以永定河泛区为研究对象，提出无实测资料地区一维洪水演进模型的建立方法。该方法是基于DEM数据采用ArcGIS和Geo-RAS软件提取河道基础信息，并利用HEC-RAS计算1989年永定河泛区的一维恒定流成果，经与原规划成果对比，模型的计算成果与原规划成果接近。

HEC-RAS；DEM；洪泛区；恒定流

基于HEC
--RAS的永定河泛区一维洪水演进模型的研究

□李 磊

2017-11-14

李 磊，男，汉族，河北省水利水电勘测设计研究院，助理工程师。

此次研究对象为永定河泛区。永定河泛区位于永定河下游。分属北京市大兴区，河北省固安县、廊坊安次区、永清县和天津市武清区、北辰区。永定河泛区是京津冀地区重要的防洪安全措施。1989年水电部天津院对永定河泛区的治理进行了可行性研究，分析了永定河泛区左右堤大断面行洪条件下的水位。该成果对后期规划设计影响较大，重新模拟1989年的一维洪水演进模型，有助于为后期永定河泛区内的安全区建设提供参考依据。但由于大断面施测较早，原始的断面测量成果已不易寻找。本次研究范围为梁各庄至屈家店控制枢纽，面积为522km2；研究无实测断面资料（1989年）条件下的一维恒定流模型建立方法。

1.计算软件

1.1 HEC-RAS河流分析系统

HEC-RAS5.0模型是由美国陆军工程兵团下属的水文工程中心开发的一组水利工程软件。它具有模拟一维恒定流、一维非恒定流，二维非恒定流，泥沙分析，物质运移等功能。由于永定河泛区1989年的规划成果分析的是泛区各小埝溃决，不考虑各分区运用，直接采用大断面行洪的情况，因此本次采用HEC-RAS5.0的一维恒定流模型。一维恒定流模型主要包括几何数据模块、恒定流数据模块、恒定流分析模块。此外，HEC（工程水文中心）还开发了Geo-RAS模块，可基于ArcGIS平台，从数字高程模型（DEM）中提取河道中泓线、河流走向、河岸线、横断面等地形信息，可将地形信息导入到HEC-RAS的几何数据模块。

1.2 ArcGIS地理信息系统

ArcGIS是由美国ESRI公司开发的地理信息系统，是一个用来编辑、管理地理数据并可进行空间分析的GIS桌面软件系统。本次主要采用Arc⁃GIS10.1进行DEM数据的分析处理，结合Geo-RAS进行研究区的地形信息提取，河流、断面等属性信息的获取，矢量数据编辑等。

2.研究步骤

基于HEC-RAS的无资料地区一维恒定流模型，可分为“DEM数据处理”、“GeoRAS 建模”、“恒定流模 拟”、“成果检验”4个阶段。

2.1 DEM数据的处理

由于难以获得永定河泛区1989年的实测地形资料和断面资料，本次通过国家基础地理中心下载研究区域的30m分辨率的数字高程模型（DEM）。但由于该中心提供的DEM数据是分块的，而且数据的坐标系统为地理坐标系。为了方便后期地形属性信息的提取和RAS建模，需要采用ArcGIS平台进行栅格镶嵌及坐标投影变换等工作。

2.2 Geo-RAS建模

结合Google Earth提供的高清卫星影像图，查看永定河泛区1989年的历史影像。根据历史影像及1989年的报告材料，采用Geo-RAS绘制研究区域内的河道中泓线、河岸线、横断面、堤防、村落居民地等，并根据DEM提取河道长度、断面属性等信息。数字化成果主要包括矢量数据和表格数据两种，该成果保存在Geo-RAS生成的地理数据库中。

2.3 恒定流模拟

将Geo-RAS提取的几何数据成果，导入到HEC-RAS几何数据模块中。设定模型参数后进行一维恒定流模拟，并输出计算成果。

一是几何模块参数。几何模块参数主要包括糙率、断面间距、收缩扩张系数等。其中糙率取值根据《永定河泛区治理可行性研究报告》，永定河泛区主槽糙率为0.02，滩地糙率东洲以上断面糙率为0.06，东洲以下断面糙率为0.075。断面间距直接采用Geo-RAS提取的数据。本次暂不考虑桥梁影响，断面收缩系数取0.1，扩张系数取0.3。

二是恒定流数据模块参数。恒定流数据模块系数主要包括流量条件和边界条件等。永定河泛区上游有卢沟桥控制工程进行控泄，设计洪峰流量为2500m3/s，洪水经梁各庄进入泛区。永定河泛区下游有屈家店枢纽，采用屈家店闸的水位—流量关系曲线作为下边界条件。

表1 永定河泛区一维恒定流模型水位成果对比

三是恒定流分析模块参数。本次模拟的泛区洪水流态为临界流（Sub⁃critical），模型运行后的淹没范围。

2.4 成果检验

整理HEC-RAS恒定流计算成果，并与水利电力部天津勘测设计研究院编制的《永定河泛区治理可行性研究报告》中的原水面线成果进行对比。成果对比见表1。

由表1可知，永定河泛区（河北省段）的原断面水位成果与本次模型计算成果较为接近，水位最大差值为0.35m。在南大力、北小营以及东张务湿地附近的断面差异较明显。产生这一现象，分析可能是由于本次模型所采用的ASTER GDEMV2的30m分辨率的DEM数据时期为2009年，该时期的地形与1989年的永定河泛区的地形仍存在一定差异，导致上述地区的断面形式有所变化。

3.结语

以永定河泛区为例，介绍无实测资料地区一维恒定流模型的建立方法。即采用Geo-RAS和ArcGIS软件，通过数字高程模型提取了研究区的断面、中泓线、河岸线等基本信息，并导入到HEC-RAS中，进行一维恒定流模拟。经过对比，模型计算成果与原规划成果较为接近，可为同类项目的一维洪水演进模型的建立提供一定参考依据。□