基于HEC-RAS的山洪危险性评价

黄 河

(翁源县龙仙镇人民政府,广东 韶关 512600)

1 概述

山区河流具有河床起伏较大、呈现陡峭且狭窄、河床比降变化高、地形复杂、水流速度快、水流冲击大的特点[1]。流域内突发暴雨时,河道中的水量集中、流速大,引起突发性山洪灾害。洪水来势迅猛,容易对堤防、道路、村庄、农田等造成重大自然灾害。本文基于水动力模型HEC-RAS进行危险性分析,为减少灾害可能造成的危害提供支持。

2 研究方法

2.1 研究区域

鹿坝沟位于甘肃省陇南市武都区角弓镇,属于白龙江流域,是白龙江一级支沟,嘉陵江的二级支沟。沟长3.85 km,流域面积为6.23 km2,沟道平均坡降为171.43‰。流域气候属亚热带半湿润气候,多年平均气温14.5 ℃,1月平均气温2.3 ℃,7月平均气温32.5 ℃,无霜期年平均265 d。平均年降水量474.6 mm,年平均降水日数为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)是由美国工程兵团水利工程中心(US Army Corps of Engineers Hydraulic Engineering Center)开发的水动力计算模型[2]。由于其操作界面简洁、适用性广,因此在国内外得到广泛应用。HEC-RAS二维水动力模型的原理是对Navier-Stokes方程的简化为二维浅水方程[3]。计算如下:

连续方程:

(1)

动量方程:

(2)

(3)

其中,H为水面高程,m;h为水深,m;R为水力半径,m;q为侧边入流流量,m2/s;g为重力加速度,m2/s;vt为水平方向运动黏度,m2/s;cf为河床底部糙率;f为克里奥利系数;k为垂直方向单位矢量;n为糙率。

2.3 模型参数

2.3.1 地形数据

地形数据由数字高程模型DEM导出[4]。运用地理信息系统软件Arcgis将流域、将DEM转成模型可以读取的地形数据。首先使用裁剪工具裁剪出流域dem,其次使用转换工具将流域DEM转换成.asc文件格式,最后将.asc文件导入HEC-RAS中,在软件中进行网格插值得到如图1所示模型中地形高程图。

2.3.2 流量数据

洪峰流量QB由铁道部第一勘察设计院总结提出的一种适用于西北干旱、半干旱地区的一种设计洪水计算的方法[5]。由于鹿坝沟内均未设置水文站,该区域属无资料地区,本次研究采用“铁一院两所法”计算流域暴雨洪峰流量。表达式如下:

(4)

其中,QB为设计频率的暴雨洪峰流量。

k1为产流因子,公式如下:

k1=0.278ηSPF

(5)

其中,η为暴雨点面折减系数;Sp为设计暴雨参数,mm/h;F为汇水面积,km2。

k2为损失因子,公式如下:

k2=R(ηSp)r1-1

(6)

其中,R为损失系数;r1为损失系数。

k3为造峰因子,公式如下:

(7)

x为河槽与山坡综合汇流因子,x值的大小由山坡汇流因子K1和K2而定,公式如下:

x=K1+K2

(8)

(9)

其中,L1为主河槽长度,由显著河槽起点到出口断面的距离,km;A1为主河槽流速系数,根据断面扩散系数a0和系数m1;A2为坡面流速系数;J1为主河槽平均坡度;J2为流域坡面平均坡面,‰,可取若干代表性的坡面,取其算术平均值;L2为流域坡面平均长L2=F/1.8(L1+∑li),其中∑li为河流中支叉沟的总长。

y反映流域汇流特征的指数,公式如下:

(10)

经过上述计算公式得到不同降雨频率下的暴雨流量如表1所示。

表1 鹿坝沟不同降雨工况洪峰流量

3 模拟结果分析

通过模型对鹿坝沟的模拟计算,得到在不同降雨工况下的水深和流速分布图,如图2,图3所示。

通过分析不同降雨工况下水深和流速分布图,统计出不同降雨条件下的淹没面积、平均水深、最大水深、平均流速和最大流速,数据统计表如表2所示。

表2 鹿坝沟模拟结果统计表

基于对模拟结果统计表淹没面积的分析,重现期为5年一遇的降雨工况下,淹没范围主要集中于沟道内,主要对沟道产生侵蚀作用,并对沟道内的农作物存在一定的威胁作用,在此重现期下对村庄房屋以及生命财产影响较小;重现期为20年一遇的降雨工况下,淹没范围主要集中于沟道内,但有一部分冲出沟道,对村庄房屋以及生命财产具有一定的危害,在此重现期下,应采取一定的防御措施,减少当地居民受灾害威胁的影响;重现期为50年一遇的降雨工况下,淹没范围主要集中于沟道内,并有一部分冲出沟道,对村庄房屋以及生命财产具有较强的危害,在此重现期下应提前做好撤离工作,保障当地居民生命财产安全,减少山洪的危害。

结合鹿坝沟模拟统计表以及上述分析过程,鹿坝沟平均水深、最大水深、平均流速、最大流速和淹没面积均随着重现期的增大而增大。

4 危险性分析

山洪危险性是指在山洪暴发过程中易受到其破坏或损害的区域。随着数值计算的发展,山洪危险性评价并结合数值模拟分析进行危险性的划分,可以更加明确的识别山洪的危险区域程度[6]。其危险等级表见表3。

表3 山洪危险等级表

基于山洪危险性划分等级表,将模拟结果划分为高、中、低三个危险区域,并运用Arcgis将高、中、低三个危险区域分别赋值3、赋值2、赋值1并进行危险性分析,得到不同降雨工况下危险性分布图,见图4。

基于Arcgis叠加分析模拟,重现期为5年一遇时鹿坝沟总危险面积为76 642 m2。高危险性面积为50 916 m2,占比为66.43%,中危险性面积为11 946 m2,占比为15.59%,低危险性面积为13 780 m2,占比为17.98%;重现期为20年一遇时鹿坝沟总危险面积为102 723 m2。高危险性面积为58 553 m2,占比为57.00%,中危险性面积为16 367 m2,占比为15.93%,低危险性面积为27 803 m2,占比为27.07%;重现期为50年一遇时鹿坝沟总危险面积为145 543 m2。高危险性面积为66 971 m2,占比为46.01%,中危险性面积为24 066 m2,占比为16.54%,低危险性面积为54 506 m2,占比为37.45%。通过分析不同降雨工况下鹿坝沟危险性分布图,随着重现期的增加对应的总危险性面积增加,因此在重现期较高的情况下,应及时做好预警,预防当地居民的财产损失。

5 结论

本文以鹿坝沟为例,利用HEC-RAS模型软件对重现期为5年一遇、20年一遇和50年一遇降雨工况下模拟并对鹿坝沟的流速、水深分布进行统计分析。基于模拟流速和水深的结果,结合Arcgis的计算工具进行鹿坝沟危险性叠加分析,主要结论如下:

1)通过对该沟模拟结果分析,随着重现期的增加,流速、水深和堆积面积会增加。重现期为5年一遇时,最大流速为8.87 m/s,平均流速为2.96 m/s,最大水深为5.45 m,平均水深为0.78 m,淹没面积为76 642 m2;重现期为20年一遇时,最大流速为9.36 m/s,平均流速为2.72 m/s,最大水深为5.59 m,平均水深为0.71 m,淹没面积为102 723 m2;重现期为50年一遇时,最大流速为10.29 m/s,平均流速为2.42 m/s,最大水深为5.82 m,平均水深为0.66 m,淹没面积为145 543 m2。

2)通过分析不同降雨工况下鹿坝沟危险性分布图,重现期为5年一遇时总危险面积为76 642 m2,重现期为20年一遇时总危险面积为102 723 m2,重现期为50年一遇时总危险面积为145 543 m2,随着重现期的增加对应的总危险性面积增加,因此在重现期较高的情况下,应及时做好预警,预防当地居民的财产损失。