李政鵬 皇甫英杰 李宜倫 應(yīng)越紅 皇甫澤華

摘 要：為確保水庫汛期防洪及水庫下游人民生命財產(chǎn)安全，以河南省汝陽縣前坪水庫為例，基于庫區(qū)高精度地形圖和DEM，采用BIM技術(shù)、GIS技術(shù)結(jié)合MIKE軟件建立水庫潰壩一維、二維耦合數(shù)值模型，模擬水庫大壩在5 000 a一遇校核洪水位下潰壩及洪水下泄過程，計算水庫潰口流量過程及潰決后洪水在下游的演進過程，獲得水庫下游淹沒區(qū)范圍、淹沒區(qū)流態(tài)等洪水風險信息。結(jié)果表明：大壩潰口流量過程與經(jīng)驗公式計算結(jié)果較吻合，數(shù)值模型可有效模擬潰壩后洪水下游演進風險特征，計算結(jié)果較為合理，三維洪水演進過程直觀準確。

關(guān)鍵詞：MIKE;BIM技術(shù);GIS技術(shù);潰壩洪水;潰口流量過程;淹沒范圍;前坪水庫

中圖分類號：TV122+.4 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.031

引用格式：李政鵬，皇甫英杰，應(yīng)越紅，等.基于BIM+GIS技術(shù)的前坪水庫潰壩洪水數(shù)值模擬[J].人民黃河，2021，43（4）：160-164.

Abstract： In order to ensure the flood control safety of reservoirs and the safety of peoples lives and property of the downstream of reservoirs during flood season， the Qianping Reservoir in Ruyang Country Henan Province was taken as an example， based on the high-precision topographic map and DEM， BIM technology and GIS technology were used with MIKE software to establish one-dimensional and two-dimensional coupled numerical model of the reservoir dam-break， dam break and flood discharge process of the reservoir was simulated under the condition of checking flood level in 5 000-year flood frequency， the process of reservoir dam break and the downstream evolution of flood after collapse was simulated and the risk information was obtained， such as the extent of the inundation area downstream of the reservoir and the fluid state of the inundation area. The results show that the flow process of dam is in good agreement with the calculated results of empirical formula， the risk characteristics of downstream flood routing after dam break can be effectively simulated， the calculated results are reasonable and the three-dimensional flood routing process is intuitive and accurate.

Key words： MIKE; BIM technology; GIS technology; dam break flood; dam break flow process; submerged area; Qianping Reservoir

水庫大壩汛期存在潰壩風險，潰壩洪水過程及潰壩后對下游產(chǎn)生的風險已成為水庫災害研究的重要內(nèi)容。目前我國已建水庫大壩中，土石壩數(shù)量眾多，且失事率高[1]，進行土石壩潰壩洪水問題研究，為水庫汛期制定防洪應(yīng)急預案、風險分析等提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)，對于防洪減災具有重要意義。

關(guān)于潰壩洪水的研究，1871年法國科學家圣維南提出了圣維南方程組，奠定了潰壩洪水理論計算的基礎(chǔ)[2-3];1892年Ritter得出了矩形斷面瞬時全潰的Ritter解[4];我國于20世紀70年代開始系統(tǒng)研究潰壩洪水[5]，1993年謝任之從理論上推導了大壩瞬間全潰壩址最大流量的統(tǒng)一公式[6];2003年朱勇輝等介紹了土壩潰決機理[7];2008年隆文非等基于瞬時全潰等模型進行了潰壩洪水研究[8];2012年沈洋等以金牛山水庫為例計算分析了潰壩洪水[9];2014年魏紅艷采用Roe方法研究了洪水潰決演進規(guī)律[10];近年來DAMBRK、BREACH、DHI等潰壩計算模型的開發(fā)，為水庫潰壩洪水的數(shù)值模擬提供了便利[11]。

本文基于前述潰壩模型研究，將BIM、GIS技術(shù)與潰壩洪水模型進行深度融合，應(yīng)用于前坪水庫工程潰壩洪水分析中，實現(xiàn)洪水演進過程的二、三維分析與展示。

1 工程概況

前坪水庫位于沙潁河支流北汝河上游、洛陽市汝陽縣縣城以西9 km的前坪村，該水庫是以防洪為主，結(jié)合灌溉、供水，兼顧發(fā)電效益的大（2）型水庫，水庫總庫容5.84億m3，最大壩高90.3 m，控制流域面積1 325 km2，水庫主要建筑物包括主壩、副壩、溢洪道、泄洪洞、電站等，主壩為黏土心墻沙礫（卵）石壩。

前坪水庫設(shè)計洪水標準為500 a一遇，校核洪水標準為5 000 a一遇，考慮不利工況下的大壩潰決影響，潰壩洪水選取5 000 a一遇校核洪水，采用1982年典型洪水過程線進行前坪水庫潰壩洪水計算。

2 控制方程

2.1 MIKE11控制方程

MIKE11洪水控制方程為圣維南方程組[12-13]，控制方程如下：

2.2 MIKE21控制方程

MIKE21洪水演進控制方程[14-16]如下：

2.3 一、二維耦合模型

為準確反映水庫上游一維河道與下游二維淹沒范圍間的相互關(guān)系，構(gòu)建潰壩洪水一、二維耦合模型[17]。為確保模型計算準確，模型耦合斷面處的各水力要素值應(yīng)保持一致，本次數(shù)值模擬將一維模型計算得出的潰口流量過程作為二維模型的上邊界條件，確保一、二維模型計算連續(xù)。

3 計算方法及范圍

基于BIM+GIS技術(shù)構(gòu)建前坪水庫一、二維耦合模型計算潰壩洪水過程，具體方法與步驟如下：①收集水庫工程基礎(chǔ)資料，構(gòu)建各建筑物BIM模型，采用GIS技術(shù)進行建筑物地基開挖和河道擴挖，得到三維地形模型，搭建水庫三維場景;②構(gòu)建前坪水庫上游北汝河一維河道水力學模型，采用典型洪水過程線計算得到河道內(nèi)洪水演進情況和潰壩后潰口洪水的流量過程;③根據(jù)所求潰口流量過程，設(shè)置MIKE21模型邊界條件及計算參數(shù);④利用MIKE21模擬潰壩洪水在下游的淹沒演進過程，結(jié)合水庫三維場景實現(xiàn)庫區(qū)下游淹沒區(qū)范圍、水流流態(tài)等風險要素的分析和直觀查詢。

為確保前坪水庫潰壩洪水模擬準確，劃定模型計算范圍為：一維模型為前坪水庫壩址斷面至上游河道約20 km斷面處，二維模型為水庫壩址斷面至下游河道約30 km斷面處。

4 BIM模型構(gòu)建

采用Bentley公司開發(fā)的MicroStation、AECOsim Building Designer等軟件在PW協(xié)同平臺上進行三維協(xié)同設(shè)計，得到水庫各建筑物精確BIM模型，如圖1所示。

利用GIS技術(shù)對水庫地形圖、局部無人機航測圖以及水庫周邊大范圍的公共DEM數(shù)據(jù)等空間地理數(shù)據(jù)進行處理與整合，并以BIM模型為基礎(chǔ)，對各建筑物進行地基開挖和河道擴挖，得到開挖后的精準地形模型，并與實景模型融合，搭建直觀的水庫工程三維可視化場景。

5 潰壩模型構(gòu)建及計算

5.1 一維模型

（1）構(gòu)建河網(wǎng)文件。在計算模型劃定范圍內(nèi)，通過1∶5 000矢量圖層提取上下游干流、重要支流、攔河閘等圖層文件，導入MIKE11軟件并布置潰口、閘等相應(yīng)建筑物，構(gòu)建河網(wǎng)文件。采用MIKE11 DB模塊中的能量方程法進行潰壩洪水過程模擬，當水位到達設(shè)計洪水位418.36 m時潰壩開始。

水庫潰口寬度采用經(jīng)驗公式計算[18]：

式中：b為潰口寬度，m;W為潰壩時蓄水量，m3;B為壩頂長，m;H為壩前水深，m;K為與壩體土質(zhì)相關(guān)的系數(shù)。

根據(jù)前坪水庫大壩實際尺寸，計算的大壩潰口寬度約為182 m，潰口深度約為70 m，潰決歷時取0.5 h。潰口位置定為主河槽壩段，潰口形狀由潰口底部高程、寬度和邊坡系數(shù)等確定[19]。

（2）構(gòu)建河道斷面文件。河道斷面數(shù)據(jù)通過GIS技術(shù)對DEM數(shù)據(jù)剖切獲得。獲得各斷面離散點高程數(shù)據(jù)后，通過自編斷面生成工具批量生成河道斷面，并根據(jù)實際情況修正河道堤防邊界，防止河道內(nèi)水溢出，為保證模型計算精度，河道斷面間距約取500 m。

（3）設(shè)置邊界文件。一維水動力學模型上邊界條件為1982年典型洪水過程線，下邊界為壩址斷面下游約30 km處斷面，控制條件為斷面流速，約為1.5 m/s。

（4）設(shè)置參數(shù)文件。為保證模型平穩(wěn)啟動，模型中初始水位和流量的取值盡可能與實際條件一致，也可設(shè)定為接近0，讓模型自行迭代計算，本次研究初始流量設(shè)定為0.1 m3/s，水位設(shè)定為計算開始時的庫水位。糙率是水動力學模型計算的重要參數(shù)，根據(jù)《洪水風險圖編制導則》[20]和《河南省前坪水庫工程初步設(shè)計報告》，前坪水庫壩址上游范圍內(nèi)河道主槽的糙率為0.034 8，邊灘的糙率為0.045 2。

（5）設(shè)置模擬文件。模擬類型選擇水動力模型，模擬方式為非恒定流，通過模擬文件編輯器把相關(guān)文件鏈接起來，計算時間步長經(jīng)試算調(diào)整為固定時間5 s時模型可穩(wěn)定收斂，輸出結(jié)果時間步長取5 s，并將其作為二維模型潰口流量的邊界條件。

5.2 二維模型

（1）網(wǎng)格剖分。選擇前坪水庫下游河道長約30 km、面積約300 km2作為下游淹沒演進計算范圍?？紤]到潰壩瞬時流量較大，為滿足模型計算精度要求，計算區(qū)域采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格，最大網(wǎng)格面積不大于0.03 km2，對于潰口區(qū)域、堤防、地形變化較大等部分區(qū)域計算網(wǎng)格進行適當加密，保證水流平滑過渡、計算穩(wěn)定，本次計算區(qū)域共剖分網(wǎng)格1.2萬個。

（2）地形高程整理與插值。對計算范圍進行網(wǎng)格剖分后，采用1∶10 000比例尺的DEM高程數(shù)據(jù)對剖分網(wǎng)格進行高程插值，插值得到的地形云圖如圖2所示。

（3）設(shè)置邊界條件。潰口位置設(shè)置為入流邊界條件，與一維模型通過潰口流量過程進行耦合連接，連接寬度為潰口寬度;二維模型淹沒演進末端主河道斷面設(shè)置為定流速出流邊界條件，流速設(shè)為1.5 m/s，寬度為主河槽寬度;模型其余邊界為閉邊界條件。

（4）布置公路、鐵路等阻水地物。水庫下游計算區(qū)域內(nèi)分布有堤防、鐵路、公路、橋梁等阻水建筑物，若其高于地面0.5 m以上，則對洪水演進有明顯影響。本次二維計算模型構(gòu)建時，將243省道、325省道與二廣高速公路（含2座橋梁）及北汝河10余條堤防均納入計算范圍。

（5）設(shè)置計算參數(shù)。①糙率。在二維模型中可以設(shè)定每個網(wǎng)格取不同的糙率值，也可統(tǒng)一設(shè)定為一個固定的糙率值。本次在模型計算中，綜合考慮計算區(qū)域地形地貌、植被情況等，按統(tǒng)一糙率進行計算，結(jié)合《洪水風險圖編制導則》[20]，糙率取0.04。②計算時間和步長。二維模型計算時間保持與一維模型相同，確保模型計算連續(xù)、穩(wěn)定。計算時間步長根據(jù)模型計算精度和收斂的需要確定，經(jīng)調(diào)試模型，計算時間步長采用0.01～1 s的可變時間步長，邊界條件輸入步長為5 s。③干濕邊界。模型中干水深、浸沒水深和濕水深分別取0.005、0.050、0.100 m，確保模型計算連續(xù)、穩(wěn)定。

6 結(jié)果分析

6.1 潰口流量過程

前坪水庫主壩為土石壩，當寬度方向部分潰決時，潰壩最大流量Qmax可采用經(jīng)驗公式[21]計算：

式中：h0為決口處水深;B為壩頂長。

結(jié)合大壩實際尺寸，采用經(jīng)驗公式計算的潰壩峰值流量為99 859 m3/s，采用一維模型計算的潰口，最大流量為111 963 m3/s，較經(jīng)驗公式計算值大，計算潰口流量從0發(fā)展到最大用時27 min，與假定的0.5 h基本吻合。采用MIKE軟件一、二維耦合模型計算潰口流量時考慮水庫上游河道形式變化及水庫庫容更能反映大壩實際潰口流量過程，因此采用該模型計算較為合適。

6.2 下游洪水演進過程

前坪水庫下游淹沒范圍內(nèi)地形高程總體沿北汝河河道流向呈下降趨勢，故潰壩后洪水呈現(xiàn)在壩址附近積蓄后向下游河道演進，潰壩發(fā)生2 min后距壩址約1 km的上店鎮(zhèn)被淹沒，潰壩發(fā)生38 min后距壩址約9 km的汝陽縣城被淹沒，最大淹沒水深超過10 m。

潰壩洪水演進在不同時刻符合水力學規(guī)律，隨著潰口處流量逐步減小或不再出流后，地勢較高的區(qū)域淹沒水深逐步減小，而地勢較低的區(qū)域，在潰口流量減小或不再出流時，洪水聚集水深還將增大。

分析圖3、圖4可知，模型在不同時刻的洪水演進及洪水淹沒區(qū)范圍變化符合實際，計算模型合理。

6.3 下游洪水流態(tài)

MIKE軟件二維模型中布置了堤防、橋等阻水建筑物以確保與實際洪水下泄情況相符，當洪水下泄過程中遇到阻水建筑物時流向、流速會發(fā)生變化。圖5反映了洪水下泄時遭遇阻水建筑物的流態(tài)變化情況，流場與阻水建筑物位置、地形起伏情況相匹配，且有一定規(guī)律性，與實際情況較符合。

6.4 洪水模擬結(jié)果三維展示

將潰壩洪水計算結(jié)果根據(jù)水深、流速等特性進行渲染和三維可視化展示，可直觀查看下游潰壩洪水演進過程、村鎮(zhèn)淹沒具體情況等。

7 結(jié) 論

（1）采用BIM技術(shù)、GIS技術(shù)、MIKE軟件構(gòu)建了水庫潰壩洪水計算模型，模擬了前坪水庫大壩潰口潰決過程及洪水演進過程，通過對潰口流量過程、下游洪水演進、淹沒區(qū)流態(tài)等進行分析，驗證了潰壩模型構(gòu)建的合理性。

（2）水庫潰壩洪水對下游影響范圍較大，特別是潰口附近、河道半徑較小和比降較大的地區(qū)，潰壩洪水可能對村莊、河道堤防等造成較大的沖擊，因此在汛期應(yīng)提早防范，做好對下游局部地段水流的引導，并對下游重點河段進行疏浚清淤、堤防加高等處理，局部河段適度拓寬，以提高過流能力、降低洪災風險。

（3）基于BIM技術(shù)的三維設(shè)計和GIS技術(shù)的時空數(shù)據(jù)分析處理，與潰壩洪水模型深度技術(shù)融合，提高了模型計算精度和展示效果。將潰壩洪水淹沒演進過程在二、三維場景中直觀展現(xiàn)，對于水庫防洪決策、制定庫區(qū)下游群眾避險轉(zhuǎn)移方案等具有重要指導意義。

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【責任編輯 張華巖】