基于HEC-RAS和GIS的溃坝洪水计算
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模型采用四点隐式差分的格式对公式（1）、（2）进行离 散并求解。
二、溃坝洪水模拟 1．研究区域概况 枕头坝一级水电站位于大渡河中游，下游距乐山市金口 河区 5km，为大渡河干流水电梯级规划的第十九个梯级电 站，其最大坝高 86.5m，水库总库容 0.469 亿 m3，坝址处 控制流域面积 73,057km2，河道平均坡降为 1.8‰，多年平 均流量 1,360m3/s。坝址下游可能受影响范围内梯级电站有 沙坪一级水电站（尚未开工，距离枕头坝坝址 20km）和沙 坪二级水电站（在建，距离枕头坝坝址 28.5km），主要人口 聚集点有金口河城区、永和镇及金河镇，坝址下游主要交通 干线为 S306 省道和成昆铁路。 2．模型建立及验证 （1）模型建立 利用 Arc-GIS 软件在 30m 精度 DEM 模型上绘出河道、 堤岸和边滩并提取计算断面，通过 HEC-GeoRAS 软件将计 算模型导入 HEC-RAS 进行计算。计算河道范围从枕头坝水 电站库尾沿大渡河至沙坪一级水电站坝址，共 34,300m，其 中枕头坝坝址上游库区 16,000m，坝址下游 18,318m。模 型共布设 50 个控制断面，每个断面距离不超过 1km，平均 间距约 0.7km，弯道处至少布设 3 个断面。
水库作为水资源调控措施的重要组成部分，其安全至关
重要。通过溃坝模拟，对其影响进行预先估算，以便做出相
应合理应对措施，对减少生命财产损失具有重要意义，因此
前人利用一维和二维模型针对溃坝模拟做出了大量的工作。
吴钢峰等[1]利用结构网格，采用有限体积法建立二维水动力
学模型，模拟溃坝洪水在复杂地形下的流动过程；陈景秋等[2]
采用改进的时空守恒元和解元方法建立大坝瞬间全溃所致的
洪水演进和反射过程的数学模型；王晓玲等[3]采用耦合 VOF
法的三维 k-ε 紊流数学模型，模拟了三维溃坝洪水在复杂区
域的演进过程；谢作涛等[4]采用 DAMBREAK 模型模拟了溃
坝洪水在下游的演进过程。吴博等[5]利用 HEC-RAS 和 GIS
一、模型计算原理
HEC-RAS 是由美国陆军工程兵团水文工程中心研发的
一款用于一维水流分析的计算软件，其主要分为四个模块，
分别为恒定流计算、非恒定流计算、泥沙输运以及水环境分
析模块。本文主要采用非恒定流模块进行溃坝洪水计算，其
核心计算公式为圣维南方程：
Q A A0 q 0
x
t
（1）
Q Q2 /
t
x
A
gA
h x
S
f
Se
0
（2）
式中：Q—流量，当计算向下游演进时，Q 即为坝址处
的下泄流量；A—有效过水断面面积；A0—非河槽蓄水的断 面面积（滩地面积）；x —顺水流方向的距离；t —时间；q — 沿河道单位距离的侧向入流或出流；g —重力加速度；Sf—摩 阻比降；Se—局部损失；h —水面高程；k —收扩系数，收 缩时取正值，扩张时取负值，否则为 0。
严重影响；水库泄空计算显示 5 孔闸门全开情况下，水库 2h 完成泄空，与所推导的理论公式完全吻合。研究结果
表明，计算数据与理论相符，可为防洪决策提供有效支持。
关键词：HEC-RAS；Arc-GIS；溃坝模拟；水库泄空
中图分类号：TV877
文献标识码：A
文章编号：1006-7973（2018）02-0179-03
（2）模型验证
收稿日期：2017-12-01 作者简介：丁 灿（1993-），男，安徽芜湖人，四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，主要从事水工水
力学方面的研究 基金项目：国家重点研发专项（2016YFC0401603）。
180
中国水运
第 18 卷
河床及边滩糙率是影响溃坝洪水演进的主要参数，因此 对其进行验证十分必要。本文根据三组实测水位资料进行模 型验证，流量分别为 900、2,720 和 3,450m3/s。验证河段 为人口密集的金口河城区至垭溪段，即 40 号断面至 31.1 号 断面，河段全长 6.6km，上游断面距离枕头坝一级坝址 4.35km。通过将上述流量数据输入建立的计算模型，对河 床及边滩各断面糙率进行调整，使计算所得各断面水面高程 与实测各断面水面高程相吻合。验证结果如图 1 所示，误差 均 不 超 过 ±4% 。 验 证 结 果 表 明 ， 河 床 糙 率 取 值 范 围 为 0.02~0.05，边滩糙率取值范围为 0.03~0.055。
对模型进行验证，使计算结果与实测数据误差控制在±4%以内。根据实际情况，选取最不利情况，即来流为校核洪
水、大坝漫顶瞬时全溃进行计算，并通过 Arc-GI溃条
件下，坝址最大流量约 35,246m3/s，洪峰 20min 到达金口河城区，流量衰减至 22,515m3/s，部分城区将受到
第 18 卷 第 2 期 2018 年 2 月
中国水运 China Water Transport
Vol.18 February
No.2 2018
基于 HEC-RAS 和 GIS 的溃坝洪水计算
丁 灿，田 忠，王 韦
摘 要：以大渡河枕头坝水电站为研究对象，采用 HEC-RAS 建立数值模型，并利用数字高程模型及实测水文资料
软件对小东川河流域洪水淹没范围做出了较为准确的预测。
贺娟等[6]利用 HEC-RAS 对长河坝水电站进行了溃坝洪水模
拟。此次研究对象枕头坝一级水电站库区及下游为高山峡谷
地区，故一维模型可以满足计算要求。本文采用 HEC-RAS
一维水动力学模型进行溃坝洪水计算并通过 Arc-GIS 实现可
视化，为相关部门制定防洪预案提供了依据。
（0.16m/min），与事实相符。 图 2 坝址下游各断面流量过程线
图 1 模型糙率验证结果 3．模拟计算 （1）数据准备 枕头坝一级水电站为混凝土重力坝，基于最不利情况考 虑，选取来流为 P=0.1%的校核洪水，大坝漫顶瞬时全溃进 行计算。坝前初始水位设定为正常蓄水位 624m，来流流量 数据采用受上游瀑布沟水库影响下的 P=0.1%的校核洪水实 测流量过程曲线，根据大坝具体尺寸利用 Inline Structure 模块建立坝体模型。 （2）结果分析 利用非恒定流模块进行溃坝计算，计算结果显示：枕头 坝电站大坝校核洪水瞬时全溃情况下，坝址最大流量约 35,246m3/s，约为校核洪水流量 10,800m3/s 的 3 倍，略 小于瞬间全溃坝址峰顶流量计算公式[7]：
二、溃坝洪水模拟 1．研究区域概况 枕头坝一级水电站位于大渡河中游，下游距乐山市金口 河区 5km，为大渡河干流水电梯级规划的第十九个梯级电 站，其最大坝高 86.5m，水库总库容 0.469 亿 m3，坝址处 控制流域面积 73,057km2，河道平均坡降为 1.8‰，多年平 均流量 1,360m3/s。坝址下游可能受影响范围内梯级电站有 沙坪一级水电站（尚未开工，距离枕头坝坝址 20km）和沙 坪二级水电站（在建，距离枕头坝坝址 28.5km），主要人口 聚集点有金口河城区、永和镇及金河镇，坝址下游主要交通 干线为 S306 省道和成昆铁路。 2．模型建立及验证 （1）模型建立 利用 Arc-GIS 软件在 30m 精度 DEM 模型上绘出河道、 堤岸和边滩并提取计算断面，通过 HEC-GeoRAS 软件将计 算模型导入 HEC-RAS 进行计算。计算河道范围从枕头坝水 电站库尾沿大渡河至沙坪一级水电站坝址，共 34,300m，其 中枕头坝坝址上游库区 16,000m，坝址下游 18,318m。模 型共布设 50 个控制断面，每个断面距离不超过 1km，平均 间距约 0.7km，弯道处至少布设 3 个断面。
水库作为水资源调控措施的重要组成部分，其安全至关
重要。通过溃坝模拟，对其影响进行预先估算，以便做出相
应合理应对措施，对减少生命财产损失具有重要意义，因此
前人利用一维和二维模型针对溃坝模拟做出了大量的工作。
吴钢峰等[1]利用结构网格，采用有限体积法建立二维水动力
学模型，模拟溃坝洪水在复杂地形下的流动过程；陈景秋等[2]
采用改进的时空守恒元和解元方法建立大坝瞬间全溃所致的
洪水演进和反射过程的数学模型；王晓玲等[3]采用耦合 VOF
法的三维 k-ε 紊流数学模型，模拟了三维溃坝洪水在复杂区
域的演进过程；谢作涛等[4]采用 DAMBREAK 模型模拟了溃
坝洪水在下游的演进过程。吴博等[5]利用 HEC-RAS 和 GIS
一、模型计算原理
HEC-RAS 是由美国陆军工程兵团水文工程中心研发的
一款用于一维水流分析的计算软件，其主要分为四个模块，
分别为恒定流计算、非恒定流计算、泥沙输运以及水环境分
析模块。本文主要采用非恒定流模块进行溃坝洪水计算，其
核心计算公式为圣维南方程：
Q A A0 q 0
x
t
（1）
Q Q2 /
t
x
A
gA
h x
S
f
Se
0
（2）
式中：Q—流量，当计算向下游演进时，Q 即为坝址处
的下泄流量；A—有效过水断面面积；A0—非河槽蓄水的断 面面积（滩地面积）；x —顺水流方向的距离；t —时间；q — 沿河道单位距离的侧向入流或出流；g —重力加速度；Sf—摩 阻比降；Se—局部损失；h —水面高程；k —收扩系数，收 缩时取正值，扩张时取负值，否则为 0。
严重影响；水库泄空计算显示 5 孔闸门全开情况下，水库 2h 完成泄空，与所推导的理论公式完全吻合。研究结果
表明，计算数据与理论相符，可为防洪决策提供有效支持。
关键词：HEC-RAS；Arc-GIS；溃坝模拟；水库泄空
中图分类号：TV877
文献标识码：A
文章编号：1006-7973（2018）02-0179-03
（2）模型验证
收稿日期：2017-12-01 作者简介：丁 灿（1993-），男，安徽芜湖人，四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，主要从事水工水
力学方面的研究 基金项目：国家重点研发专项（2016YFC0401603）。
180
中国水运
第 18 卷
河床及边滩糙率是影响溃坝洪水演进的主要参数，因此 对其进行验证十分必要。本文根据三组实测水位资料进行模 型验证，流量分别为 900、2,720 和 3,450m3/s。验证河段 为人口密集的金口河城区至垭溪段，即 40 号断面至 31.1 号 断面，河段全长 6.6km，上游断面距离枕头坝一级坝址 4.35km。通过将上述流量数据输入建立的计算模型，对河 床及边滩各断面糙率进行调整，使计算所得各断面水面高程 与实测各断面水面高程相吻合。验证结果如图 1 所示，误差 均 不 超 过 ±4% 。 验 证 结 果 表 明 ， 河 床 糙 率 取 值 范 围 为 0.02~0.05，边滩糙率取值范围为 0.03~0.055。
对模型进行验证，使计算结果与实测数据误差控制在±4%以内。根据实际情况，选取最不利情况，即来流为校核洪
水、大坝漫顶瞬时全溃进行计算，并通过 Arc-GI溃条
件下，坝址最大流量约 35,246m3/s，洪峰 20min 到达金口河城区，流量衰减至 22,515m3/s，部分城区将受到
第 18 卷 第 2 期 2018 年 2 月
中国水运 China Water Transport
Vol.18 February
No.2 2018
基于 HEC-RAS 和 GIS 的溃坝洪水计算
丁 灿，田 忠，王 韦
摘 要：以大渡河枕头坝水电站为研究对象，采用 HEC-RAS 建立数值模型，并利用数字高程模型及实测水文资料
软件对小东川河流域洪水淹没范围做出了较为准确的预测。
贺娟等[6]利用 HEC-RAS 对长河坝水电站进行了溃坝洪水模
拟。此次研究对象枕头坝一级水电站库区及下游为高山峡谷
地区，故一维模型可以满足计算要求。本文采用 HEC-RAS
一维水动力学模型进行溃坝洪水计算并通过 Arc-GIS 实现可
视化，为相关部门制定防洪预案提供了依据。
（0.16m/min），与事实相符。 图 2 坝址下游各断面流量过程线
图 1 模型糙率验证结果 3．模拟计算 （1）数据准备 枕头坝一级水电站为混凝土重力坝，基于最不利情况考 虑，选取来流为 P=0.1%的校核洪水，大坝漫顶瞬时全溃进 行计算。坝前初始水位设定为正常蓄水位 624m，来流流量 数据采用受上游瀑布沟水库影响下的 P=0.1%的校核洪水实 测流量过程曲线，根据大坝具体尺寸利用 Inline Structure 模块建立坝体模型。 （2）结果分析 利用非恒定流模块进行溃坝计算，计算结果显示：枕头 坝电站大坝校核洪水瞬时全溃情况下，坝址最大流量约 35,246m3/s，约为校核洪水流量 10,800m3/s 的 3 倍，略 小于瞬间全溃坝址峰顶流量计算公式[7]：