基于HEC-RAS的山洪危險性評價

黃 河

(翁源縣龍仙鎮人民政府,廣東 韶關 512600)

1 概述

山區河流具有河床起伏較大、呈現陡峭且狹窄、河床比降變化高、地形復雜、水流速度快、水流沖擊大的特點[1]。流域內突發暴雨時,河道中的水量集中、流速大,引起突發性山洪災害。洪水來勢迅猛,容易對堤防、道路、村莊、農田等造成重大自然災害。本文基于水動力模型HEC-RAS進行危險性分析,為減少災害可能造成的危害提供支持。

2 研究方法

2.1 研究區域

鹿壩溝位于甘肅省隴南市武都區角弓鎮,屬于白龍江流域,是白龍江一級支溝,嘉陵江的二級支溝。溝長3.85 km,流域面積為6.23 km2,溝道平均坡降為171.43‰。流域氣候屬亞熱帶半濕潤氣候,多年平均氣溫14.5 ℃,1月平均氣溫2.3 ℃,7月平均氣溫32.5 ℃,無霜期年平均265 d。平均年降水量474.6 mm,年平均降水日數為90 d,降雨量集中在每年5月—9月,8月份最多。

2.2 模型原理

HEC-RAS(Hydraulic Engineering Center’s River Analysis System, USACE)是由美國工程兵團水利工程中心(US Army Corps of Engineers Hydraulic Engineering Center)開發的水動力計算模型[2]。由于其操作界面簡潔、適用性廣,因此在國內外得到廣泛應用。HEC-RAS二維水動力模型的原理是對Navier-Stokes方程的簡化為二維淺水方程[3]。計算如下:

連續方程:

(1)

動量方程:

(2)

(3)

其中,H為水面高程,m;h為水深,m;R為水力半徑,m;q為側邊入流流量,m2/s;g為重力加速度,m2/s;vt為水平方向運動黏度,m2/s;cf為河床底部糙率;f為克里奧利系數;k為垂直方向單位矢量;n為糙率。

2.3 模型參數

2.3.1 地形數據

地形數據由數字高程模型DEM導出[4]。運用地理信息系統軟件Arcgis將流域、將DEM轉成模型可以讀取的地形數據。首先使用裁剪工具裁剪出流域dem,其次使用轉換工具將流域DEM轉換成.asc文件格式,最后將.asc文件導入HEC-RAS中,在軟件中進行網格插值得到如圖1所示模型中地形高程圖。

2.3.2 流量數據

洪峰流量QB由鐵道部第一勘察設計院總結提出的一種適用于西北干旱、半干旱地區的一種設計洪水計算的方法[5]。由于鹿壩溝內均未設置水文站,該區域屬無資料地區,本次研究采用“鐵一院兩所法”計算流域暴雨洪峰流量。表達式如下:

(4)

其中,QB為設計頻率的暴雨洪峰流量。

k1為產流因子,公式如下:

k1=0.278ηSPF

(5)

其中,η為暴雨點面折減系數;Sp為設計暴雨參數,mm/h;F為匯水面積,km2。

k2為損失因子,公式如下:

k2=R(ηSp)r1-1

(6)

其中,R為損失系數;r1為損失系數。

k3為造峰因子,公式如下:

(7)

x為河槽與山坡綜合匯流因子,x值的大小由山坡匯流因子K1和K2而定,公式如下:

x=K1+K2

(8)

(9)

其中,L1為主河槽長度,由顯著河槽起點到出口斷面的距離,km;A1為主河槽流速系數,根據斷面擴散系數a0和系數m1;A2為坡面流速系數;J1為主河槽平均坡度;J2為流域坡面平均坡面,‰,可取若干代表性的坡面,取其算術平均值;L2為流域坡面平均長L2=F/1.8(L1+∑li),其中∑li為河流中支叉溝的總長。

y反映流域匯流特征的指數,公式如下:

(10)

經過上述計算公式得到不同降雨頻率下的暴雨流量如表1所示。

表1 鹿壩溝不同降雨工況洪峰流量

3 模擬結果分析

通過模型對鹿壩溝的模擬計算,得到在不同降雨工況下的水深和流速分布圖,如圖2,圖3所示。

通過分析不同降雨工況下水深和流速分布圖,統計出不同降雨條件下的淹沒面積、平均水深、最大水深、平均流速和最大流速,數據統計表如表2所示。

表2 鹿壩溝模擬結果統計表

基于對模擬結果統計表淹沒面積的分析,重現期為5年一遇的降雨工況下,淹沒范圍主要集中于溝道內,主要對溝道產生侵蝕作用,并對溝道內的農作物存在一定的威脅作用,在此重現期下對村莊房屋以及生命財產影響較小;重現期為20年一遇的降雨工況下,淹沒范圍主要集中于溝道內,但有一部分沖出溝道,對村莊房屋以及生命財產具有一定的危害,在此重現期下,應采取一定的防御措施,減少當地居民受災害威脅的影響;重現期為50年一遇的降雨工況下,淹沒范圍主要集中于溝道內,并有一部分沖出溝道,對村莊房屋以及生命財產具有較強的危害,在此重現期下應提前做好撤離工作,保障當地居民生命財產安全,減少山洪的危害。

結合鹿壩溝模擬統計表以及上述分析過程,鹿壩溝平均水深、最大水深、平均流速、最大流速和淹沒面積均隨著重現期的增大而增大。

4 危險性分析

山洪危險性是指在山洪暴發過程中易受到其破壞或損害的區域。隨著數值計算的發展,山洪危險性評價并結合數值模擬分析進行危險性的劃分,可以更加明確的識別山洪的危險區域程度[6]。其危險等級表見表3。

表3 山洪危險等級表

基于山洪危險性劃分等級表,將模擬結果劃分為高、中、低三個危險區域,并運用Arcgis將高、中、低三個危險區域分別賦值3、賦值2、賦值1并進行危險性分析,得到不同降雨工況下危險性分布圖,見圖4。

基于Arcgis疊加分析模擬,重現期為5年一遇時鹿壩溝總危險面積為76 642 m2。高危險性面積為50 916 m2,占比為66.43%,中危險性面積為11 946 m2,占比為15.59%,低危險性面積為13 780 m2,占比為17.98%;重現期為20年一遇時鹿壩溝總危險面積為102 723 m2。高危險性面積為58 553 m2,占比為57.00%,中危險性面積為16 367 m2,占比為15.93%,低危險性面積為27 803 m2,占比為27.07%;重現期為50年一遇時鹿壩溝總危險面積為145 543 m2。高危險性面積為66 971 m2,占比為46.01%,中危險性面積為24 066 m2,占比為16.54%,低危險性面積為54 506 m2,占比為37.45%。通過分析不同降雨工況下鹿壩溝危險性分布圖,隨著重現期的增加對應的總危險性面積增加,因此在重現期較高的情況下,應及時做好預警,預防當地居民的財產損失。

5 結論

本文以鹿壩溝為例,利用HEC-RAS模型軟件對重現期為5年一遇、20年一遇和50年一遇降雨工況下模擬并對鹿壩溝的流速、水深分布進行統計分析。基于模擬流速和水深的結果,結合Arcgis的計算工具進行鹿壩溝危險性疊加分析,主要結論如下:

1)通過對該溝模擬結果分析,隨著重現期的增加,流速、水深和堆積面積會增加。重現期為5年一遇時,最大流速為8.87 m/s,平均流速為2.96 m/s,最大水深為5.45 m,平均水深為0.78 m,淹沒面積為76 642 m2;重現期為20年一遇時,最大流速為9.36 m/s,平均流速為2.72 m/s,最大水深為5.59 m,平均水深為0.71 m,淹沒面積為102 723 m2;重現期為50年一遇時,最大流速為10.29 m/s,平均流速為2.42 m/s,最大水深為5.82 m,平均水深為0.66 m,淹沒面積為145 543 m2。

2)通過分析不同降雨工況下鹿壩溝危險性分布圖,重現期為5年一遇時總危險面積為76 642 m2,重現期為20年一遇時總危險面積為102 723 m2,重現期為50年一遇時總危險面積為145 543 m2,隨著重現期的增加對應的總危險性面積增加,因此在重現期較高的情況下,應及時做好預警,預防當地居民的財產損失。