王祥梁經(jīng)緯宋子龍

（1.湖南省水利水電科學(xué)研究所長(zhǎng)沙市410007；

2.湖南省大壩安全與病害防治工程技術(shù)研究中心長(zhǎng)沙市410007）

基于GIS的水庫(kù)大壩潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)圖技術(shù)研究

王祥1，2梁經(jīng)緯1，2宋子龍1，2

（1.湖南省水利水電科學(xué)研究所長(zhǎng)沙市410007；

2.湖南省大壩安全與病害防治工程技術(shù)研究中心長(zhǎng)沙市410007）

水庫(kù)大壩潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)圖是編制大壩應(yīng)急預(yù)案的關(guān)鍵。文章以理論分析為指導(dǎo)，選取湖南某土石壩為典型工程案例，基于GIS技術(shù)，綜合運(yùn)用水文分析和平面二維水流數(shù)學(xué)模型等多種手段，模擬了大壩潰決后不同水文情勢(shì)下潰壩洪水淹沒(méi)范圍和風(fēng)險(xiǎn)，并基于VB程序開(kāi)發(fā)了水庫(kù)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)，自動(dòng)繪制出潰壩洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)信息，為湖南省防洪減災(zāi)提供技術(shù)支持。

GIS潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)圖水文分析平面二維水流數(shù)學(xué)模型

在現(xiàn)代大壩管理理念中，大壩安全的概念已經(jīng)不僅僅是工程安全，由于其公共屬性以及其對(duì)公共生產(chǎn)生活潛在的重大影響，其公共安全作為另一個(gè)核心含義正日益受到重視。

我國(guó)是一個(gè)壩工大國(guó)，水庫(kù)數(shù)量居世界之首，而同時(shí)病險(xiǎn)率也偏高、安全風(fēng)險(xiǎn)大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自建國(guó)初至2006年，我國(guó)已經(jīng)發(fā)生的潰壩失事事件就達(dá)到3 496座。而隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)總量、人口密度和人民生活水平的逐步提高，水庫(kù)大壩發(fā)生潰壩等突發(fā)性應(yīng)急事件造成的人口和經(jīng)濟(jì)損失將更加嚴(yán)重。目前我國(guó)正處在病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程措施的實(shí)施階段，借鑒國(guó)外大壩安全管理的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，除險(xiǎn)加固之后大壩安全管理將側(cè)重于主動(dòng)預(yù)防事故的非工程措施。目前，水利部提出的水庫(kù)大壩應(yīng)急預(yù)案的編制和完善是一個(gè)重要的預(yù)防和降低風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵措施。

水庫(kù)大壩應(yīng)急預(yù)案主要包括潰壩及其后果分析、應(yīng)急組織體系、預(yù)案運(yùn)行機(jī)制、應(yīng)急保障、宣傳、培訓(xùn)與訓(xùn)練，其中潰壩及其后果分析是大壩應(yīng)急預(yù)案的核心，而大壩潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)圖是潰壩及其后果分析的關(guān)鍵。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以GIS、“3S”、LIDAR、三維仿真等為主的現(xiàn)代化手段不斷應(yīng)用于潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制，為相關(guān)部門(mén)防災(zāi)減災(zāi)工作提供了先進(jìn)的科學(xué)決策工具。

本文基于GIS技術(shù)，綜合運(yùn)用水文分析和平面二維水流數(shù)學(xué)模型等多種手段，模擬湖南某水庫(kù)大壩潰決后不同水文情勢(shì)下潰壩洪水淹沒(méi)范圍和風(fēng)險(xiǎn)，并開(kāi)發(fā)水庫(kù)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)。

1 平面二維水流數(shù)學(xué)模型基本理論

將大壩上下游水流視為非恒定不可壓縮流體，則其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用Navier-Stokes方程描述，對(duì)連續(xù)方程和Navier-Stokes方程取時(shí)均值，根據(jù)Boussinesq假設(shè)，并設(shè)定壓強(qiáng)服從靜水分布、不計(jì)垂直方向的流動(dòng)時(shí)間和空間的微分，將方程沿水深積分，這樣可得河道平面二維水流運(yùn)動(dòng)的連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程，如下：

式中h為水深；u和v為x和y向流速；g為τ重力加速度；eb為床面高程；ρ為水密度；f為科氏力系數(shù)；τsx和τsy表示表面切應(yīng)力的x和y向分量；τbx和τby表示底部切應(yīng)力的x和y向分量；E為紊動(dòng)粘滯系數(shù)。

（1）科氏力。科氏力系數(shù)f采用如下公式確定：

其中，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，Φ為地理緯度，本研究所模擬的河段范圍不大，暫不考慮科氏力的影響。

（2）表面切應(yīng)力。表面切應(yīng)力包括波浪輻射應(yīng)力和表面風(fēng)應(yīng)力，對(duì)于內(nèi)陸流域中的中、小型河流，表面切應(yīng)力對(duì)其流動(dòng)影響較小，本模型數(shù)值計(jì)算時(shí)可不考慮其影響。

（3）底部切應(yīng)力。底部摩擦力采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中，u為流速，h為水深，n為曼寧糙率系數(shù)，其取值應(yīng)根據(jù)實(shí)際的研究河段的床面形態(tài)、床質(zhì)、植被情況等進(jìn)行合理選取。

（4）紊動(dòng)擴(kuò)散項(xiàng)。運(yùn)動(dòng)方程的最后一項(xiàng)為紊動(dòng)擴(kuò)散項(xiàng)，其中E為紊動(dòng)粘滯系數(shù)，紊動(dòng)粘滯系數(shù)的確定有多種方法，本研究中采用Smagorinsky模型，利用計(jì)算得到的流速梯度，自動(dòng)調(diào)整紊動(dòng)粘滯系數(shù)的大小，其計(jì)算公式如下：

其中，Cs是Smagorinsky系數(shù)，A為計(jì)算單元格的面積。

由于數(shù)學(xué)上的困難，無(wú)法獲得控制方程的解析解，這就需要通過(guò)離散手段來(lái)求得數(shù)值解。本研究中采用有限單元法和有限差分法相結(jié)合的辦法對(duì)方程求解：空間上采用有限單元法，以適應(yīng)復(fù)雜的邊界地形條件；時(shí)間上采用一種全隱式非線性有限差分進(jìn)行離散以提高計(jì)算速度。

2 工程應(yīng)用研究

2.1 工程概況

某水電站是干流梯級(jí)電站中唯一具有多年調(diào)節(jié)性能的龍頭水電站。該水電站以發(fā)電為主，兼具防洪、灌溉、旅游、航運(yùn)等綜合效益。工程樞紐由混凝土面板堆石壩、引水發(fā)電系統(tǒng)和溢洪道、泄洪洞等組成。該面板堆石壩的主壩典型斷面的剖面如圖1所示。

圖1 主壩典型斷面圖

2.2 基于GIS繪制潰壩洪水淹沒(méi)范圍

利用GIS技術(shù)收集大壩上下游一定區(qū)域的地形資料，并選擇壩址以下20 km的河段作為研究范圍，采用矩形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散，網(wǎng)格步長(zhǎng)為50 m。

根據(jù)潰口下泄流量的計(jì)算和不同入庫(kù)洪水頻率下潰口下泄流量關(guān)系，對(duì)應(yīng)洪水頻率為0.01%，其潰口流量過(guò)程如圖2所示，模擬其對(duì)應(yīng)的潰決洪水演進(jìn)過(guò)程。

圖2 潰口流量過(guò)程圖

潰壩后不同時(shí)間大壩下游水位分布及淹沒(méi)范圍如圖3～圖9所示。

圖3 潰壩前水面高程及淹沒(méi)范圍

圖4 潰壩1 h后水面高程及淹沒(méi)范圍

由于受所收集的地形資料所限，此次只模擬了壩下游約17 km的范圍，從三個(gè)不同潰壩工況的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，由于模擬河段為山區(qū)河流，兩岸山地高程較高，河岸較窄，潰壩引起的土地淹沒(méi)范圍有限，但淹沒(méi)水深較大，模型能較好地描述潰壩洪水的演進(jìn)過(guò)程及相應(yīng)的淹沒(méi)水深、淹沒(méi)時(shí)間和淹沒(méi)范圍。

2.3 基于VB程序開(kāi)發(fā)了水庫(kù)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)

系統(tǒng)研制采用多種語(yǔ)言混編而成，主要以Visual Basic語(yǔ)言為主。VB以其能迅速有效地編制優(yōu)良的交互界面設(shè)計(jì)性能，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于Windows環(huán)境下系統(tǒng)的可視化界面設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)具有下列功能：

（1）對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行密碼保護(hù)管理。

（2）對(duì)潰壩風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算的各種方法進(jìn)行調(diào)用、運(yùn)算。

（3）對(duì)各種工況的潰壩模式進(jìn)行模擬、潰決后的下泄流量和水位進(jìn)行計(jì)算、比較分析。

（4）對(duì)大壩潰決洪水進(jìn)行演進(jìn)模擬，實(shí)時(shí)跟蹤。

系統(tǒng)內(nèi)容豐富，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要包括系統(tǒng)管理、潰壩風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法、壩體潰決過(guò)程模擬、潰決洪水演進(jìn)模擬，以及附件程序。系統(tǒng)主界面如圖10示。

圖5 潰壩6 h后水面高程及淹沒(méi)范圍

圖6 潰壩10 h后水面高程及淹沒(méi)范圍

圖7 潰壩20 h后水面高程及淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)圖

圖8 潰壩48 h后水面高程及淹沒(méi)范圍

圖9 潰壩72 h后水面高程及淹沒(méi)范圍

圖10 系統(tǒng)主界面窗口

點(diǎn)擊圖10“運(yùn)行”菜單中的“潰決洪水模擬”子菜單，就會(huì)彈出潰決洪水推進(jìn)模擬窗口。點(diǎn)擊“MIKE簡(jiǎn)介”子菜單，就會(huì)彈出一個(gè)word文件。點(diǎn)擊“啟動(dòng)MIKE軟件”子菜單，就會(huì)彈出MIKE軟件操作窗口。點(diǎn)擊“退出”按鈕，即可返回主界面。

3 結(jié)論

本文選取湖南省某土石壩為典型工程案例，基于GIS技術(shù)，綜合運(yùn)用水文分析和平面二維水流數(shù)學(xué)模型等多種手段，進(jìn)行不同工況下洪水演進(jìn)過(guò)程模擬，得出了相應(yīng)的下游淹沒(méi)范圍以及洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，在此基礎(chǔ)上利用VB程序開(kāi)發(fā)了水庫(kù)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)，可為下游地區(qū)的防洪決策提供直接、詳盡的參考數(shù)據(jù)，為洪泛區(qū)災(zāi)害損失、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了直接依據(jù)。

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2016-10-22）

王祥（1983-），男，安徽無(wú)為人，碩士，工程師，主要從事工程安全監(jiān)（檢）測(cè)技術(shù)研究工作，手機(jī)：15211063225。