第47卷第4期
2021年4月
水力发电
QGIS和HEC-RAS在二维溃坝洪水
模拟中的联合应用研究
徐云乾1'2'3，袁明道1'2'3，史永胜1'2'3，张旭辉1'2'3，潘展钊1'2'3，马妍博1'2'3
(1.广东省水利水电科学研究院，广东广州510635；
2.广东省大坝安全技术管理中心，广东广州510635；
3.广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州510635)
摘要：为了准确模拟大坝溃决后的洪水演进过程及淹没范围分析，以数字高程地图为基础，建立了HEC-GeeRAS
模型；结合水库的漫顶溃决工况，模拟阳江市大河水库主坝和副坝溃决后洪水沿下游河道的演进过程，并联合QGIS
生成洪水风险图、最大水流流速，最大水面高度等成果#研究成果对山区河流下游的人员疏散转移避险决策具有重
要的参考意义#
关键词：QGIS；HEC-RAS；二维模型；溃坝洪水；模拟
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
中图分类号：TV133.2文献标识码：A文章编号：0559-9342%2021)04-0108-04
水库大坝的防洪、发电、灌溉等功能为社会经济的发展提供了重要的基础保障。水库大坝失事将对下游洪泛区的人民生命财产安全及经济社会稳定造成不可估量的影响。为了对水库大坝溃坝风险进行有效的防范，需要对溃坝洪水演进进行模拟，确定洪水淹没范围、淹没水深、洪水流速、前锋到达时间等洪水风险要素，并进行避洪转移分析，最大限度的减轻洪水风险影响。
目前主流通用的洪水数值模拟软件主要有：DHI%丹麦水力研究所)的MIKE11/21，西班牙Neat Limil的RealFlow、荷兰的Delft3D、美国陆军工程兵团开发的HEC-RAS%Hydrologic Engineering Centar-Riwr Analysir System)以及我国陈祖煜院士团队在2015年基于Excel平台利用VB语言编写了坝体溃口扩展程序DB--WHR#常配合使用的GIS软件%Geographic Information System)主要有ArcGIS、QGIS 等，两者联合用以预测洪水演进风险和制定撤离路线。孙锐娇(1)、陈建峰田景环贺娟(4)、周
收稿日期：2020-09-01
基金项目：水利部水利技术示范项目％SF-201910)
作者简介：徐云乾％1986-)，男，江西丰城人，高级工程师，硕士，主要从事水利工程安全评价、水工结构检测、水利先进适用技术的应用研究工作.
Waer%Powr%Vo.447No44
第47卷第4期徐云乾，等:QGIS和HEC-RAS在二维溃坝洪水模拟中的联合应用研究
毅［5:"吴博:6：等利用HEC-RAS软件模拟了大坝溃决后洪水在下游的洪水演进过程，并结合了ArcGIS或HEC-RAS自带的地理信息模块分析研究下游区域的淹没范围#本文运用HEC-RAS的二维模型联合QGIS地理信息平台模拟漫顶溃坝后洪水演进，工程适用性较好，其结果对洪水灾害防御工作具
有重要意义。
QGIS%原称Quantum GIS)是跨平台的开源版桌面地理信息系统,QGIS提供与其他开源GIS软件包的集成，包括PostGIS、GRASS和M/Seevr，同时能集成当前流行的Python插件扩展，其提供的丰富人口、经济、行政区划、交通设施的基础地理信息系统，极大的方便了洪水风险图的编制。
1洪水分析方法
HEC-RAS的二维水动力学模型，模型精度高，模型构建要求简单，适用于平原地区泛滥以及山区河道洪水等多种场景。本研究主要利用其中的溃坝计算模块和洪水演进模块。
在进行水库溃决模拟时，需要建立上游库区、坝体以及下游淹没区的联合模型，并输入水位库容曲线、大坝溃决参数以及下游河道边界条件等。
HEC-RAS二维水动力学模型采用的是浅水方程，艮卩NavieoStokvs方程的二维简化形式。
连续方程
#H，
#+V•5V+q二0%1)
dt
动量方程
#+V•V V=-g V H+A t V V-c f V+fk x V%2)
dt
式中,H为水面高程,m；5为水深,m；为流速, m/s;/为水力半径,m；q为旁侧入流单宽流量, m2/s；g为重力加速度,m/s2；8为水平方向运动黏度,m2/s；C为河床底部糙率；/为科里奥利系数；V为垂直方向单位矢量；n为糙率。
溃口出流假设为宽顶堰进行计算，计算方程为
Q=$半mR应%P-Z i+1)3/2%3)式中，Q为流量，m3/s；%为堰流侧收系数；m为流量系数；R为宽顶堰宽度，m；?为淹没系数；P, P+1为堰前和堰后水位，m。
HEC-RAS二维水动力学模型混合了有限体积法和有限差分法，边界网格为不规则多边形，非边界网格为正方形。因其每个网格的边类似下游河道断面，所以在较低的网格密度或初始地形精度不高时，仍能提取地形细节，保证模型精度。
HEC-RAS中大坝为线性结构，溃口预测模块可以手动输入，也可以采取其集成的以往学者根据历史溃坝数据推导出的溃口尺寸回归方程输入相关参数预测溃口。本次模拟采用能够预测溃口的Von Thun and Gillette方程(7：估计溃口最大尺寸及其成形时间。Von Thun和Gillette收集了57座大坝溃坝数据，总结出溃口尺寸和坝前水深、库容系数的关系，并建议使用1H：1V的溃口坡比%粘土心墙坝则建议使用1H：2V至1H：3V的溃口坡比)，溃口形成时间根据大坝材料由两组方程进行计算。
溃口尺寸计算方程为
R=2.55w+S%4)式中,B av g为溃口平均宽度,m；5w为溃口底起算水深,m；S为库容系数，m。溃口几何参数见图1，库容系数见表1。
图1溃口几何参数
表1库容系数
库容/m3库容系数C b/m
<1.23X106 6.1
1.23x106〜6.17X10618.3
6.17x106〜1.23X10742.7
>1.23X10754.9
以5w为参数的溃口形成时间计算方程为
t=0.025w+0.25%慢溃)
%5)
e=0.01525w%速溃)
以5w和B avg为参数的溃口形成时间计算方程为
e■奇%慢溃)
B^%6)
e=4K+o% 快溃)
2洪水分析模型构建
2.1工程概况及计算范围确定
西山河发源于阳春、信宜两县交界的西山山脉的三甲顶，海拔1211m，自西北向东南转东北，流经永宁、那离、大河、陂面至合水墟汇入漠阳江干流。流域面积989km2，河长108km，河床比降
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水力发电
2021 年 4 月
2.03%。#大河水库位于广东省阳江市境内漠阳江的 支流西山河上，距阳春市23 km ，距阳江市80 km #
坝址以上控制的流域面积438 km - #水库总库容 3.22亿m 3 ，水库正常蓄水位110.00 m ，死水位
96.00 m ，为-等大%2）型水库#
为保证模型区域能覆盖可能淹没区域，结合西 山河以及漠阳江流域的地形特点，经过多次初步模 拟，确定被模拟范围如图2、图3所示#
图2 大河水库dem 图与行政区划图叠加
图4典型和设计洪水过程线
2040
60 80100 120
时段/h
-S P /Q
溫垢却
35 00030 000
25 00020 00015 000
10 000-
95 100 105
110 115 120
水位/m
图3 大河水库水位库容关系曲线
2. 2模型参数率定与模型验证
河床及边滩糙率是影响溃坝洪水向下游演进传 播的主要参数，因此对其进行验证十分必要，本文 根据西山河典型洪水过程进行率定，将典型洪水过
程的流量数据%见图4 ）结合泄流曲线%见图5 ）输入
建立的计算模型，通过调整河床及边滩各断面糙率,
通过河道水流传播时间来率定下游糙率，水库在相 应流量下的泄流到阳春站的实际传播时间为8.5 h ,
本次模拟相对泄流量传播时间为8. 2 h ，两者相差为
3.5% ，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 #
104
106108 110
112 114 116
水位/m
图5泄流能力曲线
2. 3 地理模型
本次采取的地理模型为30 m x30 m 的数字高程 地形图% DEM ），利用实际地理信息数据，在数字高
程图上勾勒出库区，下游河道及框出可能淹没范围
等二维网格#
图6水库地理模型及与地理信息系统叠加
2.4溃坝参数
溃坝参数主要是溃口尺寸、溃坝形式以及溃口
成形时间，根据式%4 ）和式% 6 ），以1号副坝% 土石 坝）溃决为例,B bosm =20 m , h b =15 m , ] = 0. 5 ，溃 坝方式为漫顶破坏，溃口形成时间为14 min ，起溃
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高程取坝顶高程。
主坝作为面板堆石坝，溃口的发展与副坝土石坝不一样（8），面板堆石坝是逐级溃决的，洪水淘蚀造成上游面板阶段性折断，面板分段逐级溃决，随
着溃决速度加快最后发展为线性模式，主坝B»”g”= 50m,5b=15m,z=0.5，溃坝方式为漫顶破坏，溃口形成时间为47min，起溃高程取坝顶高程。各坝的主要尺寸见表2。
m
表2各坝的主要尺寸
大坝名称坝型坝顶高程坝顶长坝顶宽最大坝高主坝面板堆石坝117.00240.00 6.0069.50
!号副坝土石坝118.00106.87 5.0020.00 2.5边界条件
入流条件采用P=0.1%的设计洪水过程线进行模拟，如图4所示。
下边界条件取决于下游水位，模拟时采用河床比降，本次边界条件采用阳春水文站下游的河床比降。一般来说，当发生大坝溃决事件时，溃坝洪水下泄流量非常大，下游的流量相对来说非常小，故在初始条件中假设下游为干河床#即模型的初始表面高度设置为模拟区域的最小高程。
水库初始水位设为校核洪水位115.98m，模拟
入库洪水到来后水库水位壅高过坝顶造成漫顶溃坝的场景。鉴于西山河河床平均比降较大，本次计算选用扩散波格式的浅水方程加快计算速度#
2.6洪水计算结果分析
溃坝发生后，坝址下游流量会在短时间内发生激增，其峰顶流量向河道下游逐渐衰减，但仍远大于校
核洪水流量，且控制断面越靠近下游，其流量过程线上部越宽，形式呈“矮胖形”，说明其洪水持续时间越长，但峰值有所下降。结果显示，溃坝发生后，距离大坝越近的地方，水位下降速率越快%0.29m/min），距离大坝越远的地方，水位下降速率越慢%0.16m/min），与事实相符。
主坝最大溃坝流速在坝址处为13.207mss，副坝最大溃坝流速在坝址处为12.714mss，部分受溃坝影响区域情况见表3。
大河水库主坝溃坝洪水%主坝为堆石坝，不考虑
全部溃决&发生后，洪水沿西山河主河道依次淹没坝后电站、沿岸村庄%大河村、长村、禾里村&以及工况企业、西山陂枢纽，并在西山河支流交汇处%禾里村&往上游回溯到圭岗镇，往下游汇入漠阳江主河道，淹没合水镇、陂面镇以及部分阳春市市区，并先后影响X600县道、汕湛高速%罗阳高速&以及三茂铁路#
大河水库副坝%副坝为土石坝，模拟全溃）下游为圭岗镇，副坝溃坝将直接导致镇区受淹。此后洪水将沿西山河支流经阳春合水汇入漠阳江，出合水后淹没范围与主坝一致。
图7为溃坝洪水风险分布，通过与QGIS联合，展示了演进过程中淹没的下游城镇、公路等设施，以及影响范围，同时可以绘制出应急转移路线，为洪水防御提供决策参考#
表3下游部分村庄受溃坝影响
到达最大平均最大平均序号位置1
时间/h流速/m・s水深/m 1永宁镇那漓村%库区上游）0.5——
2圭岗镇淡荡村%库区上游）0.5——
3三新村%副坝溃决&<0.5 1.109 3.248 4那柳村%副坝溃决&<0.5——
5新村%副坝溃决&<0.5——
6高车村%副坝溃决&<0.5 5.4219.385 7高垌村%副坝溃决&<0.5 4.4039.868 8圭岗镇镇区<10.519 2.67
9马催村%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长村%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陂面镇上河村<30.238 2.155
3结论
本文利用HEC-RAS软件建立了基于大河水库DEM地形图的二维溃坝模型进行溃坝模拟，通过对溃口、下游及库区断面流量过程线进行分析，证明了计算结果的合理性；通过QGIS软件对模拟演算的溃坝淹没范围与社会行政、经济区划图层叠加，绘制出信息丰富直观的洪水风险图，为防洪决策提供有效支持#
HEC-RAS软件可操作性强，二维洪水模拟兼顾了一维和三维模拟的优点，其模拟速度快，模拟精度能满足实际运用要求，应用该模型进行洪水演进计算可减轻工作量，同时与QGIS地理信息系统相结合，能快速直观地反映洪水模拟结果#
对于模拟存在的误差可能由于DEM精度不够及溃坝流量过程的概化没有完全符合实际情况，需要进一步获得下游精确断面信息及精细模拟溃坝流量过程，以取得更好的模拟效果，为防汛减灾工作提供参考。（下转第126页）
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水力发电2021年4月
力点温度与最高温度的比值约为0.88〜0.93。随粉
煤灰替代率增加略有提高，该比值可作为工程技术 人员现场评估混凝土压/拉应力状态指标。
高水胶比混凝土的开裂温度%开裂风险)随粉煤 灰替代率由0增至50%逐渐减小，继续提高粉煤灰
替代率至80%对混凝土开裂温度%开裂风险)影响不 大。基于本文试验结果，高水胶比混凝土粉煤灰替
代率不宜超过50% #
参考文献：
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%责任编辑焦雪梅)
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
(上接第111页)
叭・13.6■ 79.7園安墨点
88转移点
b 副坝
图7溃坝洪水风险分布
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