基于BIM+GIS技術(shù)的前坪水庫(kù)潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬

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(kù)汛期防洪及水庫(kù)下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全，以河南省汝陽(yáng)縣前坪水庫(kù)為例，基于庫(kù)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(kù)潰壩一維、二維耦合數(shù)值模型，模擬水庫(kù)大壩在5 000 a一遇校核洪水位下潰壩及洪水下泄過(guò)程，計(jì)算水庫(kù)潰口流量過(guò)程及潰決后洪水在下游的演進(jìn)過(guò)程，獲得水庫(kù)下游淹沒(méi)區(qū)范圍、淹沒(méi)區(qū)流態(tài)等洪水風(fēng)險(xiǎn)信息。結(jié)果表明：大壩潰口流量過(guò)程與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(jìn)風(fēng)險(xiǎn)特征，計(jì)算結(jié)果較為合理，三維洪水演進(jìn)過(guò)程直觀準(zhǔn)確。

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

中圖分類號(hào)：TV122+.4 文獻(xiàn)標(biāo)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(kù)潰壩洪水?dāng)?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(kù)大壩汛期存在潰壩風(fēng)險(xiǎn)，潰壩洪水過(guò)程及潰壩后對(duì)下游產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)已成為水庫(kù)災(zāi)害研究的重要內(nèi)容。目前我國(guó)已建水庫(kù)大壩中，土石壩數(shù)量眾多，且失事率高[1]，進(jìn)行土石壩潰壩洪水問(wèn)題研究，為水庫(kù)汛期制定防洪應(yīng)急預(yù)案、風(fēng)險(xiǎn)分析等提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)于防洪減災(zāi)具有重要意義。

關(guān)于潰壩洪水的研究，1871年法國(guó)科學(xué)家圣維南提出了圣維南方程組，奠定了潰壩洪水理論計(jì)算的基礎(chǔ)[2-3];1892年Ritter得出了矩形斷面瞬時(shí)全潰的Ritter解[4];我國(guó)于20世紀(jì)70年代開(kāi)始系統(tǒng)研究潰壩洪水[5]，1993年謝任之從理論上推導(dǎo)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(jī)理[7];2008年隆文非等基于瞬時(shí)全潰等模型進(jìn)行了潰壩洪水研究[8];2012年沈洋等以金牛山水庫(kù)為例計(jì)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(jìn)規(guī)律[10];近年來(lái)DAMBRK、BREACH、DHI等潰壩計(jì)算模型的開(kāi)發(fā)，為水庫(kù)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(jìn)行深度融合，應(yīng)用于前坪水庫(kù)工程潰壩洪水分析中，實(shí)現(xiàn)洪水演進(jìn)過(guò)程的二、三維分析與展示。

1 工程概況

前坪水庫(kù)位于沙潁河支流北汝河上游、洛陽(yáng)市汝陽(yáng)縣縣城以西9 km的前坪村，該水庫(kù)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(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容5.84億m3，最大壩高90.3 m，控制流域面積1 325 km2，水庫(kù)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(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)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(guò)程線進(jìn)行前坪水庫(kù)潰壩洪水計(jì)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(jìn)控制方程[14-16]如下：

2.3 一、二維耦合模型

為準(zhǔn)確反映水庫(kù)上游一維河道與下游二維淹沒(méi)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(jì)算準(zhǔn)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(jì)算得出的潰口流量過(guò)程作為二維模型的上邊界條件，確保一、二維模型計(jì)算連續(xù)。

3 計(jì)算方法及范圍

基于BIM+GIS技術(shù)構(gòu)建前坪水庫(kù)一、二維耦合模型計(jì)算潰壩洪水過(guò)程，具體方法與步驟如下：①收集水庫(kù)工程基礎(chǔ)資料，構(gòu)建各建筑物BIM模型，采用GIS技術(shù)進(jìn)行建筑物地基開(kāi)挖和河道擴(kuò)挖，得到三維地形模型，搭建水庫(kù)三維場(chǎng)景;②構(gòu)建前坪水庫(kù)上游北汝河一維河道水力學(xué)模型，采用典型洪水過(guò)程線計(jì)算得到河道內(nèi)洪水演進(jìn)情況和潰壩后潰口洪水的流量過(guò)程;③根據(jù)所求潰口流量過(guò)程，設(shè)置MIKE21模型邊界條件及計(jì)算參數(shù);④利用MIKE21模擬潰壩洪水在下游的淹沒(méi)演進(jìn)過(guò)程，結(jié)合水庫(kù)三維場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)下游淹沒(méi)區(qū)范圍、水流流態(tài)等風(fēng)險(xiǎn)要素的分析和直觀查詢。

為確保前坪水庫(kù)潰壩洪水模擬準(zhǔn)確，劃定模型計(jì)算范圍為：一維模型為前坪水庫(kù)壩址斷面至上游河道約20 km斷面處，二維模型為水庫(kù)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(kāi)發(fā)的MicroStation、AECOsim Building Designer等軟件在PW協(xié)同平臺(tái)上進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)，得到水庫(kù)各建筑物精確BIM模型，如圖1所示。

利用GIS技術(shù)對(duì)水庫(kù)地形圖、局部無(wú)人機(jī)航測(cè)圖以及水庫(kù)周邊大范圍的公共DEM數(shù)據(jù)等空間地理數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與整合，并以BIM模型為基礎(chǔ)，對(duì)各建筑物進(jìn)行地基開(kāi)挖和河道擴(kuò)挖，得到開(kāi)挖后的精準(zhǔn)地形模型，并與實(shí)景模型融合，搭建直觀的水庫(kù)工程三維可視化場(chǎng)景。

5 潰壩模型構(gòu)建及計(jì)算

5.1 一維模型

（1）構(gòu)建河網(wǎng)文件。在計(jì)算模型劃定范圍內(nèi)，通過(guò)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(dǎo)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(jìn)行潰壩洪水過(guò)程模擬，當(dāng)水位到達(dá)設(shè)計(jì)洪水位418.36 m時(shí)潰壩開(kāi)始。

水庫(kù)潰口寬度采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[18]：

式中：b為潰口寬度，m;W為潰壩時(shí)蓄水量，m3;B為壩頂長(zhǎng)，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(kù)大壩實(shí)際尺寸，計(jì)算的大壩潰口寬度約為182 m，潰口深度約為70 m，潰決歷時(shí)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(guò)GIS技術(shù)對(duì)DEM數(shù)據(jù)剖切獲得。獲得各斷面離散點(diǎn)高程數(shù)據(jù)后，通過(guò)自編斷面生成工具批量生成河道斷面，并根據(jù)實(shí)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(jì)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(dòng)力學(xué)模型上邊界條件為1982年典型洪水過(guò)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(dòng)，模型中初始水位和流量的取值盡可能與實(shí)際條件一致，也可設(shè)定為接近0，讓模型自行迭代計(jì)算，本次研究初始流量設(shè)定為0.1 m3/s，水位設(shè)定為計(jì)算開(kāi)始時(shí)的庫(kù)水位。糙率是水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的重要參數(shù)，根據(jù)《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》[20]和《河南省前坪水庫(kù)工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，前坪水庫(kù)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(dòng)力模型，模擬方式為非恒定流，通過(guò)模擬文件編輯器把相關(guān)文件鏈接起來(lái)，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)經(jīng)試算調(diào)整為固定時(shí)間5 s時(shí)模型可穩(wěn)定收斂，輸出結(jié)果時(shí)間步長(zhǎng)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(kù)下游河道長(zhǎng)約30 km、面積約300 km2作為下游淹沒(méi)演進(jìn)計(jì)算范圍?？紤]到潰壩瞬時(shí)流量較大，為滿足模型計(jì)算精度要求，計(jì)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(duì)于潰口區(qū)域、堤防、地形變化較大等部分區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密，保證水流平滑過(guò)渡、計(jì)算穩(wěn)定，本次計(jì)算區(qū)域共剖分網(wǎng)格1.2萬(wàn)個(gè)。

（2）地形高程整理與插值。對(duì)計(jì)算范圍進(jìn)行網(wǎng)格剖分后，采用1∶10 000比例尺的DEM高程數(shù)據(jù)對(duì)剖分網(wǎng)格進(jìn)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(guò)潰口流量過(guò)程進(jìn)行耦合連接，連接寬度為潰口寬度;二維模型淹沒(méi)演進(jìn)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(kù)下游計(jì)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(duì)洪水演進(jìn)有明顯影響。本次二維計(jì)算模型構(gòu)建時(shí)，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(jì)算范圍。

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

6 結(jié)果分析

6.1 潰口流量過(guò)程

前坪水庫(kù)主壩為土石壩，當(dāng)寬度方向部分潰決時(shí)，潰壩最大流量Qmax可采用經(jīng)驗(yàn)公式[21]計(jì)算：

式中：h0為決口處水深;B為壩頂長(zhǎng)。

結(jié)合大壩實(shí)際尺寸，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的潰壩峰值流量為99 859 m3/s，采用一維模型計(jì)算的潰口，最大流量為111 963 m3/s，較經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值大，計(jì)算潰口流量從0發(fā)展到最大用時(shí)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(jì)算潰口流量時(shí)考慮水庫(kù)上游河道形式變化及水庫(kù)庫(kù)容更能反映大壩實(shí)際潰口流量過(guò)程，因此采用該模型計(jì)算較為合適。

6.2 下游洪水演進(jìn)過(guò)程

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

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

分析圖3、圖4可知，模型在不同時(shí)刻的洪水演進(jìn)及洪水淹沒(méi)區(qū)范圍變化符合實(shí)際，計(jì)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(shí)際洪水下泄情況相符，當(dāng)洪水下泄過(guò)程中遇到阻水建筑物時(shí)流向、流速會(huì)發(fā)生變化。圖5反映了洪水下泄時(shí)遭遇阻水建筑物的流態(tài)變化情況，流場(chǎng)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(shí)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(jì)算結(jié)果根據(jù)水深、流速等特性進(jìn)行渲染和三維可視化展示，可直觀查看下游潰壩洪水演進(jìn)過(guò)程、村鎮(zhèn)淹沒(méi)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(kù)潰壩洪水計(jì)算模型，模擬了前坪水庫(kù)大壩潰口潰決過(guò)程及洪水演進(jìn)過(guò)程，通過(guò)對(duì)潰口流量過(guò)程、下游洪水演進(jìn)、淹沒(méi)區(qū)流態(tài)等進(jìn)行分析，驗(yàn)證了潰壩模型構(gòu)建的合理性。

（2）水庫(kù)潰壩洪水對(duì)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(duì)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(duì)下游局部地段水流的引導(dǎo)，并對(duì)下游重點(diǎn)河段進(jìn)行疏浚清淤、堤防加高等處理，局部河段適度拓寬，以提高過(guò)流能力、降低洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）基于BIM技術(shù)的三維設(shè)計(jì)和GIS技術(shù)的時(shí)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(jì)算精度和展示效果。將潰壩洪水淹沒(méi)演進(jìn)過(guò)程在二、三維場(chǎng)景中直觀展現(xiàn)，對(duì)于水庫(kù)防洪決策、制定庫(kù)區(qū)下游群眾避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移方案等具有重要指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉寧.國(guó)內(nèi)外大壩失事分析研究[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2001：1-14.

[2] 劉林，常福宣，肖長(zhǎng)偉，等.潰壩洪水研究進(jìn)展[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2016，33（6）：29-35.

[3] 王立輝，胡四一.潰壩問(wèn)題研究綜述[J].水利水電科技進(jìn)展，2007，27（1）：80-85.

[4] 李煒.水力計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006：434-461.

[5] 林秉南，龔振瀛，王連祥.突泄壩址過(guò)程線簡(jiǎn)化分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，1980，20（1）：17-31.

[6] 謝任之.潰壩水力學(xué)[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1993：15-73.

[7] 朱勇輝，廖鴻志，吳中如.國(guó)外土壩潰壩模擬綜述[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2003，20（4）：26-29.

[8] 隆文非，張新華，黃金池，等.水庫(kù)潰壩洪水預(yù)測(cè)方法研究及應(yīng)用[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，40（1）：21-26.

[9] 沈洋，王佳妮.基于MIKE軟件的潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬[J].水電能源科學(xué)，2012，30（6）：56-58.

[10] 魏紅艷.均質(zhì)土堤漫溢潰決過(guò)程試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬技術(shù)[D].武漢：武漢大學(xué)，2014：54-87.

[11] 吳秀山.不同潰決模式下冰湖潰壩洪水演進(jìn)模擬[D].杭州：浙江大學(xué)，2014：9-16.

[12] 姜世俊.土石壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[D].南昌：南昌大學(xué)，2012：27-28.

[13] 田福昌，張興源，苑希民.潰堤山洪淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估水動(dòng)力耦合模型及應(yīng)用[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2018，29（4）：127-131.

[14] 董建良，吳歡強(qiáng)，傅瓊?cè)A.油羅口水庫(kù)潰壩洪水計(jì)算與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].南水北調(diào)與水利科技，2014，12（6）：189-191.

[15] 郜國(guó)明，李書(shū)霞，郭曉明，等.黃河濮陽(yáng)段防洪保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)分析[J].人民黃河，2018，40（8）：36-43.

[16] 任海.潰壩洪水演進(jìn)數(shù)值模擬分析研究[D].天津：天津大學(xué)，2012：8-12.

[17] 黃萍，雷文韜，李德龍，等.MIKE21模型在南新聯(lián)圩洪水模擬中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江，2017，48（17）：1-5.

[18] 可友國(guó)，雷宏軍，王永高，等.尖崗水庫(kù)潰壩洪水計(jì)算與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].人民黃河，2008，30（7）：36-37.

[19] 周興波，陳祖煜，陳淑婧，等.基于MIKE11的堰塞壩潰決過(guò)程數(shù)值模擬[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，14（6）：23-27.

[20] 中華人民共和國(guó)水利部.洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則：SL483—2017[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2017：8-9.

[21] 王欣，王瑋琦，黃國(guó)如.基于MIKE FLOOD的城區(qū)潰壩洪水模擬研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2017（5）：67-73.

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