險圖是編制大壩應急預案的關鍵。文章以理論分析為指導，選取湖南某土石壩為典型工程案例，基于GIS技術，綜合運用水文分析和平面二維水流數學模型等多種手段，模擬了大壩潰決后不同水文情勢下潰壩洪水淹沒范圍和風險，并基于VB程序開發(fā)了水庫洪水風險圖管理系統，自動繪制出潰壩洪水淹沒風險信息，為湖南省防洪減災提供技術支持。

GIS潰壩洪水風險圖水文分析平面二維水流數學模型

在現代大壩管理理念中，大壩安全的概念已經不僅僅是工程安全，由于其公共屬性以及其對公共生產生活潛在的重大影響，其公共安全作為另一個核心含義正日益受到重視。

我國是一個壩工大國，水庫數量居世界之首，而同時病險率也偏高、安全風險大。據統計，自建國初至2006年，我國已經發(fā)生的潰壩失事事件就達到3 496座。而隨著國民經濟總量、人口密度和人民生活水平的逐步提高，水庫大壩發(fā)生潰壩等突發(fā)性應急事件造成的人口和經濟損失將更加嚴重。目前我國正處在病險水庫除險加固工程措施的實施階段，借鑒國外大壩安全管理的先進經驗，除險加固之后大壩安全管理將側重于主動預防事故的非工程措施。目前，水利部提出的水庫大壩應急預案的編制和完善是一個重要的預防和降低風險的關鍵措施。

水庫大壩應急預案主要包括潰壩及其后果分析、應急組織體系、預案運行機制、應急保障、宣傳、培訓與訓練，其中潰壩及其后果分析是大壩應急預案的核心，而大壩潰壩洪水風險圖是潰壩及其后果分析的關鍵。隨著信息技術的不斷發(fā)展，以GIS、“3S”、LIDAR、三維仿真等為主的現代化手段不斷應用于潰壩洪水風險圖繪制，為相關部門防災減災工作提供了先進的科學決策工具。

本文基于GIS技術，綜合運用水文分析和平面二維水流數學模型等多種手段，模擬湖南某水庫大壩潰決后不同水文情勢下潰壩洪水淹沒范圍和風險，并開發(fā)水庫洪水風險圖管理系統。

1 平面二維水流數學模型基本理論

將大壩上下游水流視為非恒定不可壓縮流體，則其運動規(guī)律可用Navier-Stokes方程描述，對連續(xù)方程和Navier-Stokes方程取時均值，根據Boussinesq假設，并設定壓強服從靜水分布、不計垂直方向的流動時間和空間的微分，將方程沿水深積分，這樣可得河道平面二維水流運動的連續(xù)方程和運動方程，如下：

式中h為水深；u和v為x和y向流速；g為τ重力加速度；eb為床面高程；ρ為水密度；f為科氏力系數；τsx和τsy表示表面切應力的x和y向分量；τbx和τby表示底部切應力的x和y向分量；E為紊動粘滯系數。

（1）科氏力。科氏力系數f采用如下公式確定：

其中，ω為地球自轉角速度，Φ為地理緯度，本研究所模擬的河段范圍不大，暫不考慮科氏力的影響。

（2）表面切應力。表面切應力包括波浪輻射應力和表面風應力，對于內陸流域中的中、小型河流，表面切應力對其流動影響較小，本模型數值計算時可不考慮其影響。

（3）底部切應力。底部摩擦力采用如下公式進行計算：

其中，u為流速，h為水深，n為曼寧糙率系數，其取值應根據實際的研究河段的床面形態(tài)、床質、植被情況等進行合理選取。

（4）紊動擴散項。運動方程的最后一項為紊動擴散項，其中E為紊動粘滯系數，紊動粘滯系數的確定有多種方法，本研究中采用Smagorinsky模型，利用計算得到的流速梯度，自動調整紊動粘滯系數的大小，其計算公式如下：

其中，Cs是Smagorinsky系數，A為計算單元格的面積。

由于數學上的困難，無法獲得控制方程的解析解，這就需要通過離散手段來求得數值解。本研究中采用有限單元法和有限差分法相結合的辦法對方程求解：空間上采用有限單元法，以適應復雜的邊界地形條件；時間上采用一種全隱式非線性有限差分進行離散以提高計算速度。

2 工程應用研究

2.1 工程概況

某水電站是干流梯級電站中唯一具有多年調節(jié)性能的龍頭水電站。該水電站以發(fā)電為主，兼具防洪、灌溉、旅游、航運等綜合效益。工程樞紐由混凝土面板堆石壩、引水發(fā)電系統和溢洪道、泄洪洞等組成。該面板堆石壩的主壩典型斷面的剖面如圖1所示。

圖1 主壩典型斷面圖

2.2 基于GIS繪制潰壩洪水淹沒范圍

利用GIS技術收集大壩上下游一定區(qū)域的地形資料，并選擇壩址以下20 km的河段作為研究范圍，采用矩形網格對計算域進行離散，網格步長為50 m。

根據潰口下泄流量的計算和不同入庫洪水頻率下潰口下泄流量關系，對應洪水頻率為0.01%，其潰口流量過程如圖2所示，模擬其對應的潰決洪水演進過程。

圖2 潰口流量過程圖

潰壩后不同時間大壩下游水位分布及淹沒范圍如圖3～圖9所示。

圖3 潰壩前水面高程及淹沒范圍

圖4 潰壩1 h后水面高程及淹沒范圍

由于受所收集的地形資料所限，此次只模擬了壩下游約17 km的范圍，從三個不同潰壩工況的計算結果來看，由于模擬河段為山區(qū)河流，兩岸山地高程較高，河岸較窄，潰壩引起的土地淹沒范圍有限，但淹沒水深較大，模型能較好地描述潰壩洪水的演進過程及相應的淹沒水深、淹沒時間和淹沒范圍。

2.3 基于VB程序開發(fā)了水庫洪水風險圖管理系統

系統研制采用多種語言混編而成，主要以Visual Basic語言為主。VB以其能迅速有效地編制優(yōu)良的交互界面設計性能，被越來越廣泛地應用于Windows環(huán)境下系統的可視化界面設計。

本系統具有下列功能：

（1）對數據庫進行密碼保護管理。

（2）對潰壩風險計算的各種方法進行調用、運算。

（3）對各種工況的潰壩模式進行模擬、潰決后的下泄流量和水位進行計算、比較分析。

（4）對大壩潰決洪水進行演進模擬，實時跟蹤。

系統內容豐富，結構復雜，主要包括系統管理、潰壩風險計算方法、壩體潰決過程模擬、潰決洪水演進模擬，以及附件程序。系統主界面如圖10示。

圖5 潰壩6 h后水面高程及淹沒范圍

圖6 潰壩10 h后水面高程及淹沒范圍

圖7 潰壩20 h后水面高程及淹沒風險圖

圖8 潰壩48 h后水面高程及淹沒范圍

圖9 潰壩72 h后水面高程及淹沒范圍

圖10 系統主界面窗口

點擊圖10“運行”菜單中的“潰決洪水模擬”子菜單，就會彈出潰決洪水推進模擬窗口。點擊“MIKE簡介”子菜單，就會彈出一個word文件。點擊“啟動MIKE軟件”子菜單，就會彈出MIKE軟件操作窗口。點擊“退出”按鈕，即可返回主界面。

3 結論

本文選取湖南省某土石壩為典型工程案例，基于GIS技術，綜合運用水文分析和平面二維水流數學模型等多種手段，進行不同工況下洪水演進過程模擬，得出了相應的下游淹沒范圍以及洪水風險圖，在此基礎上利用VB程序開發(fā)了水庫洪水風險圖管理系統，可為下游地區(qū)的防洪決策提供直接、詳盡的參考數據，為洪泛區(qū)災害損失、風險評估提供了直接依據。

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2016-10-22）

王祥（1983-），男，安徽無為人，碩士，工程師，主要從事工程安全監(jiān)（檢）測技術研究工作，手機：15211063225。