基于HEC-RAS的淮河淮南段洪水漫顶风险分析

徐 伟，刘 茂，杨 杰，李春志，尚小娟

（1.南开大学城市公共安全研究中心，天津 300071；2.中国石油天然气管道局第二工程分公司，江苏徐州 221008；3.天津师范大学生命科学院，天津 300387）

基于HEC-RAS的淮河淮南段洪水漫顶风险分析

徐 伟1，2，刘 茂1，杨 杰1，李春志2，尚小娟3

（1.南开大学城市公共安全研究中心，天津 300071；2.中国石油天然气管道局第二工程分公司，江苏徐州 221008；3.天津师范大学生命科学院，天津 300387）

淮河淮南段聚集了大量的人口、工厂、农田、建筑物等，一旦发生较大规模的洪水，将对人民生命财产安全造成严重威胁。运用HEC-RAS软件和HEC-GeoRAS模块，在GIS环境中，模拟现有防洪工程条件下淮河淮南段在40年、60年及100年一遇洪水周期下的洪水漫顶淹没情况，得到不同横断面的设计水位线、漫顶淹没的范围、淹没水深等数据。洪水漫顶模拟结果表明：淮河淮南段的防洪堤坝能够抵御40年、60年一遇的洪水，基本能抵抗100年一遇的洪水；模拟水位与设计水位吻合度高，基于HEC-RAS的洪水漫顶模拟合理可信，可为防洪预警、制定人员疏散方案及洪水灾害风险分析等方面提供依据。

HEC-RAS；淮河；洪水；漫顶；风险分析

1 概 述

在遍及全球的各种自然灾害中，洪水灾害最为常见。即使在科技高度发达的今天，洪水灾害依然是威胁人类生命安全和财产损失最大的自然灾害［1］。由于城市的扩大、人口的增加和经济的发展，同样的洪水灾害所造成的损失较过去有几倍甚至几十倍的增加。为了降低洪水灾害带来的损失，除兴建必要的骨干工程之外，应当加强研究洪水预报与风险分析等非工程措施，将防洪工作重点放在非工程措施上，其中洪水淹没场景的模拟是非工程措施中制定防洪预案的重要依据［2］。

李天文等人［3］基于数字高程模型的栅格结构，以渭河下游洪水淹没数据为基础，依据无源淹没和有源淹没的原理，并结合ERDAS 8.5的虚拟GIS模块实现了无源淹没的三维可视化模拟。苏布达等人［4］以GIS栅格数据为基础及湖北省荆江分洪区为研究对象，在数字地形模型和Landsat ETM遥感影像等数据的基础上，模拟了不同分洪方案下的洪水淹没范围、水深和相应的洪水淹没地物面积及其可能损失等。英国的M.S.Horritt和P.D.Bates［5］运用1D和2D水力模型LISFLOOD-FP、TELEMAC-2D测验英国境内60 km长的Severn河流在1998和2000年发生的洪水事件。P.D.Bates和A.P.J.De Roo［6］于2000年开发了一个用于模拟洪水淹没的模型，该模型由一维运动波和二维扩散波组成，其中用一维运动波近似代替河道水流情况，并由显式有限差分法求解，用二维扩散波代表洪泛区水流行径情况。

本文以淮河淮南段为研究对象，用HEC-RAS软件和HEC-GeoRAS模块，在GIS环境中模拟不同洪水周期下的漫顶淹没情况。模拟步骤概括如下：

（1）在GIS中导入数字高程模型（DEM），用HEC-GeoRAS做前期处理，在DEM中创建河道中心线、河岸、河流路径中心线、土地使用类型等图层；

（2）将这些图层数据从GIS中导出，再由HECRAS软件导入这些数据，构架起河网的基本几何属性，包括：河流走向、河网形状、河道断面、不同土地使用类型的曼宁系数；

（3）运行HEC-RAS模拟程序，得到不同断面的水深、水流速度等数据，将HEC-RAS软件模拟出的文件导入HEC-GeoRAS中，做后期处理，最终在GIS环境中模拟出洪水的淹没范围和淹没水深。

2 HEC-RAS软件和HEC-GeoRAS模块

2.1 HEC-RAS软件

河道分析系统HEC-RAS（River Analysis System）是由美国陆军工程师团（U.S.Army Corps of Engineers）的水文工程中心（Hydrologic Engineering Center）开发出的一款能够演算一维恒定流和非恒定流的软件，可以用于河道水力的计算、泥沙沉积物的迁移模拟和水温分析。HEC-RAS模型系统是水文工程中心研发的“Next Generation”（NexGen）水文工程软件中的一个部分［7］。

HEC-RAS4.0系统是能够提供多项工作、与使用者间交互使用网络环境服务的完整软件，此系统包含了图形用户界面（Graphical User Interface，简称GUI）、独立的水力分析单元、数据存储与管理功能以及图标制作工具。HEC-RAS 4.0涵盖了4个部分的一维河道分析：水面线的恒定流计算；非恒定流模拟；泥沙输移／可动边界计算；水质分析。这4个部分都使用同一个几何数据，并且几何和水力计算路径也一致。除此之外，HEC-RAS 4.0系统还具有一些水力设计功能，在计算基本水面线时可以调用这些功能［8］。

2.2 HEC-GeoRAS模块

过去使用HEC-RAS模拟时，主要是针对河道内的水位变化情况，一旦水位超过堤顶高程，RAS就无法模拟堤防之外的二维洪水淹没情况。如今，搭载了GIS的功能，在GIS中加入HEC-GeoRAS的扩展模块可以解决这个难题。

HEC-GeoRAS是由HEC和美国环研所（ESRI）联合开发，为水文工程中心河道分析系统（HEC-RAS）提供处理空间数据功能的GIS特定应用程序，可以嵌套在GIS里运行，是HEC-RAS与GIS数据交换的媒介。前期处理可以获取河道的几何图形、河道的横截面资料、堤防的数据等，为HEC-RAS的模拟提供前期的准备工作；在HEC-RAS水力分析之后，在GIS中调入HEC-RAS的输出文件，通过GeoRAS可模拟出漫顶洪水淹没范围和水深，这就是GeoRAS的后期处理功能［7］。

3 漫顶模拟步骤

3.1 河网的数字化

用Geo-RAS模块从淮南的DEM地形图中提取河道、滩地、横断面等数据，导入HEC-RAS软件中，得到淮河淮南段河网结构图及横断面的标记图，如图1、图2所示。

图1 淮河淮南段河网结构图Fig.1 Network structure of Huainan reach of Huai River

图1 中各个数字代表不同的河段。其中：1为流经淮南市的淮河上游段；2为淮河主干流中游段；3为淮河主干流下游段；4为淮南市淮河支流上游段；5为淮南市淮河支流下游段；6为淮河分流段。箭头方向代表了淮南段淮河的水流走向，蓝色线条代表各个河段，绿色线条代表不同河段的河道横断面，红点代表河道两侧的左、右高滩地，滩地外围的粉色方框代表河道左右两侧的堤防位置。

图2中的阿拉伯数字代表不同河段的河道横断面的标记。在前期处理选取的横断面较多，受篇幅所限，本文仅选取其中的1号、2号两个横断面作为模拟对象。

3.2 输入参数的选取

3.2.1 各个河段不同洪水周期的设计流量

《淮南市城市防洪规划》［9］的近期防洪标准为抵御1954年洪水（约40年一遇），远期防洪标准为100年一遇洪水。依照40年一遇的设计流量，根据《淮南市城市防洪规划》中频率曲线图估算出60年和100年一遇的洪水设计流量，再分别做具体的洪水模拟分析。不同洪水周期下，各个河段的洪水设计流量的假定值如表1所示。

图2 淮河淮南段河网横断面的标记图Fig.2 The tag of river network cross-sections of Huainan reach of Huai River

表1 各个河段在不同洪水周期下的假定洪水设计流量Table 1 The assumed flood design flow of each reach under different floods m3／s

3.2.2 各节点设计洪水水位及流量

根据《淮南市城市防洪规划》，淮南市境内设计流量10 000 m3／s，淮河淮南段境内各节点相应的设计洪水水位及流量，如表2所示。

3.2.3 堤顶高程

淮河淮南段在右岸建有防洪堤39.12 km，从西至东分别为黑李段、老应段、耿石段、田家庵圈堤、窑河封闭堤5段。根据《淮南市城市防洪规划》选取堤顶高程，分别为：黑李段取27.6～28.0 m，老应段取29.0 m，耿石段取26.5～27.0 m，田家庵圈堤取27.5～26.5 m，窑河封闭堤取27.0 m；由河段2，5，6围成的上六坊行洪区的堤坝高度取23.7 m，由河段3上半段以南覆盖的下六坊行洪区的堤坝取23.7～23.9 m，由河段3下半段和对应的右侧堤防围成的石姚段行洪区的堤坝取23.5 m。

3.2.4 Manning系数

左岸高滩地、主河道和右岸高滩地的Manning系数n取值分别为：0.03，0.035，0.04［6］。

3.2.5 收缩系数和扩张系数

这2个系数用以评估河道收缩和扩张的能量损失。收缩系数为0.1，扩张系数为0.3。

3.2.6 边界条件

在计算上游1河段正常水深时的上游坡降为0.000 5，河段3和河段4的边界条件为临界水深。

3.2.7 河流的流态

河流的流态为混合流态。

表2 淮河淮南段境内各节点设计洪水水位及流量Table 2 Designed flood level and flow of each node in Huainan reach of Huai River

4 漫顶模拟结果

4.1 河道横断面的模拟水位线

淮河淮南段中2个河道横断面在40年、60年及100年一遇的洪水周期下的模拟水位线如图3所示。

图3中蓝色横线代表不同设计洪水周期下的模拟水位线，红色竖线代表堤防的高度和位置。不同颜色代表不同流速，由图例可得出流速的大小，凡是蓝色横线没有划到的地方代表没有水流入。

由图3（a）可得，1号横断面右岸堤防高度高于模拟水位线，所以右岸不会发生漫顶。因此，右岸堤防能够抵挡40年、60年、100年一遇的洪水。

由图3（b）可得，2号横断面40年一遇洪水周期下洪水的模拟水位线低于堤防高度，而60年和100年一遇周期下洪水的模拟水位线高于堤防高度。因此，2号横断面右岸堤防能够抵挡40年一遇的洪水，而在60年和100年一遇的洪水周期下则发生漫顶现象，对河流右岸产生影响。

图3 1号和2号横断面在40年、60年及100年一遇洪水周期下的模拟水位线Fig.3 The simulated water levels of No.1 and No.2 cross-section under floods once in 40 years，60 years and 100 years

4.2 河段的全程纵剖面

全程纵剖面包含了堤顶高程、河底高程、滩地高程及水位线在水平方向的位置情况，它能有效地说明是否有漫顶现象发生。当水位线低于堤顶高程时，不会发生漫顶；反之，当水位线高于堤顶高程时，则发生漫顶。淮河淮南段的河段1、河段2全程纵剖面如图4所示。

图4中，从上往下不同的线分别代表：右岸堤防堤顶高程、100年一遇的模拟水位线、60年一遇的模拟水位线、40年一遇的模拟水位线、左岸堤防堤顶高程，2条虚线分别代表左岸滩地和右岸滩地的纵剖面及河底高程的纵剖面。

由图4（a）可得，对于河段1而言，右岸堤顶高程高于40年、60年、100年一遇洪水的模拟水位线。因此，河段1不会发生漫顶，对河流右岸没有影响。

由图4（b）可得，在河段2的起始2 000 m内，右岸堤顶高程高于40年一遇洪水的模拟水位线，但是低于60年、100年一遇洪水的模拟水位线，因此，对于40年一遇的洪水不会发生漫顶，而对于60年和100年一遇的洪水会发生漫顶；在河段2的3 000～14 000 m内，右岸堤顶高程高于40年、60年、100年一遇的模拟水位线，此时不会发生漫顶，对河流右岸没有影响。

图4 淮河淮南段的河段1和河段2全程纵剖面Fig.4 The entire longitudinal profiles of No.1 and No.2 river reach in Huainan reach of Huai River

图5 淮河淮南段发生洪水淹没示意图Fig.5 The flood inundation in Huainan reach of Huai River

表3 淮河淮南段境内各节点设计洪水水位与模拟值的对照Table 3 Comparison between designed flood level and simulated level of each node in Huainan reach of Huai River

4.3 二维漫顶洪水淹没图

在GIS环境中，通过GeoRAS模块将由HECRAS软件模拟出的数据导入到淮南市的DEM地形图中，生成不同洪水周期下的二维漫顶洪水淹没示意图，如图5所示。

模拟可知，在40年、60年、100年一遇洪水周期下，河段2与河段4，5，6所围区域内的行洪区被淹没。对于40年一遇的洪水，河段3右岸行洪区仅有少量被水淹没；对于60年一遇的洪水，河段3右岸行洪区的少部分被水淹没；对于100年一遇的洪水，河段3右岸行洪区绝大部分被水淹没。

从二维漫顶洪水淹没的模拟图来看，40年和60年一遇的洪水都出现漫顶现象，只是溢流出来的水都泄流到行洪区中，因此淮河淮南段能够抵御40年、60年一遇的洪水。然而，对于100年一遇的洪水，除了漫顶淹没行洪区外，由于袁郢孜地段（图5（c）中的a点）位于行洪区的边缘地带，而且地势比较低，造成洪水从该地区直接流入淮南市区，因此，袁郢孜地段需加强堤坝修筑或填高。

4.4 节点设计水位与模拟水位

将软件模拟出的40年、60年、100年一遇洪水周期下的横断面水位线与《淮南市防洪规划》中给出的淮河淮南段境内40年一遇洪水周期下各节点的设计水位对照所得统计结果，如表3所示。

由表3可知，以设计水位为基准，前5个节点的40年一遇的模拟水位与设计水位吻合度较高，而后5个节点这2个值之间差异越来越大。

出现这一现象的原因，分析有三点：一是缺乏详细的河道地形数据，河道的地形数据是在已知河道中心线河底高程的基础上合理假设给出的，其中部分区域或个别横断面的数据与真实值之间可能存在较大的误差；二是《淮南市城市防洪规划》中规定了境内各个站点的40年一遇的设计流量，而没有规定各个河段分配的设计流量，即在已知总的设计流量的情况下，没有给定干流和支流所分配的流量；三是边界条件、各种系数（如Manning系数、扩张系数等）对模拟结果也有一定影响。

5 结 论

本文通过HEC-RAS软件和HEC-GeoRAS模块，在GIS环境中，模拟现有条件下淮河淮南段在40年、60年及100年一遇洪水周期下，河道各个横断面的模拟水位线、各个河段的全程纵剖面图，能够直观地反应是否有漫顶现象发生。在GIS中实现不同洪水周期下的二维洪水淹没图，得到洪水淹没的范围及水深数据。模拟结果表明，淮河淮南段的防洪堤能够抵御40年、60年一遇的洪水；基本能抵抗100年一遇的洪水，但需要对袁郢孜地段加强堤坝修筑或填高，防止洪水从袁郢孜流出倾入市区。

将不同周期下洪水的模拟水位与《淮南市城市防洪规划》中规定的40年一遇洪水周期下淮河淮南段境内各个节点设计洪水水位相比较可知，模拟水位和设计水位吻合度高，模拟结果真实可信，可为城市防洪预警、制定人员疏散方案以及洪水灾害损失评估等方面提供依据。

［1］ 叶义华.城市防灾工程［M］.北京：冶金工业出版社，1999.（YE Yi-hua.Urban Disaster Prevention［M］.Beijing：Metallurgical Industry Press，1999.（in Chinese））

［2］ 徐 伟.城市洪水灾害的模拟及风险管理对策的研究——以淮南市为例［D］.天津：南开大学，2010.（XUWei.Simulation of Urban Flood Disaster and Research on Measures of Risk Management：Take Huainan City as an Example［D］.Tianjin：Nankai University，2010.（in Chinese））

［3］ 李天文，吴 琳，曹 颖.基于渭河下游DEM的洪水淹没分析与模拟［J］.水土保持通报，2005，25（4）：53－56.（LI Tian-wen，WU Lin，CAO Ying.Flood A-nalysis and Simulation of Lower Reaches of Weihe River Based on DEM［J］.Bulletin of Soil and Water Conservation，2005，25（4）：53－56.（in Chinese））

［4］ 苏布达，姜 彤，郭业友.基于GIS栅格数据的洪水风险动态模拟模型及其应用［J］.河海大学学报，2005，33（4）：370－374.（SU Bu-da，JIANG Tong，GUO Ye-you.GIS Raster Data-based Dynamic Flood Risk Simulation Model and Its Application［J］.Journal of Hohai University，2005，33（4）：370－374.（in Chinese））

［5］ HORRITTM S，BATESPD.Evaluation of 1-D and 2-D Numerical Models for Predicting River Flood Inundation［J］.Journal of Hydrology，2002，268（1－4）：87－99.

［6］ BATESA P D，DE ROO A P J.A Simple Raster-Based Model for Flood Inundation Simulation［J］.Journal of Hydrology，2000，236（1－2）：54－77.

［7］ Hydraulic Engineering Center of USACE.HEC-RAS：River Analysis System User’s Manual Version 4.0［M］.Davis CA：USArmy Corps of Engineers，2008.

［8］ Hydraulic Engineering Center of USACE.HEC-RAS：River Analysis System Hydraulic Reference Manual Version 4.0［M］.Davis CA：USArmy Corps of Engineers，2008.

［9］ 安徽省水利水电勘测设计院.淮南市城市防洪规划［R］.安徽淮南：淮南市水利局规划设计室.1995.（Anhui Provincial Survey＆Design Institute of Water Conservancy and Hydropower.Urban Flood Control Planning of Huainan City［R］.Huainan：Planning and Designing Department of Huainan Water Resources Bureau.1995.（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

HEC-RAS for Risk Analysis of Flood Overtopping Inundation in Huainan Reach of Huai River

XUWei1，2，LIU Mao1，YANG Jie1，LIChun-zhi2，SHANG Xiao-juan3
（1.Research Center on Urban Public Safety，Nankai University，Tianjin 300071，China；2.No.2 Construction Company of China Petroleum Pipeline Bureau，Xuzhou 221008，China；3.School of Life Sciences，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

There are a large number of people，factories，farmlands and buildings in Huainan area，the south part of Huai River.Big floodswill severely endanger people’s life and property.In this paper，HEC-RAS software andHEC-GeoRASmodule are employed in GIS to simulate the flood overtopping inundation in Huainan reach of Huai River under the existing flood protection works during floods once in 40，60，and 100 years respectively.The designed water level of different cross-sections，the overtopping inundation area，and the inundation depth data are obtained.The simulationmanifested that the flood protection works in this reach are capable of handling floods once in 40 and 60 years，and can generally withstand floods once in 100 years.The simulated water level is consistent with the designed level.Therefore it is concluded that it is reasonable and credible to use HEC-RAS to simulate flood overtopping，and thereby providing reference for the early warning，the population evacuation planning，as well as flood disaster risk analysis.

HEC-RAS；Huai River；flood；overtopping；risk analysis

TV122.3

A

1001－5485（2011）07－0013－06

2010-09-03

国家科技支撑计划课题（200603746006）；国家自然科学基金项目（70833003）

徐 伟（1985-），男，江苏淮安人，硕士研究生，主要从事城市公共安全研究，（电话）13615108319（电子信箱）xuwei198500＠163.com。