摘 要:水庫大壩一旦發(fā)生潰壩,潰壩洪水會對下游造成毀滅性的影響。該文以黑龍江省五大連池市躍進水庫為研究對象,使用HEC-RAS軟件建立二維非恒定流潰壩模型,模擬躍進水庫潰壩后的洪水淹沒范圍和時間演變特征。研究結果可為水庫防洪搶險指揮和應急預案的編制提供理論依據(jù)。
關鍵詞:HEC-RAS;洪水模擬;潰壩洪水;洪水演進;躍進水庫
中圖分類號:TV122 文獻標志碼:A 文章編號:2095-2945(2024)24-0071-04
Abstract: Once the reservoir dam breaks, the flood will have a devastating impact on the downstream. This paper takes Yuejin Reservoir in Wudalianchi City, Heilongjiang Province as the research object, establishes a two-dimensional unsteady flow dam-break model using HEC-RAS software, and simulates the flood inundation range and time evolution characteristics after the dam-break of Yuejin Reservoir. The research results can provide a theoretical basis for reservoir flood control and emergency command and emergency plan compilation.
Keywords: HEC-RAS; flood simulation; dam break flood; flood evolution; Yuejin Reservoir
水庫大壩潰壩是一種非常嚴重的災害,大壩因重大自然災害或遭遇人為破壞等原因導致潰壩,產生的潰壩洪水會對下游造成毀滅性的影響。如1975年8月發(fā)生在河南省駐馬店地區(qū)的潰壩事件,使29個縣市的1 100萬人口受災,造成2.6萬人死亡,直接經濟損失近百億元[1]。因此,國內外眾多學者對潰壩洪水分析和預測做了大量研究。付昕佳[2]對小溝井水利工程應用HEC-RAS和GIS建立潰壩模型,并結合故障樹理論進行洪水災害損失預測。蔣林杰等[3]對百花灘水電站擬定了9種潰壩分析方案,運用HEC-RAS進行洪水演進計算,為水電站防洪應急管理提供了理論依據(jù)。Zeiger等[4]使用集成建模方法耦合SWAT和HEC-RAS對城市進行降水和洪水模擬。李政鵬等[5]將BIM技術、GIS技術結合MIKE軟件建立前坪水庫一維、二維耦合模型,準確模擬了洪水演進過程和下游風險特征。梁駿等[6]對竹根池水庫進行了多種潰壩成因的洪水分析,評估了潰壩洪水對下游重點區(qū)域的影響。丁燦等[7]以大渡河枕頭壩水電站為研究對象,采用理論公式和HEC-RAS建立數(shù)值模型進行模擬,并用實測水文資料進行驗證,結果表明HEC-RAS數(shù)值模擬與理論公式完全吻合。
本文采用HEC-RAS對黑龍江省訥謨爾河支流上的躍進水庫進行潰壩洪水計算,得到潰壩條件下洪水淹沒范圍、水深、洪水演進特性等結果,為水庫汛期調度和應急搶險提供理論依據(jù)。
1 計算原理
1.1 軟件介紹
HEC-RAS(River Analysis System)是由美國陸軍工程兵團水文工程中心研發(fā)的一款用于一維水流分析的計算軟件,適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定流一維水力計算,主要分為4個模塊,分別為恒定流計算、非恒定流計算、泥沙輸運以及水質分析模塊[8],功能強大,操作簡便[9]。
1.2 計算原理
控制水流的物理定律是質量守恒原理(連續(xù))和動量守恒原理。這2個定律以偏微分方程的形式在數(shù)學上表達,以下稱之為連續(xù)性方程和動量方程。HEC-RAS軟件的二維非恒定流計算方程采用Navier-Stokes方程描述二維流體的運動[10]。
假設流動是不可壓縮的,質量守恒(連續(xù))方程的非定常微分形式為
式中:t為時間,H為水位,hu和hv分別為x和y方向的水位分量,q為流量。
動量方程的非定常微分形式為
式中:u和v是x和y方向的速度分量,g是重力加速度,vt是水平渦粘系數(shù),cf是底部摩擦系數(shù),fu和fv分別是x和y方向的科里奧利參數(shù)。
模型采用迭代法求解上述(1)(2)(3)式。
2 潰壩洪水模擬
2.1 研究區(qū)域概況
黑龍江省五大連池市躍進水庫位于訥謨爾河北側的一條支流上,在五大連池市團結鎮(zhèn)西北方向5 km處,壩址地理位置為東經126°00′06″、北緯48°36′50″。躍進水庫始建于1966年,主河道長10 km,水庫控制流域面積為50 km2,經復核后水庫總庫容846×104 m3,正常蓄水位265.5 m,設計洪水位266.42 m(Q3%=58.3 m3/s),校核洪水位267.17 m(Q0.3%=127m3/s),汛期限制水位(死水位)259 m,工程等級為Ⅳ等,是一座以灌溉為主,兼顧防洪、水產養(yǎng)殖等綜合利用的?。?)型水庫。
2.2 二維模型構建
2.2.1 地形處理
在地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站上下載水庫周邊區(qū)域的30 m精度DEM數(shù)據(jù),使用RAS Mapper將下載的tif格式文件構建為.hdf文件和.vrt文件,設置坐標系為EPSG:3857,至此地形圖層成功導入RAS Mapper并可以編輯。使用Bing Staellite在線地圖作為水庫周邊DOM影像,并疊加到DEM中。圖1為躍進水庫的DEM高程與DOM影像數(shù)據(jù)。
2.2.2 建立二維模型
在RAS Mapper中使用Storage Areas組件編輯水庫邊界,輸入水庫的水位-庫容曲線等相關參數(shù)。使用2D Flow Areas組件繪制下游模擬區(qū),創(chuàng)建50 m×50 m的計算單元并設定糙率等相關系數(shù),共22 745個計算單元。將水庫區(qū)域和下游模擬區(qū)域通過大壩連接,輸入壩頂高程、壩頂長度等相關參數(shù)。使用Boundary Condition Lines繪制一條與下游模擬區(qū)邊界貼近但平行的矢量線,設置模擬區(qū)邊界條件為Normal Depth,輸入河道邊坡系數(shù),設置水庫邊界條件為LateralInterflowHydrograph,輸入300年一遇(校核)洪水過程線。潰壩形態(tài)方案采用Von Thun & Gillete[6],潰口底寬59 m,大壩潰口示意圖如圖2所示。
2.3 模擬計算
在非恒定流計算界面設置模擬時段、時間步長等參數(shù),開始非恒定流計算。
在計算過程中,計算單元大小和時間步長的長度對計算工作量有顯著影響,經多次試驗,選取恰當?shù)挠嬎銌卧芏群蜁r間步長長度以獲得最優(yōu)方案[10]。
3 計算結果及影響分析
3.1 淹沒范圍分析
潰壩洪水淹沒范圍如圖3所示。由水深分布數(shù)據(jù)可知,躍進水庫內最大水深為12.35 m,壩址下游至團結鎮(zhèn)的盆地區(qū)域水深為3~5 m,團結鎮(zhèn)下游為地形平坦的耕地區(qū)域,水深在1 m以下,淹沒范圍較大,直至匯入水庫南方8 km處的訥謨爾河。從整個水深分布區(qū)域來看,淹沒深度最大的區(qū)域集中在壩址下游盆地,局部地區(qū)水深達到6 m,經過下游盆地區(qū)域后,洪水向四周散開,水深橫向逐漸遞減。
3.2 洪水演進分析
本文依據(jù)300年一遇(校核)洪水過程線進行洪水演進,洪水歷時共20 h。洪水演進過程如圖4所示。潰壩發(fā)生的時間為00:00:00,由圖4可知,潰壩后洪水在00:30:00時從潰口行進了4 590 m,淹沒了連接團結鎮(zhèn)和永發(fā)村的009縣道,潰口出流速度達到6 m/s,洪峰以2 m/s的速度向下游推進。在團結鎮(zhèn)附近洪水的水面寬度在700~1 200 m,會對村莊產生一定淹沒影響。在01:00:00時洪水漫到團結鎮(zhèn)下游的耕地區(qū)域,由于地形平坦,洪水向四周分散,流速降低到0.5 m/s。03:00:00時躍進水庫洪水基本泄空,洪水行進到下游訥謨爾河流域,至此洪水匯入訥謨爾河,不再繼續(xù)行進。12:00:00時壩址附近洪水水位迅速減小,說明此時洪水由地下徑流等因素迅速消耗,在后續(xù)時間內,地表洪水將繼續(xù)緩慢減少,淹沒深度繼續(xù)減小。
3.3 下游淹沒影響
通過將淹沒范圍結合DOM影像數(shù)據(jù)分析,水庫潰壩后洪水將淹沒009縣道團結鎮(zhèn)-永發(fā)村段,公路淹沒長度1 800 m,最大淹沒深2 m,正常車輛無法通行。下游淹沒區(qū)域主要為農田,淹沒范圍為20 km2。本次模擬得到的洪水淹沒范圍雖然不包括村莊,但水庫在遭遇校核洪水,有潰壩風險時,水庫下游的團結鎮(zhèn)、永發(fā)村、前進村等村莊仍需要緊急疏散,以保護人民群眾生命財產安全。
4 結束語
文本采用HEC-RAS軟件建立二維非恒定流模型,以五大連池市躍進水庫為例進行潰壩洪水演算,得到了洪水淹沒范圍、淹沒深度和時間演變特征,并結合衛(wèi)星影像圖對洪水造成的淹沒影響進行分析,結果可為躍進水庫的防洪調度管理和應急預案的編制提供理論依據(jù)。
參考文獻:
[1] 王國安.淮河“75·8”洪水垮壩的主要原因分析及經驗教訓[J].科技導報,2006(7):72-77.
[2] 付昕佳.堤壩潰決災害損失評估研究[D].大連:大連理工大學,2019.
[3] 蔣林杰,付成華,程馨玉,等.基于HEC-RAS的百花灘水電站潰壩洪水演進過程及影響分析[J].人民珠江,2021,42(1):65-72.
[4] ZEIGER S J, HUBBART J A. Measuring and modeling event-based environmental flows: An assessment of HEC-RAS 2D rain-on-grid simulations[J].Journal of Environmental Management, 2021(285):112125.
[5] 李政鵬,皇甫英杰,李宜倫,等.基于BIM+GIS技術的前坪水庫潰壩洪水數(shù)值模擬[J].人民黃河,2021,43(4):160-164.
[6] 梁駿,董占飛.基于HEC-RAS的竹根池水庫潰壩洪水風險研究[J].水利建設與管理,2024,44(1):54-61.
[7] 丁燦,田忠,王韋.基于HEC-RAS和GIS的潰壩洪水計算[J].中國水運(下半月),2018,18(2):179-181.
[8] 陳建峰,王穎,李洋.HEC-RAS模型在洪水模擬中的應用[J].東北水利水電,2006(11):12-13,42,71.
[9] 謝加球,侯凱,王艷蘋,等.HEC-RAS水文分析軟件在水利水電工程中的運用[J].人民珠江,2013,34(4):29-32.
[10] 楊敏杰,王利科.基于HEC-RAS的二維潰壩洪水計算[J].四川水利,2020,41(2):83-85.