基于HEC-RAS模型的青海省玉树县巴塘河流域洪水模拟分析

王 辉，张 佳，张 骏

(1.宁夏国土资源调查监测院， 宁夏 银川 750001； 2.长安大学 地质工程与测绘学院， 陕西 西安 710054)

洪水是最常见的水文极端事件之一，洪水峰高量大，具有季节性特征和年际变化不稳定的特点。近年来，随着全球平均气温上升，洪水等水文极端事件发生的可能性也在上升[1]。除了建设必要的工程措施降低洪水灾害外，洪水控制预测等非工程措施也是不可或缺的。由于山区地形起伏大，流速快，水位涨落快且历时短，更容易发生山地洪涝灾害。山地洪涝灾害主要指山地丘陵地区由于降雨、融雪等引起的洪水、泥石流和滑坡，其特点是具有突发性，集中性和强大的破坏力[2]。因此，对于山区进行洪水模拟具有重要意义。洪水的致害等级具有空间变异性[3]，所以洪水灾害的防治问题也是一个空间问题[4-5]。最传统和最常用的河道及洪水淹没模型为基于圣维南方程的数值求解模型，如MIKE11，FLUCOMP，ONDA和ISIS等。这些模型可以成功地运用于传统监测方法的求参。但是，这些模型较适用于近似一维的匀速正常水流，对于地形起伏大的山区具有一定的局限性[6]。目前，经过改进的HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center River Analysis System)模型已可实现二维流和非稳定流模拟，并成功地运用于美国[7-8]、巴基斯坦[9]、中国[10-12]等国家的洪水淹没模拟，但在青藏高原等高海拔寒冷地区应用较少。

本文利用HEC-RAS模型耦合嵌套于ArcGIS平台的HEC-GeoRAS(Hydrologic Engineering Center Geographic River Analysis System)模块，对青海省玉树县巴塘河流域进行洪水模拟分析，以对该区防洪预报和工程选址提供参考和借鉴。

1 研究区域概况

玉树县位于青海省南部，是三江源重要的生态环境保护区，地理位置为东经95°41′～97°44′，北纬32°02′～33°44′之间，境内平均海拔4 493.4 m，全县总面积15 442.08 km2。该县冬季风大、干燥、气温低；夏季气候半湿润，雨天多，降水少，蒸发量大，气压低，紫外线强，年均气温2.9℃，年降水量487 mm，且以暴雨居多。

玉树县地形复杂，地形起伏大，新构造活动强烈，岩体破碎，是地质灾害较发育区域[13]。玉树“4.14”地震造成大面积山体松动和河道堵塞，导致该区发生洪水时危害性等级更大。本次研究的区域为巴塘河流域，属于长江水系。巴塘河上游在玉树县结古镇以南，被称为格曲。格曲在玉树县结古镇纳左岸支流扎巴曲后，因流经巴塘盆地始称巴塘河。研究区流域面积为2 298 km2，流域内水系有格曲、扎巴曲和巴塘河。研究区内格曲长15.75 km，扎巴曲长17.54，巴塘河长25.54 km。巴塘河新寨水文站距玉树县结古镇东约3.5 km处。该流域径流补给以大气降水、地下水为主，年径流量为8.46×108m3，径流模数为12.2l m3/km2·s，多年平均输沙量7.87×104t，年径流深为385.6 mm，年平均流量26.8 m3/s。

研究区的地理位置如图1所示。

图1研究区地理位置图

2 研究原理与方法

2.1 研究原理

HEC-RAS是基于水文学及水力学原理的水面线计算软件，可进行河道稳定和非稳定流一维水力计算。研究区稳定流模型计算原理如式(1)，非稳定流模型计算原理如式(2)。

(1)

式中：Z1、Z2为河底高程，m；Y1、Y2为断面水深，m；α1、α2为动能修正系数；he为水头损失，m；L为断面平均距离，m；Sf为两断面间沿程水头损失坡度；C为水头损失或扩张系数。

(2)

式中：ρw为水的密度，kg/m3；vi为断面流速，m/s；xi、xj为距离，m；ρ为压力，N；fi为质量力，m/s2；v为流体运动的黏滞系数。

2.2 研究方法

HEC-RAS由美国陆军总队水文工程中心开发，可以模拟水面线恒流和非恒流，水质分析及泥沙输移计算[16-17]。本文选用最新版HEC-RAS5.0。HEC-GeoRAS由美国陆军总队水文工程中心和美国环境研究所(ESRI)共同开发，HEC-GeoRAS可以考虑水力学，沉积物输送，河道粗糙度和相关边界条件的影响，并在ArcGIS平台下结合遥感影像提取HEC-RAS模型所需的空间几何数据。模拟的主要操作流程如下：

(1) 将地形高程数据导入GIS中，用HEC-GeoRAS做前期预处理，创建河道中心线、河岸线、水流路径线及河流横断面图层，为创建的图层提取河流名称，河流长度，高程和粗糙度数据。

(2) 将从GIS中导出的预处理后的模型数据导入HEC-RAS软件，以实现河网的几何属性编辑。这些属性主要包括：河网形状、河流走向、河道断面、研究区曼宁系数。根据需要，还可以添加水工建筑物，例如堤防、水坝、桥梁、堰、孔口等。

(3) 根据河道监测断面历史序列流量数据，调整模型边界条件、下垫面条件和初始条件，刻画研究区产流模型。

(4) 带入监测断面序列历史洪水资料，进行非稳定流模拟，得出研究区河道在特定时间段和时间步长条件下的流量模拟，并与实际监测流量进行对比。

该模拟实现的技术路线如图2所示。

图2河道分析模拟流程图[14-15]

2.3 数据准备

研究区TIN(Triangulated Irregular Network)的尺度为30 m网格，由国家科学数据服务平台提供的DEM(Digital Elevation Model)转化而来。TIN可为HEC-GeoRAS软件提供高程、坡度及坡长信息。根据国家土地利用图，确定研究区的土地利用类型。敞水区及河漫滩的曼宁值设为0.035，洪积平原的曼宁值设为0.040，居民区的曼宁值设为0.120[17]。根据新寨水文站1959年至2011年的水文观测资料，1981年的年最大流量最大。所以，本文选取1981年作为稳定流计算年。非稳定流流量数据来自青海省玉树县新寨水文站1981年至1982年逐月水文资料。

2.4 模型概化

2.4.1 下垫面概化

通过对研究区域的分析，确定需要概化的图层。首先，在ArcGIS中导入DEM、遥感数据，确定其投影坐标系。矢量数据可以直接处理并导入HEC-GeoRAS数据库。若无矢量数据，可根据DEM和遥感信息绘制相应的图层。在概化图层后，计算和输入各图层属性数据。图层属性有两种，其中一种需要手动提供，另一种可以根据模型概化结果自动提取。对于河流中心线，需要手动给出河流名称和河段名称等属性。水流中心线的拓扑关系，起点距离，高程等属性可以从模型中自动提取。模型概化结果如图3所示。

图3研究区模型概化图

本次研究的主河道为巴塘河，扎巴曲为巴塘河的支流。扎巴曲汇入巴塘河后，最终向东流入通天河。新寨水文站处的河道横断面测站为21 480.34。

2.4.2 边界与初始条件设置

HEC-RAS根据模型几何图形自动判断需要设置边界条件的节点。如果节点为上边界，则其边界条件设置为流量边界条件、水位边界条件、水位流量关系边界条件；而如果节点为下边界，则其边界条件除了上边界条件的3种外还有正常水深等。同边界条件相同，HEC-RAS会根据几何资料自动判断需要设置初始条件的断面。除了模型自动判断的需要设置初始条件和边界条件的断面外，还可以人工给定别的需要设置初始条件和边界条件的断面。初始条件一般给定断面的初始流量，模型会在开始模拟之前自动进行恒定流模拟并自动计算出相应的初始水位。

稳定流模拟的河道边界条件为1981年最大流量和平均流量，初始条件为河道比降。非稳定流模拟的河道边界条件为1981年至1982年逐月流量，初始条件为河道基流。根据稳定流模拟所得水深和流速情况调整模型几何数据并进行保存。建立非稳定流模型时，运用稳定流模拟中调整过的几何数据再现河道情况。模型所用边界条件和初始条件见表1。

表1 数据表

2.5 模拟结果验证

本研究用确定性系数R2和Nash-Sutcliffe模型效率系数Ens评价模型的模拟精度[17]。确定性系数R2用于实测值与模拟值之间的吻合程度评价，Nash-Sutcliffe模型效率系数Ens用于评价模型模拟值的可信度。确定性系数=1表示非常吻合，确定性系数越接近于1，说明模拟值与实测值的吻合程度越高[13,16]。当Ens=1时，实测值等于模拟值，Ens越接近于1，说明模拟值可信度越高[15,18]。

确定性系数R2的计算公式为：

(3)

效率系数Ens的计算公式为：

(4)

式中：Qo为实测值，m/s；Qp为模拟值，m/s；Qavg为实测平均值，m/s；n为观测值个数。

3 结果与分析

1981年年平均流量和年最大流量分别作为边界条件时，巴塘河河道21 480.34横断面水深如图4所示，巴塘河河道纵剖面总流速与流速水头如图5所示。

由图4可知，1981年年平均流量和年最大流量分别作为边界条件时，巴塘河河道21 480.34横断面淹没水深分别为20 m和23 m，淹没水深增幅为3 m。这两种流量条件下，均未出现河道溢流情况。

图4 年最大流量和年平均流量下河道横断面淹没图(1981年)

图5年最大流量和年平均流量下河道纵剖面总流速与流速水头变化图(1981年)

由图5可知，1981年年平均流量和年最大流量分别作为边界条件时，巴塘河河道纵剖面总流速与流速水头峰值出现位置基本一致。总流速的变化范围为在河道纵剖面最末端，河道总流速和流速水头均增幅较大。年最大流量下，河道纵剖面最末端最大总流速可达14 m/s，其他位置为0～5 m/s；年最大流量下，河道纵剖面最末端流速水头达到11 m，其他位置为0～1.5 m。年平均流量下，河道纵剖面最末端最大总流速可达9 m/s，其他位置为0～4 m/s；年平均流量下，河道纵剖面最末端流速水头达到4 m，其他位置为0～1 m。巴塘河河道纵剖面总流速和流速水头出现剧烈增长，主要与该河道末尾为巴塘河汇入通天河的交口，地势整体开阔低洼有关。

通过对巴塘河代入流经水文站(新寨水文站)1981年至1982年的逐月流量数据，导入调整过的研究区几何数据，建立研究区HEC-RAS非稳定流模型，并将模拟的时间步长设置为天。距离新寨水文站最近的21 480.34断面模拟的1981年至1982年逐日流量数据如图6所示。由图6可知，模拟的研究区1981年至1982年的流量数据峰值均出现在7月，与实际情况一致。模拟流量与新寨水文站1981年至1982年的监测流量对比如图6所示。由图6可知，本次模拟结果与实测值整体变化趋势一致，具有较高的吻合度。根据公式(3)和公式(4)，本次21 480.34断面处模拟的逐日流量与新寨水文站监测的实际流量的确定性系数为0.86，模型效率系数Ens为0.82。所以，HEC-RAS在本次研究区的应用具有较高的适用性。

图6 21480.34断面实测径流与模拟径流对比图

4 结 论

耦合HEC-RAS模型和基于ArcGIS的HEC-GeoRAS模块，对青海省玉树县巴塘河流域建立HEC-RAS模型，进行该区历史洪水模拟，得到的主要结论如下：

(1) 1981年年平均流量和年最大流量分别作为边界条件时，巴塘河河道21 480.34横断面淹没水深分别为20 m和23 m，淹没水深增幅为3 m。这两种流量条件下，均未出现河道溢流情况。

(2) 1981年年平均流量和年最大流量分别作为边界条件时，巴塘河河道纵剖面总流速与流速水头峰值出现位置基本一致。年最大流量下，河道纵剖面最末端最大总流速可达14 m/s，其他位置为0～5 m/s；年最大流量下，河道纵剖面最末端流速水头达到11 m，其他位置为0～1.5 m。年平均流量下，河道纵剖面最末端最大总流速可达9 m/s，其他位置为0～4 m/s；年平均流量下，河道纵剖面最末端流速水头达到4 m，其他位置为0～1 m。

(3) 巴塘河流域1981年至1982年新寨水文站附近的模拟流量与该水文站实测数据变化趋势整体一致，模拟期内流量数据峰值均出现在7月；本次模拟结果具较高的可信度，模拟值与实测值的确定性系数和模型效率系数均大于0.8。

建立合理的HEC-RAS模型，可再现河道洪水行洪和溢流情况，对于缺测数据地区的工程选址和防洪规划具有指导意义。