王祥梁经纬宋子龙

（1.湖南省水利水电科学研究所长沙市410007；

2.湖南省大坝安全与病害防治工程技术研究中心长沙市410007）

基于GIS的水库大坝溃坝洪水风险图技术研究

王祥1，2梁经纬1，2宋子龙1，2

（1.湖南省水利水电科学研究所长沙市410007；

2.湖南省大坝安全与病害防治工程技术研究中心长沙市410007）

水库大坝溃坝洪水风险图是编制大坝应急预案的关键。文章以理论分析为指导，选取湖南某土石坝为典型工程案例，基于GIS技术，综合运用水文分析和平面二维水流数学模型等多种手段，模拟了大坝溃决后不同水文情势下溃坝洪水淹没范围和风险，并基于VB程序开发了水库洪水风险图管理系统，自动绘制出溃坝洪水淹没风险信息，为湖南省防洪减灾提供技术支持。

GIS溃坝洪水风险图水文分析平面二维水流数学模型

在现代大坝管理理念中，大坝安全的概念已经不仅仅是工程安全，由于其公共属性以及其对公共生产生活潜在的重大影响，其公共安全作为另一个核心含义正日益受到重视。

我国是一个坝工大国，水库数量居世界之首，而同时病险率也偏高、安全风险大。据统计，自建国初至2006年，我国已经发生的溃坝失事事件就达到3 496座。而随着国民经济总量、人口密度和人民生活水平的逐步提高，水库大坝发生溃坝等突发性应急事件造成的人口和经济损失将更加严重。目前我国正处在病险水库除险加固工程措施的实施阶段，借鉴国外大坝安全管理的先进经验，除险加固之后大坝安全管理将侧重于主动预防事故的非工程措施。目前，水利部提出的水库大坝应急预案的编制和完善是一个重要的预防和降低风险的关键措施。

水库大坝应急预案主要包括溃坝及其后果分析、应急组织体系、预案运行机制、应急保障、宣传、培训与训练，其中溃坝及其后果分析是大坝应急预案的核心，而大坝溃坝洪水风险图是溃坝及其后果分析的关键。随着信息技术的不断发展，以GIS、“3S”、LIDAR、三维仿真等为主的现代化手段不断应用于溃坝洪水风险图绘制，为相关部门防灾减灾工作提供了先进的科学决策工具。

本文基于GIS技术，综合运用水文分析和平面二维水流数学模型等多种手段，模拟湖南某水库大坝溃决后不同水文情势下溃坝洪水淹没范围和风险，并开发水库洪水风险图管理系统。

1 平面二维水流数学模型基本理论

将大坝上下游水流视为非恒定不可压缩流体，则其运动规律可用Navier-Stokes方程描述，对连续方程和Navier-Stokes方程取时均值，根据Boussinesq假设，并设定压强服从静水分布、不计垂直方向的流动时间和空间的微分，将方程沿水深积分，这样可得河道平面二维水流运动的连续方程和运动方程，如下：

式中h为水深；u和v为x和y向流速；g为τ重力加速度；eb为床面高程；ρ为水密度；f为科氏力系数；τsx和τsy表示表面切应力的x和y向分量；τbx和τby表示底部切应力的x和y向分量；E为紊动粘滞系数。

（1）科氏力。科氏力系数f采用如下公式确定：

其中，ω为地球自转角速度，Φ为地理纬度，本研究所模拟的河段范围不大，暂不考虑科氏力的影响。

（2）表面切应力。表面切应力包括波浪辐射应力和表面风应力，对于内陆流域中的中、小型河流，表面切应力对其流动影响较小，本模型数值计算时可不考虑其影响。

（3）底部切应力。底部摩擦力采用如下公式进行计算：

其中，u为流速，h为水深，n为曼宁糙率系数，其取值应根据实际的研究河段的床面形态、床质、植被情况等进行合理选取。

（4）紊动扩散项。运动方程的最后一项为紊动扩散项，其中E为紊动粘滞系数，紊动粘滞系数的确定有多种方法，本研究中采用Smagorinsky模型，利用计算得到的流速梯度，自动调整紊动粘滞系数的大小，其计算公式如下：

其中，Cs是Smagorinsky系数，A为计算单元格的面积。

由于数学上的困难，无法获得控制方程的解析解，这就需要通过离散手段来求得数值解。本研究中采用有限单元法和有限差分法相结合的办法对方程求解：空间上采用有限单元法，以适应复杂的边界地形条件；时间上采用一种全隐式非线性有限差分进行离散以提高计算速度。

2 工程应用研究

2.1 工程概况

某水电站是干流梯级电站中唯一具有多年调节性能的龙头水电站。该水电站以发电为主，兼具防洪、灌溉、旅游、航运等综合效益。工程枢纽由混凝土面板堆石坝、引水发电系统和溢洪道、泄洪洞等组成。该面板堆石坝的主坝典型断面的剖面如图1所示。

图1 主坝典型断面图

2.2 基于GIS绘制溃坝洪水淹没范围

利用GIS技术收集大坝上下游一定区域的地形资料，并选择坝址以下20 km的河段作为研究范围，采用矩形网格对计算域进行离散，网格步长为50 m。

根据溃口下泄流量的计算和不同入库洪水频率下溃口下泄流量关系，对应洪水频率为0.01%，其溃口流量过程如图2所示，模拟其对应的溃决洪水演进过程。

图2 溃口流量过程图

溃坝后不同时间大坝下游水位分布及淹没范围如图3～图9所示。

图3 溃坝前水面高程及淹没范围

图4 溃坝1 h后水面高程及淹没范围

由于受所收集的地形资料所限，此次只模拟了坝下游约17 km的范围，从三个不同溃坝工况的计算结果来看，由于模拟河段为山区河流，两岸山地高程较高，河岸较窄，溃坝引起的土地淹没范围有限，但淹没水深较大，模型能较好地描述溃坝洪水的演进过程及相应的淹没水深、淹没时间和淹没范围。

2.3 基于VB程序开发了水库洪水风险图管理系统

系统研制采用多种语言混编而成，主要以Visual Basic语言为主。VB以其能迅速有效地编制优良的交互界面设计性能，被越来越广泛地应用于Windows环境下系统的可视化界面设计。

本系统具有下列功能：

（1）对数据库进行密码保护管理。

（2）对溃坝风险计算的各种方法进行调用、运算。

（3）对各种工况的溃坝模式进行模拟、溃决后的下泄流量和水位进行计算、比较分析。

（4）对大坝溃决洪水进行演进模拟，实时跟踪。

系统内容丰富，结构复杂，主要包括系统管理、溃坝风险计算方法、坝体溃决过程模拟、溃决洪水演进模拟，以及附件程序。系统主界面如图10示。

图5 溃坝6 h后水面高程及淹没范围

图6 溃坝10 h后水面高程及淹没范围

图7 溃坝20 h后水面高程及淹没风险图

图8 溃坝48 h后水面高程及淹没范围

图9 溃坝72 h后水面高程及淹没范围

图10 系统主界面窗口

点击图10“运行”菜单中的“溃决洪水模拟”子菜单，就会弹出溃决洪水推进模拟窗口。点击“MIKE简介”子菜单，就会弹出一个word文件。点击“启动MIKE软件”子菜单，就会弹出MIKE软件操作窗口。点击“退出”按钮，即可返回主界面。

3 结论

本文选取湖南省某土石坝为典型工程案例，基于GIS技术，综合运用水文分析和平面二维水流数学模型等多种手段，进行不同工况下洪水演进过程模拟，得出了相应的下游淹没范围以及洪水风险图，在此基础上利用VB程序开发了水库洪水风险图管理系统，可为下游地区的防洪决策提供直接、详尽的参考数据，为洪泛区灾害损失、风险评估提供了直接依据。

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2016-10-22）

王祥（1983-），男，安徽无为人，硕士，工程师，主要从事工程安全监（检）测技术研究工作，手机：15211063225。