基于HEC-RAS的丹江古洪水水文学恢复研究6300字
基于HEC-RAS的丹江古洪水水文学恢复研究6300字 丹江是汉江第一大支流，丹江流域面积16 812 km2，占丹江口水库以上流域 面积的18%，是国家南水北调中线工程水源地的主要汇流区。全球气候变化影响 了秦岭南北两侧水资源的时间密集和空间集聚，引发了河流洪灾频繁发生[1]。丹江流域处于暖温带与北亚热带气候的过渡带，频繁发生的暴雨洪水灾害使得出 现了洪水调度管理不善的问题[2]。而丹江实测水文数据仅仅数十年，需要长尺 度、超长尺度洪水资料为水利、道路、桥梁工程的设计洪水提供基础数据。古洪 水水研究克服了河流实测资料有限、历史洪水文献记录不足的困难，为超长尺度 洪水水文数据的获得开辟了途径[3]。
古洪水水文学主要以古洪水滞流沉积物（slackwater deposits，即SWD）为 研究材料，并结合沉积学、年代学、环境考古、水文学等多学科交叉研究，挖掘 河谷两侧全新世剖面中洪水的沉积记录，重建万年尺度洪水的水文信息[4-5]。
HEC-RAS模型（Hydraulic Engineering Center- River Analysis System）在古 洪水洪峰流量计算的应用起源于美国，逐渐在西班牙、法国开始应用[6-7]。在 国内，HEC-RAS模型大都是应用在现代洪水的安全研究分析与桥梁防洪评价，较 少应用到古洪水水文学研究中[8-9]。刘涛、薛小燕等在汉江上游率先将HEC-RAS 模型应用在古洪水洪峰流量中，推算出了准确可靠的万年尺度特大洪水洪峰流量 [10-11]。以丹江上游竹林关段河谷右岸发现的含有古洪水SWD的全新世剖面为基 础，利用古洪水SWD厚度含沙量法恢复古洪水水位，运用ArcGIS耦合HEC-RAS模型 恢复重建丹江古洪水洪峰流量。这些水文数据对保障南水北调中线工程运行，对 于丹江流域水资源开发和洪水灾害防治等问题具有重大的现实意义。
1 研究河段背景 丹江是汉水最长支流，主源发源于商洛市与蓝田交界的秦岭南麓凤凰山东侧， 另一源以七盘河为正源、与牧护关临界，两源交汇于黑龙口。丹江全长433 km， 途经陕西、河南、湖北汇入南水北调中线工程的水源地——丹江口水库，流域多 年平均降水量683.8 mm，而多暴雨，且主要集中在7～9月。由此产生的洪水，具 有夏季暴雨典型特点（陡状尖窄涨落、洪峰高且时间短），对丹江口水库洪水调度、汉江中下游防洪安全威胁较大。丹江平均年径流量16.4×108 m3，年均流量 16.8 m3·s－1，年平均含沙量2.97 kg·m－3。荆紫关以上河段处于秦岭山区的 中山地貌，属上游河段，整体呈现西北高东南低的地势，河长243 km，平均比降 3.27‰（图1）。丹江上游区森林植被好，覆盖率达到40%以上。2010年7月23至 25日，丹江流域普降大到暴雨，暴雨中心区（支流武关河上游铁峪铺、竹林关镇 大柴沟、商南曹营街）降雨量超过200 mm。暴雨引发丹江流域涨水，竹林关站发 生建站以来第二大洪水，洪峰流量2 060 m3·s－1；
过风楼站出现二百年一遇洪 水，洪峰流量为8 790 m3·s－1，荆紫关站形成了建站以来最大的洪水，洪峰流 量10 000 m3·s-1[12]。
2 研究剖面与研究方法 2.1 研究剖面 在丹江上游竹林关段楼子滩村的河流右岸发现四层古洪水滞流沉积层的全 新世剖面（LZT剖面）（图1）。依据野外古洪水SWD鉴定原则，结合室内粒度、 磁化率、烧失量、碳酸钙等实验分析，这四层古洪水SWD具有粒级集中（质地为 粉砂（SWD1和SWD3）和黏土质粉砂（SWD2和SWD4）、磁化率低、烧失量小、碳酸 钙低的特点，从而确认SWD1~SWD4是由四次大洪水在高水位滞流状态下沉积而成。
通过与汉江旬阳段泥沟口剖面（NGK）[13]地层年代结构对比说明，这一期四次 古洪水事件发生在全新世早期与中期（大暖期）过渡阶段：即9 000～8 500 aB.P.。
关于丹江上游竹林关段LZT剖面全新世古洪水沉积学、年代学的详细内容在[14]。
2.2 研究方法 采用古洪水SWD“厚度-含沙量法”恢复古洪水水位，ArcGIS耦合HEC-RAS模 型中的一维恒定流水面线计算重建研究河段一期四次古洪水事件的洪峰流量。
3 古洪水水文学重建 3.1 古洪水河槽横断面确定 河槽断面稳定性是古洪水水文学研究中必须关注的问题，因为河槽断面稳定 性会影响到古洪水洪峰流量的计算，基岩峡谷河槽抗侵蚀力强，有助于古洪水洪 峰流量的推算，因此基岩峡谷河段最为理想河段[4]。丹江上游竹林关段两岸为古老变质岩，属典型基岩峡谷（图2、图3），全新世时期河槽断面变化小，适合 进行古洪水水文学研究。
断面形态由激光测距仪和高精度GPS测量，再用国家大比例尺地形图校准。
使用ArcGIS先对LZT河段地形图数字化，然后生成TIN网格（Triangulated Irregular Network）运用HEC-GeoRAS模块概化河道几何特征数据。最后将几何 特征数据导入HEC-RAS软件选择断面，进行洪水过程线的模拟，推求洪峰流量。
在丹江LZT剖面上下游1 km左右的河道上均匀选择过水断面14个，每一断面均与 流向相垂直（图2）。需要注意的是，选择的断面个数不能太少且断面间的差异 不能太大，一般每隔50~100 m确定一个断面，如果断面个数选取太少（如间隔大 于500 m），或者选取的河槽断面间形态差异太大，HEC-RAS软件在运行试算过程 不能顺利进行，会弹出对话框“Warning或Error”，提示增加断面个数。
3.2 古洪水洪峰水位确定 在古洪水水文学的发展历程中，由古洪水滞流沉积物（SWD）推算古洪水洪 峰水位出现过三种方法：SWD顶面高程法、SWD尖灭点法、SWD厚度-含沙量法[15]。
SWD顶面高程法忽略了古洪水SWD的沉积水深，故误差较大；
SWD尖灭点法对古洪 水滞流沉积物的保存条件极为苛刻，一般在两岸为陡壁、岩豁、岩棚情况的情况 下，很难形成SWD尖灭点。
SWD厚度-含沙量法是黄春长教授等在黄河流域对古洪水SWD经过数年调查研 究后创设的。与前两种方法相比，加入了古洪水SWD的沉积水深，故由此恢复的 洪水水位与实际更为吻合。古洪水发生时含沙量的大小与植被覆盖度、水土流失 程度密切相关。庞奖励等通过对汉江上游河谷盆地全新世风成黄土剖面进行深入 研究表明：全新世中期汉江上游为夏季风强盛、气温较高、植被茂密、生物活跃 的环境特征[16]。因此丹江流域在全新世大暖期期间研究区域的植被覆盖良好， 推断全新世期间丹江含沙量少于现代。丹江流域现代多年平均含沙量2.97 kg·m －3，推断丹江古洪水的体积含沙量为5%。野外考察中，精确测量了丹江LZT剖面 古洪水SWD1、SWD2、SWD3、SWD4各层底界高程及各层厚度。根据丹江古洪水含沙 量和四层古洪水SWD沉积厚度，计算出它们的沉积水深。再依据各层SWD的底界高程加上对应沉积水深，即恢复了四次古洪水事件的水位（表1）。
3.3 HEC-RAS模型水力学参数确定 河道槽率系数又称为曼宁系数，是根据河底、河槽两岸的不同来衡量河流所 受阻力与能量损失多少的无量纲系数。与传统比降-面积法一个综合糙率值相比， HEC-RAS模型法在曼宁糙率值确定时更为科学严谨。因为HEC-RAS推流运算中，需 要分别对河底、左岸、右岸确定糙率系数。野外实地考察发现丹江竹林关段为基 岩河槽，总体顺直规整，两岸为有植被覆盖。比照国家天然河道糙率标准[17]， 最终确定丹江LZT河段的14个断面主河槽（Channel）和河漫滩（Gravel bars） 糙率系数n为0.030，河流左岸为坡度较缓植被稠密（Vegetated surface (dense tree)）糙率系数n为0.056，河流右岸为坡度较陡植被稀疏（Vegetated surface (disperse)）糙率系数n为0.052。
收缩系数（Contraction Coefficient）和扩张系数（Expansion Coefficient） 是评估河道各断面由于收缩和扩张造成能量的损失程度。丹江竹林关LZT河段水 流属缓流状态，而非超临界流，河槽是逐渐收缩和扩张的。参考HEC-RAS的 Reference Manual，将该河段收缩系数取典型值0.1，扩张系数取典型值0.3[18]。
能量坡度影响水流速度，从而对洪水洪峰流量产生影响。在HEC-RAS模型运 行中，对于缓流状态，可以用河道比降代替能量坡度[18]。丹江LZT河段无跌水、 断面间变化不大属于缓流状态，河道比降据野外精确测量为0.7‰。
3.4 古洪水洪峰流量计算 确定丹江上游LZT河段河槽断面和水力学参数后，依据[16]中“HEC-RAS模拟 恢复古洪水洪峰流量流程”，应用HEC-RAS模型对LZT剖面记录的全新世4次古洪 水事件和2010年现代洪水进行模拟。在HEC-RAS模型中，不断输入大小不同的流 量试算，直到模型计算出的水面线与各次洪峰水位一致时，则试算出丹江上游4 次古洪水事件的洪峰流量为8 570~23 350 m3·s－1（表2），与传统比降-面积 法计算古洪水洪峰流量相对误差为-2.78%~1.78%，两种方法相互印证，说明计算 的洪峰流量准确可靠。
3.5 2010年现代洪水检验河流两岸在洪水过后，必然会遗留下洪水痕迹（树挂杂物、泥沙沉积等）， 这些洪痕（High Water Mask, 简称HWM）标志了河流在各个河段洪水水位。利用 现代洪痕所指示的洪水洪峰水位恢复其流量，并结合水文站实测洪水数据，计算 其误差，能够有效验证古洪水洪峰流量恢复的准确性。丹江上游在2010年7月23 日至25日发生大洪水，其洪痕和树挂杂物明确地标示出洪峰水位。依据野外在丹 江LZT河段调查到的7处2010年现代大洪水洪痕水位，在HEC-RAS模型中运用相同 的糙率系数、扩张收缩系数、能量坡度等水力学参数，模拟大洪水的水面线，推 算洪峰流量为2 120 m3·s－1（表2）。这个数值与丹江上游竹林关水文站实测2 060 m3·s－1的洪峰流量，误差仅为2.91%。在同一河段采用同一种方法和同样 的水力学参数，通过对2010年现代洪水的检验，说明使用HEC-RAS模型在丹江上 游恢复计算的四次古洪水事件的洪峰流量是准确可靠的。
4 结论 根据野外实地考察和沉积学分析判定，丹江上游竹林关段LZT剖面存在四层 古洪水滞流沉积层。它们由四次大洪水在高水位滞流状态下沉积而成，粒度为粉 砂（SWD1和SWD3）和黏土质粉砂（SWD2和SWD4）。通过与干流剖面地层结构的年 代学对比，这一期四次古洪水事件发生在全新世早期与中期过渡阶段：即9 000~8 500 a B.P.。
在准确测定河槽断面基础上，首先使用厚度-含量法恢复四次古洪水洪峰水 位，然后判定河道糙率、扩张收缩系数、能量坡度等水力学参数，最后应用ArcGIS 耦合HEC-RAS模型恢复了丹江上游一期四次古洪水的洪峰流量，介于8 570m~23 350 m3·s－1。利用相同水力学参数，借助2010年大洪水洪痕进行洪峰流量的验 证计算，与水文站实测流量误差仅为2.91%，说明HEC-RAS模型计算的古洪水洪峰 流量是合理可靠的。研究结果为准确掌握丹江上游超长尺度水文数据提供了参考 依据，同时为该流域的防洪减灾、工程建设、洪水资源化等具有重要的现实意义。
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