第47卷第4期
2021年4月
水力發電
QGIS和HEC-RAS在二維潰壩洪水
模擬中的聯合應用研究
徐云乾1'2'3，袁明道1'2'3，史永勝1'2'3，張旭輝1'2'3，潘展釗1'2'3，馬妍博1'2'3
(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東廣州510635；
2.廣東省大壩安全技術管理中心，廣東廣州510635；
3.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東廣州510635)
摘要：為了準確模擬大壩潰決后的洪水演進過程及淹沒范圍分析，以數字高程地圖為基礎，建立了HEC-GeeRAS
模型；結合水庫的漫頂潰決工況，模擬陽江市大河水庫主壩和副壩潰決后洪水沿下游河道的演進過程，并聯合QGIS
生成洪水風險圖、最大水流流速，最大水面高度等成果#研究成果對山區河流下游的人員疏散轉移避險決策具有重
要的參考意義#
關鍵詞：QGIS；HEC-RAS；二維模型；潰壩洪水；模擬
Application of QGIS and HEC-RAS in Two-dimensional Dam Brrak Flood Simulation XU Yunqian1,2,3,YUAN MingdaoV SHI Yongsheng\^-^3,ZHANG Xuhui1,2,3,PAN Zhandao\^-^3,MA Yanbo1,2,3
(1.Guangdong Rearch Institute oS Water Resources and Hydropower,Guangzhou510635,Guangdong,China;
2.Guangdong Rearch Center oS Mountain Torrent Disaster Control Engineering Technolovy,Guangzhou510635,Guangdong,
China; 3.Guangdong Hydrodynamics Application Rearch Key Laboratory,Guangzhou510635,Guangdong,China) Abstracc:In order to accurately simulate the evelution process and inundation range oS dam break flood,the HEC-GeeRAS model is established bad on the digital elevation map,and combined with the overtopping condition oS rerveis,the flood evelution process along the downstream channel after the main dam and auxiliarv dam break oS Dahe Rerveis in Yangjiang City
is simulated.The flood risk map,maximum flow velocity and maximum water surface height are generated by combining with QGIS.The rearch results have important reference significance for the decision-making oS people evacuation in the lower eeachesoomountain eieees.
Key W o2s:QGIS;HEC-RAS;twoFimensional model;dam break flood;simulation
中圖分類號：TV133.2文獻標識碼：A文章編號：0559-9342%2021)04-0108-04
水庫大壩的防洪、發電、灌溉等功能為社會經濟的發展提供了重要的基礎保障。水庫大壩失事將對下游洪泛區的人民生命財產安全及經濟社會穩定造成不可估量的影響。為了對水庫大壩潰壩風險進行有效的防范，需要對潰壩洪水演進進行模擬，確定洪水淹沒范圍、淹沒水深、洪水流速、前鋒到達時間等洪水風險要素，并進行避洪轉移分析，最大限度的減輕洪水風險影響。
目前主流通用的洪水數值模擬軟件主要有：DHI%丹麥水力研究所)的MIKE11/21，西班牙Neat Limil的RealFlow、荷蘭的Delft3D、美國陸軍工程兵團開發的HEC-RAS%Hydrologic Engineering Centar-Riwr Analysir System)以及我國陳祖煜院士團隊在2015年基于Excel平臺利用VB語言編寫了壩體潰口擴展程序DB--WHR#常配合使用的GIS軟件%Geographic Information System)主要有ArcGIS、QGIS 等，兩者聯合用以預測洪水演進風險和制定撤離路線。孫銳嬌(1)、陳建峰田景環賀娟(4)、周
收稿日期：2020-09-01
基金項目：水利部水利技術示范項目％SF-201910)
作者簡介：徐云乾％1986-)，男，江西豐城人，高級工程師，碩士，主要從事水利工程安全評價、水工結構檢測、水利先進適用技術的應用研究工作.
Waer%Powr%Vo.447No44
第47卷第4期徐云乾，等:QGIS和HEC-RAS在二維潰壩洪水模擬中的聯合應用研究
毅［5:"吳博:6：等利用HEC-RAS軟件模擬了大壩潰決后洪水在下游的洪水演進過程，并結合了ArcGIS或HEC-RAS自帶的地理信息模塊分析研究下游區域的淹沒范圍#本文運用HEC-RAS的二維模型聯合QGIS地理信息平臺模擬漫頂潰壩后洪水演進，工程適用性較好，其結果對洪水災害防御工作具
有重要意義。
QGIS%原稱Quantum GIS)是跨平臺的開源版桌面地理信息系統,QGIS提供與其他開源GIS軟件包的集成，包括PostGIS、GRASS和M/Seevr，同時能集成當前流行的Python插件擴展，其提供的豐富人口、經濟、行政區劃、交通設施的基礎地理信息系統，極大的方便了洪水風險圖的編制。
1洪水分析方法
HEC-RAS的二維水動力學模型，模型精度高，模型構建要求簡單，適用于平原地區泛濫以及山區河道洪水等多種場景。本研究主要利用其中的潰壩計算模塊和洪水演進模塊。
在進行水庫潰決模擬時，需要建立上游庫區、壩體以及下游淹沒區的聯合模型，并輸入水位庫容曲線、大壩潰決參數以及下游河道邊界條件等。
HEC-RAS二維水動力學模型采用的是淺水方程，艮卩NavieoStokvs方程的二維簡化形式。
連續方程
#H，
#+V?5V+q二0%1)
dt
動量方程
#+V?V V=-g V H+A t V V-c f V+fk x V%2)
dt
式中,H為水面高程,m；5為水深,m；為流速, m/s;/為水力半徑,m；q為旁側入流單寬流量, m2/s；g為重力加速度,m/s2；8為水平方向運動黏度,m2/s；C為河床底部糙率；/為科里奧利系數；V為垂直方向單位矢量；n為糙率。
潰口出流假設為寬頂堰進行計算，計算方程為
Q=$半mR應%P-Z i+1)3/2%3)式中，Q為流量，m3/s；%為堰流側收系數；m為流量系數；R為寬頂堰寬度，m；?為淹沒系數；P, P+1為堰前和堰后水位，m。
HEC-RAS二維水動力學模型混合了有限體積法和有限差分法，邊界網格為不規則多邊形，非邊界網格為正方形。因其每個網格的邊類似下游河道斷面，所以在較低的網格密度或初始地形精度不高時，仍能提取地形細節，保證模型精度。
HEC-RAS中大壩為線性結構，潰口預測模塊可以手動輸入，也可以采取其集成的以往學者根據歷史潰壩數據推導出的潰口尺寸回歸方程輸入相關參數預測潰口。本次模擬采用能夠預測潰口的Von Thun and Gillette方程(7：估計潰口最大尺寸及其成形時間。Von Thun和Gillette收集了57座大壩潰壩數據，總結出潰口尺寸和壩前水深、庫容系數的關系，并建議使用1H：1V的潰口坡比%粘土心墻壩則建議使用1H：2V至1H：3V的潰口坡比)，潰口形成時間根據大壩材料由兩組方程進行計算。
潰口尺寸計算方程為
R=2.55w+S%4)式中,B av g為潰口平均寬度,m；5w為潰口底起算水深,m；S為庫容系數，m。潰口幾何參數見圖1，庫容系數見表1。
圖1潰口幾何參數
表1庫容系數
庫容/m3庫容系數C b/m
<1.23X106 6.1
1.23x106?6.17X10618.3
6.17x106?1.23X10742.7
>1.23X10754.9
以5w為參數的潰口形成時間計算方程為
t=0.025w+0.25%慢潰)
%5)
e=0.01525w%速潰)
以5w和B avg為參數的潰口形成時間計算方程為
e■奇%慢潰)
B^%6)
e=4K+o% 快潰)
2洪水分析模型構建
2.1工程概況及計算范圍確定
西山河發源于陽春、信宜兩縣交界的西山山脈的三甲頂，海拔1211m，自西北向東南轉東北，流經永寧、那離、大河、陂面至合水墟匯入漠陽江干流。流域面積989km2，河長108km，河床比降
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2.03%。#大河水庫位于廣東省陽江市境內漠陽江的 支流西山河上，距陽春市23 km ，距陽江市80 km #
壩址以上控制的流域面積438 km - #水庫總庫容 3.22億m 3 ，水庫正常蓄水位110.00 m ，死水位
96.00 m ，為-等大%2）型水庫#
為保證模型區域能覆蓋可能淹沒區域，結合西 山河以及漠陽江流域的地形特點，經過多次初步模 擬，確定被模擬范圍如圖2、圖3所示#
圖2 大河水庫dem 圖與行政區劃圖疊加
圖4典型和設計洪水過程線
2040
60 80100 120
時段/h
-S P /Q
溫垢卻
35 000-30 000-
25 000-20 000-15 000-
10 000-
95 100 105
110 115 120
水位/m
圖3 大河水庫水位庫容關系曲線
2. 2模型參數率定與模型驗證
河床及邊灘糙率是影響潰壩洪水向下游演進傳 播的主要參數，因此對其進行驗證十分必要，本文 根據西山河典型洪水過程進行率定，將典型洪水過
程的流量數據%見圖4 ）結合泄流曲線%見圖5 ）輸入
建立的計算模型，通過調整河床及邊灘各斷面糙率,
通過河道水流傳播時間來率定下游糙率，水庫在相 應流量下的泄流到陽春站的實際傳播時間為8.5 h ,
本次模擬相對泄流量傳播時間為8. 2 h ，兩者相差為
3.5% ，驗證結果表明，河床糙率取值范圍為0.02? 0.05 ，邊灘糙率取值范圍為0.03?0.055 #
104
106108 110
112 114 116
水位/m
圖5泄流能力曲線
2. 3 地理模型
本次采取的地理模型為30 m x30 m 的數字高程 地形圖% DEM ），利用實際地理信息數據，在數字高
程圖上勾勒出庫區，下游河道及框出可能淹沒范圍
等二維網格#
圖6水庫地理模型及與地理信息系統疊加
2.4潰壩參數
潰壩參數主要是潰口尺寸、潰壩形式以及潰口
成形時間，根據式%4 ）和式% 6 ），以1號副壩% 土石 壩）潰決為例,B bosm =20 m , h b =15 m , ] = 0. 5 ，潰 壩方式為漫頂破壞，潰口形成時間為14 min ，起潰
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高程取壩頂高程。
主壩作為面板堆石壩，潰口的發展與副壩土石壩不一樣（8），面板堆石壩是逐級潰決的，洪水淘蝕造成上游面板階段性折斷，面板分段逐級潰決，隨
著潰決速度加快最后發展為線性模式，主壩B?”g”= 50m,5b=15m,z=0.5，潰壩方式為漫頂破壞，潰口形成時間為47min，起潰高程取壩頂高程。各壩的主要尺寸見表2。
m
表2各壩的主要尺寸
大壩名稱壩型壩頂高程壩頂長壩頂寬最大壩高主壩面板堆石壩117.00240.00 6.0069.50
!號副壩土石壩118.00106.87 5.0020.00 2.5邊界條件
入流條件采用P=0.1%的設計洪水過程線進行模擬，如圖4所示。
下邊界條件取決于下游水位，模擬時采用河床比降，本次邊界條件采用陽春水文站下游的河床比降。一般來說，當發生大壩潰決事件時，潰壩洪水下泄流量非常大，下游的流量相對來說非常小，故在初始條件中假設下游為干河床#即模型的初始表面高度設置為模擬區域的最小高程。
水庫初始水位設為校核洪水位115.98m，模擬
入庫洪水到來后水庫水位壅高過壩頂造成漫頂潰壩的場景。鑒于西山河河床平均比降較大，本次計算選用擴散波格式的淺水方程加快計算速度#
2.6洪水計算結果分析
潰壩發生后，壩址下游流量會在短時間內發生激增，其峰頂流量向河道下游逐漸衰減，但仍遠大于校
核洪水流量，且控制斷面越靠近下游，其流量過程線上部越寬，形式呈“矮胖形”，說明其洪水持續時間越長，但峰值有所下降。結果顯示，潰壩發生后，距離大壩越近的地方，水位下降速率越快%0.29m/min），距離大壩越遠的地方，水位下降速率越慢%0.16m/min），與事實相符。
主壩最大潰壩流速在壩址處為13.207mss，副壩最大潰壩流速在壩址處為12.714mss，部分受潰壩影響區域情況見表3。
大河水庫主壩潰壩洪水%主壩為堆石壩，不考慮
全部潰決&發生后，洪水沿西山河主河道依次淹沒壩后電站、沿岸村莊%大河村、長村、禾里村&以及工況企業、西山陂樞紐，并在西山河支流交匯處%禾里村&往上游回溯到圭崗鎮，往下游匯入漠陽江主河道，淹沒合水鎮、陂面鎮以及部分陽春市市區，并先后影響X600縣道、汕湛高速%羅陽高速&以及三茂鐵路#
大河水庫副壩%副壩為土石壩，模擬全潰）下游為圭崗鎮，副壩潰壩將直接導致鎮區受淹。此后洪水將沿西山河支流經陽春合水匯入漠陽江，出合水后淹沒范圍與主壩一致。
圖7為潰壩洪水風險分布，通過與QGIS聯合，展示了演進過程中淹沒的下游城鎮、公路等設施，以及影響范圍，同時可以繪制出應急轉移路線，為洪水防御提供決策參考#
表3下游部分村莊受潰壩影響
到達最大平均最大平均序號位置1
時間/h流速/m?s水深/m 1永寧鎮那漓村%庫區上游）0.5——
2圭崗鎮淡蕩村%庫區上游）0.5——
3三新村%副壩潰決&<0.5 1.109 3.248 4那柳村%副壩潰決&<0.5——
5新村%副壩潰決&<0.5——
6高車村%副壩潰決&<0.5 5.4219.385 7高垌村%副壩潰決&<0.5 4.4039.868 8圭崗鎮鎮區<10.519 2.67
9馬催村%西山河支流&<1 1.188 3.219 10山根村%西山河支流&<2 1.052 2.384 11禾里村%西山河支流&<2 1.113 2.646 12河坪村%西山河支流&<20.5940.806 13長村%西山河干流&<1 1.737 4.255 14大河村%西山河干流&<1 1.616 6.908 15陂面鎮上河村<30.238 2.155
3結論
本文利用HEC-RAS軟件建立了基于大河水庫DEM地形圖的二維潰壩模型進行潰壩模擬，通過對潰口、下游及庫區斷面流量過程線進行分析，證明了計算結果的合理性；通過QGIS軟件對模擬演算的潰壩淹沒范圍與社會行政、經濟區劃圖層疊加，繪制出信息豐富直觀的洪水風險圖，為防洪決策提供有效支持#
HEC-RAS軟件可操作性強，二維洪水模擬兼顧了一維和三維模擬的優點，其模擬速度快，模擬精度能滿足實際運用要求，應用該模型進行洪水演進計算可減輕工作量，同時與QGIS地理信息系統相結合，能快速直觀地反映洪水模擬結果#
對于模擬存在的誤差可能由于DEM精度不夠及潰壩流量過程的概化沒有完全符合實際情況，需要進一步獲得下游精確斷面信息及精細模擬潰壩流量過程，以取得更好的模擬效果，為防汛減災工作提供參考。（下轉第126頁）
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力點溫度與最高溫度的比值約為0.88?0.93。隨粉
煤灰替代率增加略有提高，該比值可作為工程技術 人員現場評估混凝土壓/拉應力狀態指標。
高水膠比混凝土的開裂溫度%開裂風險)隨粉煤 灰替代率由0增至50%逐漸減小，繼續提高粉煤灰
替代率至80%對混凝土開裂溫度%開裂風險)影響不 大。基于本文試驗結果，高水膠比混凝土粉煤灰替
代率不宜超過50% #
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%責任編輯焦雪梅)
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
(上接第111頁)
叭?13.6■ 79.7園安墨點
88轉移點
b 副壩
圖7潰壩洪水風險分布
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%責任編輯王琪)
Watrr Powrr Vol. 47 No.
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