黃 河

(翁源縣龍仙鎮(zhèn)人民政府,廣東 韶關(guān) 512600)

1 概述

山區(qū)河流具有河床起伏較大、呈現(xiàn)陡峭且狹窄、河床比降變化高、地形復(fù)雜、水流速度快、水流沖擊大的特點[1]。流域內(nèi)突發(fā)暴雨時,河道中的水量集中、流速大,引起突發(fā)性山洪災(zāi)害。洪水來勢迅猛,容易對堤防、道路、村莊、農(nóng)田等造成重大自然災(zāi)害。本文基于水動力模型HEC-RAS進行危險性分析,為減少災(zāi)害可能造成的危害提供支持。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)域

鹿壩溝位于甘肅省隴南市武都區(qū)角弓鎮(zhèn),屬于白龍江流域,是白龍江一級支溝,嘉陵江的二級支溝。溝長3.85 km,流域面積為6.23 km2,溝道平均坡降為171.43‰。流域氣候?qū)賮啛釒О霛駶櫄夂?多年平均氣溫14.5 ℃,1月平均氣溫2.3 ℃,7月平均氣溫32.5 ℃,無霜期年平均265 d。平均年降水量474.6 mm,年平均降水日數(shù)為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)是由美國工程兵團水利工程中心(US Army Corps of Engineers Hydraulic Engineering Center)開發(fā)的水動力計算模型[2]。由于其操作界面簡潔、適用性廣,因此在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。HEC-RAS二維水動力模型的原理是對Navier-Stokes方程的簡化為二維淺水方程[3]。計算如下:

連續(xù)方程:

(1)

動量方程:

(2)

(3)

其中,H為水面高程,m;h為水深,m;R為水力半徑,m;q為側(cè)邊入流流量,m2/s;g為重力加速度,m2/s;vt為水平方向運動黏度,m2/s;cf為河床底部糙率;f為克里奧利系數(shù);k為垂直方向單位矢量;n為糙率。

2.3 模型參數(shù)

2.3.1 地形數(shù)據(jù)

地形數(shù)據(jù)由數(shù)字高程模型DEM導(dǎo)出[4]。運用地理信息系統(tǒng)軟件Arcgis將流域、將DEM轉(zhuǎn)成模型可以讀取的地形數(shù)據(jù)。首先使用裁剪工具裁剪出流域dem,其次使用轉(zhuǎn)換工具將流域DEM轉(zhuǎn)換成.asc文件格式,最后將.asc文件導(dǎo)入HEC-RAS中,在軟件中進行網(wǎng)格插值得到如圖1所示模型中地形高程圖。

2.3.2 流量數(shù)據(jù)

洪峰流量QB由鐵道部第一勘察設(shè)計院總結(jié)提出的一種適用于西北干旱、半干旱地區(qū)的一種設(shè)計洪水計算的方法[5]。由于鹿壩溝內(nèi)均未設(shè)置水文站,該區(qū)域?qū)贌o資料地區(qū),本次研究采用“鐵一院兩所法”計算流域暴雨洪峰流量。表達式如下:

(4)

其中,QB為設(shè)計頻率的暴雨洪峰流量。

k1為產(chǎn)流因子,公式如下:

k1=0.278ηSPF

(5)

其中,η為暴雨點面折減系數(shù);Sp為設(shè)計暴雨參數(shù),mm/h;F為匯水面積,km2。

k2為損失因子,公式如下:

k2=R(ηSp)r1-1

(6)

其中,R為損失系數(shù);r1為損失系數(shù)。

k3為造峰因子,公式如下:

(7)

x為河槽與山坡綜合匯流因子,x值的大小由山坡匯流因子K1和K2而定,公式如下:

x=K1+K2

(8)

(9)

其中,L1為主河槽長度,由顯著河槽起點到出口斷面的距離,km;A1為主河槽流速系數(shù),根據(jù)斷面擴散系數(shù)a0和系數(shù)m1;A2為坡面流速系數(shù);J1為主河槽平均坡度;J2為流域坡面平均坡面,‰,可取若干代表性的坡面,取其算術(shù)平均值;L2為流域坡面平均長L2=F/1.8(L1+∑li),其中∑li為河流中支叉溝的總長。

y反映流域匯流特征的指數(shù),公式如下:

(10)

經(jīng)過上述計算公式得到不同降雨頻率下的暴雨流量如表1所示。

表1 鹿壩溝不同降雨工況洪峰流量

3 模擬結(jié)果分析

通過模型對鹿壩溝的模擬計算,得到在不同降雨工況下的水深和流速分布圖,如圖2,圖3所示。

通過分析不同降雨工況下水深和流速分布圖,統(tǒng)計出不同降雨條件下的淹沒面積、平均水深、最大水深、平均流速和最大流速,數(shù)據(jù)統(tǒng)計表如表2所示。

表2 鹿壩溝模擬結(jié)果統(tǒng)計表

基于對模擬結(jié)果統(tǒng)計表淹沒面積的分析,重現(xiàn)期為5年一遇的降雨工況下,淹沒范圍主要集中于溝道內(nèi),主要對溝道產(chǎn)生侵蝕作用,并對溝道內(nèi)的農(nóng)作物存在一定的威脅作用,在此重現(xiàn)期下對村莊房屋以及生命財產(chǎn)影響較小;重現(xiàn)期為20年一遇的降雨工況下,淹沒范圍主要集中于溝道內(nèi),但有一部分沖出溝道,對村莊房屋以及生命財產(chǎn)具有一定的危害,在此重現(xiàn)期下,應(yīng)采取一定的防御措施,減少當?shù)鼐用袷転?zāi)害威脅的影響;重現(xiàn)期為50年一遇的降雨工況下,淹沒范圍主要集中于溝道內(nèi),并有一部分沖出溝道,對村莊房屋以及生命財產(chǎn)具有較強的危害,在此重現(xiàn)期下應(yīng)提前做好撤離工作,保障當?shù)鼐用裆敭a(chǎn)安全,減少山洪的危害。

結(jié)合鹿壩溝模擬統(tǒng)計表以及上述分析過程,鹿壩溝平均水深、最大水深、平均流速、最大流速和淹沒面積均隨著重現(xiàn)期的增大而增大。

4 危險性分析

山洪危險性是指在山洪暴發(fā)過程中易受到其破壞或損害的區(qū)域。隨著數(shù)值計算的發(fā)展,山洪危險性評價并結(jié)合數(shù)值模擬分析進行危險性的劃分,可以更加明確的識別山洪的危險區(qū)域程度[6]。其危險等級表見表3。

表3 山洪危險等級表

基于山洪危險性劃分等級表,將模擬結(jié)果劃分為高、中、低三個危險區(qū)域,并運用Arcgis將高、中、低三個危險區(qū)域分別賦值3、賦值2、賦值1并進行危險性分析,得到不同降雨工況下危險性分布圖,見圖4。

基于Arcgis疊加分析模擬,重現(xiàn)期為5年一遇時鹿壩溝總危險面積為76 642 m2。高危險性面積為50 916 m2,占比為66.43%,中危險性面積為11 946 m2,占比為15.59%,低危險性面積為13 780 m2,占比為17.98%;重現(xiàn)期為20年一遇時鹿壩溝總危險面積為102 723 m2。高危險性面積為58 553 m2,占比為57.00%,中危險性面積為16 367 m2,占比為15.93%,低危險性面積為27 803 m2,占比為27.07%;重現(xiàn)期為50年一遇時鹿壩溝總危險面積為145 543 m2。高危險性面積為66 971 m2,占比為46.01%,中危險性面積為24 066 m2,占比為16.54%,低危險性面積為54 506 m2,占比為37.45%。通過分析不同降雨工況下鹿壩溝危險性分布圖,隨著重現(xiàn)期的增加對應(yīng)的總危險性面積增加,因此在重現(xiàn)期較高的情況下,應(yīng)及時做好預(yù)警,預(yù)防當?shù)鼐用竦呢敭a(chǎn)損失。

5 結(jié)論

本文以鹿壩溝為例,利用HEC-RAS模型軟件對重現(xiàn)期為5年一遇、20年一遇和50年一遇降雨工況下模擬并對鹿壩溝的流速、水深分布進行統(tǒng)計分析?；谀M流速和水深的結(jié)果,結(jié)合Arcgis的計算工具進行鹿壩溝危險性疊加分析,主要結(jié)論如下:

1)通過對該溝模擬結(jié)果分析,隨著重現(xiàn)期的增加,流速、水深和堆積面積會增加。重現(xiàn)期為5年一遇時,最大流速為8.87 m/s,平均流速為2.96 m/s,最大水深為5.45 m,平均水深為0.78 m,淹沒面積為76 642 m2;重現(xiàn)期為20年一遇時,最大流速為9.36 m/s,平均流速為2.72 m/s,最大水深為5.59 m,平均水深為0.71 m,淹沒面積為102 723 m2;重現(xiàn)期為50年一遇時,最大流速為10.29 m/s,平均流速為2.42 m/s,最大水深為5.82 m,平均水深為0.66 m,淹沒面積為145 543 m2。

2)通過分析不同降雨工況下鹿壩溝危險性分布圖,重現(xiàn)期為5年一遇時總危險面積為76 642 m2,重現(xiàn)期為20年一遇時總危險面積為102 723 m2,重現(xiàn)期為50年一遇時總危險面積為145 543 m2,隨著重現(xiàn)期的增加對應(yīng)的總危險性面積增加,因此在重現(xiàn)期較高的情況下,應(yīng)及時做好預(yù)警,預(yù)防當?shù)鼐用竦呢敭a(chǎn)損失。