基于HEC-RAS的典型山丘區洪水淹沒分析

關鍵詞：洪水淹沒分析；HEC-RAS；二維模型；山丘區

中圖法分類號：TV122；TV131.2 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki. slsdkb.2025.08.002

文章編號：1006-0081（2025）08-0009-09

0引言

中國山丘區自然條件復雜，降水集中，區域內的中小流域洪水具有突發性強、破壞力大的特點，防洪任務艱巨，對公共安全和社會經濟的發展構成威脅[1-4]。省位于中國東南部內陸，全省常年雨量充沛，但降水時空分布不均，易發生山洪災害。提前做好該區域內的洪水淹沒模擬分析，監視洪水動態演進狀況，能夠為防汛調度決策、防洪減災規劃、洪水影響評價、應急搶險等提供參考。

隨著計算機技術的發展，多種數值模擬技術應用于洪水淹沒分析。王慧亮等[5將GIS技術與SWMM模型耦合，構建暴雨洪水淹沒分析模型，模擬5種設計暴雨重現期下的鄭州暴雨內澇淹沒情況。劉晗等[6選用MIKE11對研究區域所在的3個小流域建立一維河道洪水演進模型。盧岳等基于MIKE21建立水動力模型，分析擋水建筑物對河道上下游的洪水風險性影響。李彬8利用DELFT3DHM建立二維洪水演進模型，模擬滄海濕地公園在50a一遇洪水下的淹沒過程。賀娟等使用HEC-RAS進行一維潰壩洪水計算，模擬潰壩洪水演進，并對研究區域的洪水淹沒范圍及流速分布進行分析。段文輝等[1]利用HEC－RAS，建立河段二維水流模型，分析輸電線路的建設對流場和水位的影響。寧聰等[1]運用HEC－RAS建立二維水動力模型，設計不同閘門開度的工況，分析潰壩洪水在中下游平原丘陵地區的淹沒流速分布、水深和滯留時間。HEC-RA是一個集成的軟件系統，具有界面簡約、操作便捷的特點。該系統由圖形用戶界面、獨立分析組件、數據存儲和管理能力、圖形和報告設施等部分組成，包括穩態水流水面剖面計算、一維或二維非定常流動模擬、準非定常或完全非定常流動可動輸沙邊界泥沙輸移計算、水質分析4個組件，在洪水淹沒分析中得到較好的運用[12]

省長沙縣和汝城縣屬于典型山丘區，本文使用精度為 12.5m 的DEM數字高程圖，將其作為提取河道斷面的基礎數據，結合省行政邊界圖和歷年洪水資料，采用6.3.1版本的HEC-RAS軟件分別建立長沙縣、汝城縣的洪水淹沒分析模型，提取洪水淹沒范圍，生成洪水淹沒圖，并在所模擬的洪水事件中劃分風險等級，評估風險區域，結合GIS技術進行可視化處理，直觀表現不同洪水重現期下的淹沒情況，旨在為工程實踐和防洪措施的制定提供參考。

1 研究區域概況

1.1 長沙縣

省長沙縣位于長衡丘陵盆地的北部，地勢由北、東、南三面逐漸向中西部傾斜。境內地形多樣，水面占全縣總面積的 4.27% ，分布有河流、水庫、溪港和堰壩。縣內河流眾多，屬于長江流域洞庭湖水系。長沙縣河流面積超過 10km² 的河流有50條，總長度約609km 。長沙縣主要河流包括瀏陽河、撈刀河及其支流金井河、麻林河和白沙河等（圖1）。

圖1長沙縣水系

Fig.1Water system of Changsha County

根據《氣象水文長沙縣流域綜合治理》，得到各水文站設計洪水成果及河口設計洪水資料（表1）。由于本文研究對象為20a一遇和 50a 一遇洪水，參考洪水頻率為 5% 和 2% 的流量資料。

糙率是反映地面阻水狀況的綜合參數[13]，主要取決于地表的類型、植被覆蓋、水體的特征以及流速等，與土地利用類型有明顯相關關系。在選取糙率過程中，首先要識別地形特征，對模擬區域的地形、植被和土地利用等因素進行分析，并根據地形和土地利用類型（圖2），查找相關參考文獻的糙率標準值，河道部分糙率參考歷史資料取值范圍進行取值。

Tab.1Flood information of Changsha County

注： C_V 為變差系數，反映數據測量的準確性和精確度； c_s 為偏態系數，反映數據值偏離平均值的程度。

圖2長沙縣土地利用類型

Fig.2Land use type data of Changsha County

根據《氣象水文長沙縣流域綜合治理》，參考設計洪水水面線部分的糙率取值，河流的糙率范圍見表2。根據糙率取值范圍，瀏陽河取0.0315，撈刀河取0.0353，白沙河取0.0325，金井河取0.0365，金井河的支流麻林河取0.0353。

表1長沙縣洪水資料

表2糙率取值范圍Tab.2Roughness range

1.2 汝城縣

省汝城縣地貌以山地為主，四周環山，丘陵和盆地交錯分布。汝城縣地勢由西北向東南逐漸降低。境內山嶺陡峻，高差明顯，最大絕對高度差約為1566.6m ，氣候隨海拔和地域的不同而有顯著變化。根據《汝城縣超標洪水防御預案》，汝城縣暴雨形成的山洪發生頻率高。結合汝城縣地勢高差大的特點及山洪災害歷史資料，將汝城縣作為省典型山丘區域進行洪水淹沒分析。汝城縣是湘、粵、贛三省的分水嶺，水系呈樹枝狀向東西南3個方向輻射。全縣共有696條大小河流，總長度為 1766.2km 。

主要河流包括漚江、浙江、秀水和策水，這些河流匯入東江，屬于湘江水系；集龍河流入贛江；九龍江和城溪江匯入北江（圖3）。

圖3汝城縣水系

根據《省汝城縣城市防洪規劃報告》，參考汝城縣城關河及浙水洪水及洪峰流量資料（表3）。其中井坡鎮位于汝城縣內浙水上游，流量資料可為洪水建模時該部分水流數據輸人提供參考。與長沙縣流量資料進行對比可看出，汝城縣在各瀕率下的最大流量均小于長沙縣，在洪水重現期為20a時，最大流量為767.00m³/s ，在洪水重現期為50a時，最大流量為991.3m³/s 。

依據《省汝城縣城市防洪規劃報告》表5.2河道控制斷面現狀及清淤擴建后過水面積，參考各河道的糙率，得到城關河、九塘江、泉塘江、東溪江、津江、壽江、益道江清淤擴建后糙率均為0.02。針對其余河道，通過查詢《天然河道常見糙率表》（表4），結合河段地形、岸壁特性及土地利用類型（圖4），按照所給范圍進行糙率取值[14]

2 HEC-RAS模型原理

HEC-RAS二維水動力模型的控制方程為連續性方程和動量方程，具有2D流動區域預處理器，計算單元由粗黑線表示，單元計算中心由黑點表示，代表計算每個單元的水面高程的位置，根據建模過程中使用的底層地形，將單元和單元面處理成詳細的水力特性表。模型計算公式如下。

連續性方程：

表3汝城縣洪水資料Tab.3Flood information of Rucheng County

表4天然河道山區河流糙率取值范圍

Tab.4Roughness of natural riversand mountainousrivers

圖4汝城縣土地利用類型

Fig.4Land use types of Rucheng County

動量方程：

式中： q 為旁側入流； h 為水深； v_t 為湍流黏性系數 _;f 為科里奧利系數； c_f 為底部摩擦系數； g 為重力加速度；i和 j 代表兩個互相垂直單位向量的不同方向； u 為速度； Ψ_tΨ_t 為時間； x 為兩相鄰斷面距離。

2D流動區域預處理器基于每個單元內的詳細地形數據計算高程－體積關系，每個單元面都是一個橫截面，水流可以在不同的網格中流動（圖5）。水流經網絡時，可以不完全充滿網格，即網格的大小不會影響實際河道的寬度，在模型中仍然會按照實際河道的寬度來計算。因此，基于網格數據，對于給定的水面高度，單元格可以部分濕潤，并具有一定的水量。

圖52D流動區域網格 Fig.52Dmesh of flow areas

HEC-RAS的二維水動力模型可以模擬二維平面內各種作用力下的水位和流速變化。該模型基于淺水方程，假設水流不可壓縮，滿足質量守恒方程以及 x 和 y 方向上的動量守恒，通過迭代求解能量方程，求解各個斷面的水面線、流速、過流面積、水位和水深等水力參數，來描述水深和流速隨時間和空間的變化[15]

3模型構建

3.1 DEM數據預處理

DEM分辨率越高則山洪淹沒模擬的精度越高，但精度增幅變小、運行時間變長，綜合考慮數據可獲得性、模擬精度和運行效率， 10m 分辨率的DEM數據更有利于山洪淹沒模擬、危險性評估、風險評估和預警預報工作[16]。本文以 12.5m 分辨率的數字高程進行建模，使用ArcGIS進行數據篩選和裁剪處理，并將地理坐標系轉化為投影坐標系WGS1984UTMZONE49N，以便與其他數據進行疊合分析。為保證模擬結果盡可能準確可靠，在建模前對DEM進行了填挖處理，將處理完的DEM數據轉化為HEC-RAS可用的地形文件，選取文件路徑進行保存。

3.2 邊界條件

本文模擬重現期為20a和50a洪水 24h 內的淹沒情況，設置流量過程線為上游邊界條件。根據洪水資料，長沙縣、汝城縣主要河流的干流和支流上游設計洪水過程的流量時間序列如圖6～7所示，設置河床底坡為下游邊界，數值為0.001。

圖6長沙縣設計洪水過程 Fig.6Design flood process of Changsha County

3.3 模型設置

在HEC-RAS中新建項目，導人DEM數字高程文件及投影文件，創建地形。繪制河道幾何資料，勾畫建模范圍，根據河道寬度繪制上游及下游邊界，設置網格大小為 100×100 。根據流量時間序列，設置時間間隔為1h，分別輸入二維非恒定水流的上游和下游的河道數據，保存為不同的工程文件。在水力計算設置中，將模型模擬的起止時間間隔設置為 24h ，計算間隔設置為 1min ，綜合考慮地圖輸出間隔、水文圖輸出間隔和通用輸出間隔的協調一致性，均設置為 10min 。

3.4 模型驗證

收集整理長沙縣螺嶺橋水文站在2019 年6月1日00：00至2019年6月30日 共 ^718h 的逐小時實測水位、流量時間序列資料（圖8）作為金井河上游邊界條件，設置時間間隔為1h進行模擬，在RasMapper的水文站附近河道位置導出模型模擬水位時間序列結果同實測數據比較，可得平均誤差為0.18m。由圖9可以看出，模擬值同實測值水位趨勢基本一致，但數據偏小。可能原因是在模擬過程中未考慮到一些水工建筑物的影響，實際淹沒過程中水流受漂浮物、建筑物影響使得流速減小，出現水位壅高現象，導致模擬值偏小。此外，二維水動力模型未能考慮水流垂直方向變化對傳播速度的影響，實際流速比模擬值偏小，導致實際水位比模擬值偏高。

3.5 結果查看及提取

通過RasMapper查看模擬結果（圖10），直觀讀取不同工況下水流淹沒的水深和速度分布情況，以及設置時段內的淹沒過程。在結果中分別提取水深、流速、水位為最大的時段，輸出格式為TIFF。

4 淹沒分析

分別將長沙縣、汝城縣20，50a一遇洪水的最大淹沒水深、洪水淹沒范圍和洪水最大流速等洪水要素導人到Arcgis中進行分析。

圖8螺嶺橋站流量

圖9模型驗證結果

圖7汝城縣設計洪水過程 Fig.7Design flood process of Rucheng County

圖10建模結果 Fig.10Modelingresults

4.1 淹沒范圍

洪水淹沒范圍的模擬與評估對河流的洪水風險劃分十分重要[17]。圖11為長沙縣洪水淹沒范圍，長沙縣西南處地勢較低且平緩，水流匯聚并向四周漫延，排水速度較慢，受淹范圍大，水流自東北部向西南部匯集，各支流匯集處淹沒面積明顯增加，約 ^16h 時，淹沒面積達到最大，之后至 24h 時，洪水開始消退。撈刀河范圍內，高沙堤、水塘堤、三合堤、回龍皖、團結皖等地在50a一遇的洪水中均被淹沒。瀏陽河范圍內，敢勝皖在20a和50a一遇的洪水中均有受淹現象。

圖11長沙縣洪水淹沒范圍

圖12為汝城縣洪水淹沒范圍。汝城縣四周地勢較高，在汝城縣中部，浙水流經盧陽鎮時，因匯入九塘江、益道江、津江等多條支流，淹沒面積較大，淹沒范圍約在 ^12h 達到最大。同20a一遇洪水相比，50a一遇洪水下汝城縣內兩江口電站水庫及花木橋電站水庫出現淹沒現象。汝城縣水系較多，各個水系支流匯流處均較為集中，匯流方向也不盡相同，不同河流流量和流速存在差異，匯集時容易形成旋渦和匯流，使得淹沒范圍擴大、水深增加，在后期建設中，需注意各水系支流集中匯集處的防洪安全。

4.2 淹沒水深

水深為衡量洪水風險等級的重要指標之一，水深越大，洪水對地面建筑物的淹沒范圍和淹沒深度越大，造成的直接經濟損失和潛在人員傷亡風險也隨之增加。可根據淹沒水深來進行洪水風險等級的劃定，并制作洪水淹沒風險圖[18]。自淹沒水深0.5m 起劃分水深等級，水深等級越大，洪水風險越大。在低、中風險區，應加強監測、做好臨時防護措施。高風險區在洪水發生時建筑物受威脅大，對于高風險區內人口密度大、建筑設施多的區域，面對洪水時應組織撤離、協調救援，啟動緊急預案。相同洪水流量和流速條件下，地勢低平及坡度較緩區域容易形成較深的積水。地形梯度變化較大區域，水位上升較快，淹沒水深短距離內變化明顯，地勢陡峭區域洪水快速向下游流動，不容易在坡面上形成較大的水深。相同地形條件下，多條河流匯集時水量在匯集處疊加，總水量增多，淹沒水深增加。

圖12汝城縣洪水淹沒范圍

Fig.12Flood inundation area of Rucheng County

長沙縣洪水淹沒風險等級劃分如圖13所示。由于撈刀河與瀏陽河地勢相近，流量卻低于瀏陽河，長沙縣水深較高處主要集中在瀏陽河部分，越往下游及河流匯集處，水深越大，支流水深與干流水深相比較低，20a一遇和50a一遇洪水下，最大淹沒水深相差約為1.8m 。圖14為汝城縣淹沒風險區劃分。汝城縣不同重現期下最大淹沒水深相差約 1.2m ，同長沙縣相比，淹沒水深高于長沙縣，水深較大處集中在漚江部分，地形高差相差較大，地勢起伏也更為明顯，河流匯集形成的漩渦和回流將增加洪水對河岸的沖刷與侵蝕作用，具有滑坡隱患。在山丘區小流域和復雜地形區域，地形因素對降雨分布和徑流過程有重要影響[19]

圖13長沙縣淹沒風險區劃分

注：低、中、較高、高風險區對應淹沒水深分別為 0～0.5m，0.5AA 1.0m，1.0～2.0m，2.0～3.0m ，極高風險區對應淹沒水深為 3m 以上，全文同。

圖14汝城縣淹沒風險區劃分 Fig.14Inundation risk area division in Rucheng County

Fig.15Flood flow velocity distribution in Changsha County

4.3 流速分析

由于水流流速越大，攜帶能量越高，對沿岸的沖擊作用就越大，在居民區或重要基礎設施附近，尤其在洪水期間，過高的流速將增加人員傷亡和財產損失的風險。因此，圖中較大流速比較集中的地方需建設堤防等防洪設施。地形坡度及河流分布是影響河流的重要因素，在地勢陡峭區域，洪水匯集較快并向下游傾瀉，洪水流速增大，到下游地勢平坦處洪水向四周蔓延，流速與動能相應減小；同一流量下，河道變寬流速下降，河流匯集處由于能量聚集，流速相應較大。此外，植被覆蓋、建筑物等因素也會對流速大小產生一定影響。長沙縣、汝城縣流速變化趨勢同地勢變化較為一致。

圖15長沙縣洪水流速分布

圖16汝城縣洪水流速分布

Fig.16Flood flow velocity distribution in Rucheng County

長沙縣20，50a洪水重現期下的最大流速分別為15.62m/s 和 16.73m/s 。地勢較低及非河流匯集處流速較小，撈刀河和瀏陽河在長沙縣內下游處為洪水易發區。撈刀河下游團結坑區域流速較大，約為3.6m/s ，瀏陽河下游榨山港區域流速較大，約為 4.5m/s 。黃興鎮區域流速較小，需采取疏浚或其他工程措施來減少洪水風險。

汝城縣各水系流速分布較為均勻，20，50a洪水重現期下的最大流速分別為 14.03m/s 和 15.39m/s 。相對長沙縣而言，汝城縣洪水流速相對平緩。在防洪報告中顯示，城關河在縣城的出口河段河床比降小，縱坡平緩，具有水流行進流速慢的特點，若有較大洪水出現，此類河段地形不足以滿足防洪所需的行洪能力。汝城縣腹地的盧陽鎮、泉水鎮可能為洪水易發區，需要加強此處河道防洪建設，以及對這些河段的監測和管理，必要時采取工程措施提升其泄洪能力。

5結語

本文運用HEC-RAS模型對典型山丘區省長沙縣、汝城縣進行20，50a一遇洪水淹沒模擬，結果表明：HEC-RAS二維模型適用于模擬山丘區洪水淹沒，并能夠捕捉到洪水在這一地形條件下的傳播特性和時空分布特征。該軟件將模擬結果輸出為水位、流速等可視化圖層，洪水優先流向地勢較低的地方，運動的路徑符合水流運動的基本規律，構建的二維水動力模型對洪水淹沒過程和時空分布特征的模擬可靠、有效。模型結果展示了不同時間點的淹沒范圍、水位和水深，并按照淹沒水深劃分了洪水風險等級，但考慮相同水深對不同地形、不同類型建筑物、不同人口密度及不同社會經濟價值的地區產生的影響不同，洪水風險區域的等級劃分應綜合考慮各因素的影響。若后續結合居民區、耕地等經濟要素，分析其受災面積和受災時間，可實現對山丘區洪水的精細化模擬，及時做出人員撤離時間和撤離路線預案，定量分析超標洪水情況下的應急調度，為洪水淹沒的風險評價分析、防洪應急預案編制、制定避險轉移路徑和財產損失估算、減少洪澇災害損失等工作提供支撐。

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（編輯：江文）

Flood inundation analysis of typical hilly areas based on HEC - RAS

WANG Jingwen1 ，DENG Bin1，2.3，ZHOU Chong1，4 ， XIONG Kai1 （1.SchoolofHydrulicndOceanEngineringChangsha UniversityofScienceamp;TechologyChangsha404，China；.KeyLb ratoryof Water-SedimentSciencesand WaterDisasterPreventionofHunanProvince，Changsha41o114，China；3.KeyLaboratoryof DongtingLakeAquaticEcoEnironmentalControlandRestorationofHunanProvince，Changsha404，China；4.Hunanstte ofWaterResourcesand HydropowerResearch，Changsha 41ooo7，China）

Abstract：Thehillyregions，characterizedbycomplex terrain，sateedsettlements，ndfrequentflashfloods，present significantchalenges inimplementing flood preventionanddisaster mitigation measures.There isanurgent need toidentify suitable models for conducting floodrisk assssments to support flood prevention and emergencyresponse ffrts. Byextracting topographical data and historical flood records from Changsha Countyand Rucheng County in Hunan Province，topographical datawas processedbyusing GIS technology，andatwo-dimensionalflood inundationanalysismodel was established using HEC-RAS software.The model simulated inundation changes forflood recurrence periods of 20 a and 5Oa within the studyareaandanalyzed the maximum inundation extent，inundation waterdepth，andflow velocity. Theresults indicated thatthetrends in flow velocitychanges in Changsha Countyand Rucheng County were consistent with topographical changes. The maximum flood water depths differed by 1.8m and 1.2m ，respectively，and the maximum flood flow velocities differed by 1.11 m/s and 1.36ms ，respectively. Based on flood water depth classifications ， theanalysis identifiedtheseverelyflood-prone areas primarilydistributed inthe Laodao River，Liuyang River andother basins inthe southern of Changsha County，as well as Zhejiang River basin inthecentral part andOujiang River basin in the northeastern of Rucheng County.The HEC-RAStwo-dimensional model is suitable forsimulating flood inundation in hillyareasandcan capture the propagation characteristicsand spatio-temporal distribution featuresoffloodsunder such terrain conditions.

Key words： flood inundation analysis；HEC -RAS; two -dimensional model; hilly area