以永定河泛區(qū)為研究對象，提出無實測資料地區(qū)一維洪水演進(jìn)模型的建立方法。該方法是基于DEM數(shù)據(jù)采用ArcGIS和Geo-RAS軟件提取河道基礎(chǔ)信息，并利用HEC-RAS計算1989年永定河泛區(qū)的一維恒定流成果，經(jīng)與原規(guī)劃成果對比，模型的計算成果與原規(guī)劃成果接近。

HEC-RAS；DEM；洪泛區(qū)；恒定流

基于HEC
--RAS的永定河泛區(qū)一維洪水演進(jìn)模型的研究

□李 磊

2017-11-14

李 磊，男，漢族，河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，助理工程師。

此次研究對象為永定河泛區(qū)。永定河泛區(qū)位于永定河下游。分屬北京市大興區(qū)，河北省固安縣、廊坊安次區(qū)、永清縣和天津市武清區(qū)、北辰區(qū)。永定河泛區(qū)是京津冀地區(qū)重要的防洪安全措施。1989年水電部天津院對永定河泛區(qū)的治理進(jìn)行了可行性研究，分析了永定河泛區(qū)左右堤大斷面行洪條件下的水位。該成果對后期規(guī)劃設(shè)計影響較大，重新模擬1989年的一維洪水演進(jìn)模型，有助于為后期永定河泛區(qū)內(nèi)的安全區(qū)建設(shè)提供參考依據(jù)。但由于大斷面施測較早，原始的斷面測量成果已不易尋找。本次研究范圍為梁各莊至屈家店控制樞紐，面積為522km2；研究無實測斷面資料（1989年）條件下的一維恒定流模型建立方法。

1.計算軟件

1.1 HEC-RAS河流分析系統(tǒng)

HEC-RAS5.0模型是由美國陸軍工程兵團(tuán)下屬的水文工程中心開發(fā)的一組水利工程軟件。它具有模擬一維恒定流、一維非恒定流，二維非恒定流，泥沙分析，物質(zhì)運移等功能。由于永定河泛區(qū)1989年的規(guī)劃成果分析的是泛區(qū)各小埝潰決，不考慮各分區(qū)運用，直接采用大斷面行洪的情況，因此本次采用HEC-RAS5.0的一維恒定流模型。一維恒定流模型主要包括幾何數(shù)據(jù)模塊、恒定流數(shù)據(jù)模塊、恒定流分析模塊。此外，HEC（工程水文中心）還開發(fā)了Geo-RAS模塊，可基于ArcGIS平臺，從數(shù)字高程模型（DEM）中提取河道中泓線、河流走向、河岸線、橫斷面等地形信息，可將地形信息導(dǎo)入到HEC-RAS的幾何數(shù)據(jù)模塊。

1.2 ArcGIS地理信息系統(tǒng)

ArcGIS是由美國ESRI公司開發(fā)的地理信息系統(tǒng)，是一個用來編輯、管理地理數(shù)據(jù)并可進(jìn)行空間分析的GIS桌面軟件系統(tǒng)。本次主要采用Arc?GIS10.1進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)的分析處理，結(jié)合Geo-RAS進(jìn)行研究區(qū)的地形信息提取，河流、斷面等屬性信息的獲取，矢量數(shù)據(jù)編輯等。

2.研究步驟

基于HEC-RAS的無資料地區(qū)一維恒定流模型，可分為“DEM數(shù)據(jù)處理”、“GeoRAS 建模”、“恒定流模 擬”、“成果檢驗”4個階段。

2.1 DEM數(shù)據(jù)的處理

由于難以獲得永定河泛區(qū)1989年的實測地形資料和斷面資料，本次通過國家基礎(chǔ)地理中心下載研究區(qū)域的30m分辨率的數(shù)字高程模型（DEM）。但由于該中心提供的DEM數(shù)據(jù)是分塊的，而且數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)為地理坐標(biāo)系。為了方便后期地形屬性信息的提取和RAS建模，需要采用ArcGIS平臺進(jìn)行柵格鑲嵌及坐標(biāo)投影變換等工作。

2.2 Geo-RAS建模

結(jié)合Google Earth提供的高清衛(wèi)星影像圖，查看永定河泛區(qū)1989年的歷史影像。根據(jù)歷史影像及1989年的報告材料，采用Geo-RAS繪制研究區(qū)域內(nèi)的河道中泓線、河岸線、橫斷面、堤防、村落居民地等，并根據(jù)DEM提取河道長度、斷面屬性等信息。數(shù)字化成果主要包括矢量數(shù)據(jù)和表格數(shù)據(jù)兩種，該成果保存在Geo-RAS生成的地理數(shù)據(jù)庫中。

2.3 恒定流模擬

將Geo-RAS提取的幾何數(shù)據(jù)成果，導(dǎo)入到HEC-RAS幾何數(shù)據(jù)模塊中。設(shè)定模型參數(shù)后進(jìn)行一維恒定流模擬，并輸出計算成果。

一是幾何模塊參數(shù)。幾何模塊參數(shù)主要包括糙率、斷面間距、收縮擴(kuò)張系數(shù)等。其中糙率取值根據(jù)《永定河泛區(qū)治理可行性研究報告》，永定河泛區(qū)主槽糙率為0.02，灘地糙率東洲以上斷面糙率為0.06，東洲以下斷面糙率為0.075。斷面間距直接采用Geo-RAS提取的數(shù)據(jù)。本次暫不考慮橋梁影響，斷面收縮系數(shù)取0.1，擴(kuò)張系數(shù)取0.3。

二是恒定流數(shù)據(jù)模塊參數(shù)。恒定流數(shù)據(jù)模塊系數(shù)主要包括流量條件和邊界條件等。永定河泛區(qū)上游有盧溝橋控制工程進(jìn)行控泄，設(shè)計洪峰流量為2500m3/s，洪水經(jīng)梁各莊進(jìn)入泛區(qū)。永定河泛區(qū)下游有屈家店樞紐，采用屈家店閘的水位—流量關(guān)系曲線作為下邊界條件。

表1 永定河泛區(qū)一維恒定流模型水位成果對比

三是恒定流分析模塊參數(shù)。本次模擬的泛區(qū)洪水流態(tài)為臨界流（Sub?critical），模型運行后的淹沒范圍。

2.4 成果檢驗

整理HEC-RAS恒定流計算成果，并與水利電力部天津勘測設(shè)計研究院編制的《永定河泛區(qū)治理可行性研究報告》中的原水面線成果進(jìn)行對比。成果對比見表1。

由表1可知，永定河泛區(qū)（河北省段）的原斷面水位成果與本次模型計算成果較為接近，水位最大差值為0.35m。在南大力、北小營以及東張務(wù)濕地附近的斷面差異較明顯。產(chǎn)生這一現(xiàn)象，分析可能是由于本次模型所采用的ASTER GDEMV2的30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)時期為2009年，該時期的地形與1989年的永定河泛區(qū)的地形仍存在一定差異，導(dǎo)致上述地區(qū)的斷面形式有所變化。

3.結(jié)語

以永定河泛區(qū)為例，介紹無實測資料地區(qū)一維恒定流模型的建立方法。即采用Geo-RAS和ArcGIS軟件，通過數(shù)字高程模型提取了研究區(qū)的斷面、中泓線、河岸線等基本信息，并導(dǎo)入到HEC-RAS中，進(jìn)行一維恒定流模擬。經(jīng)過對比，模型計算成果與原規(guī)劃成果較為接近，可為同類項目的一維洪水演進(jìn)模型的建立提供一定參考依據(jù)?！?/p>