论文基于HEC-RAS的丹江古洪水水文学恢复，该文是水文学类有关毕业论文格式模板范文和基于方面毕业论文格式模板范文.
摘 要：为了获取丹江流域万年尺度水文数据,对丹江河谷进行深入的野外考察,在上游竹林关段发现夹有四层古洪水滞流沉积层的全新世黄土—古土壤剖面.采用“厚度-含沙量法”恢复丹江上游竹林关段四次古洪水洪峰水位,运用ArcGIS耦合HEC-RAS模型法恢复洪峰流量.结果表明,水位为404.4~412.5 m,流量为8 570~23 350 m3·s－1.在同一河段利用2010年7月现代大洪水遗留水位痕迹恢复其流量,与实测数据相对误差仅为2.91%,这充分说明采用该模型恢复丹江上游竹林关段全新世古洪水洪峰流量是准确的.研究结果使得丹江流域水文序列从数十年实测数据延伸至万年尺度,获取了全新世四次特大洪水水位和流量数据,对丹江流域的洪水管理、开发、治理、调度提供了重要的基础资料.
关键词：HEC-RAS；水文恢复；古洪水；丹江
中图分类号：P331.1 文献标识码：A 文章编号：1674-0033（2016）06-0071-05
Hydrology Reconstruction of the Palaeoflood Based on the HEC-RAS Model in the Danjiang River
LI Xiao-gang1, HUANG Chun-chang2
(1. College of Urban, Rural Planning and Architecture Engineering, Shangluo University, Shangluo, 726000,Shaanxi; 2. College of Touri and Environmental Science, Shaanxi Normal University, Xi´an 710062,Shaanxi)
Abstract:Field investigations were carried out along the upper reaches gorge of the Danjiang River. A set of 4 palaeoflood slackwater deposit beds (SWDs) of the Holocene age were found in the depth range of 10～40 cm by using the sedimentological criteria at the LZT sites. The palaeoflood peak stages were estimated with the elevations and the deposition depths of the SWD. The paleoflood stage were between 404.4 m and 412.5 m. The palaeoflood peak discharges were estimated by using the HEC-RAS one dimensional model running within an ArcGIS environment. The results indicated that these palaeoflood discharges were between 8 570m3·s-1 and 23 350 m3·s-1. Based on the flood stage indicators, the peak discharges of modern floods were also reconstructed in the same reach using the HEC-RAS model and the same hydraulic parameters. The error between the reconstructed and gauged peak flood discharges is 2.91%. These showed that the palaeoflood peak discharges reconstructed by using the HEC-RAS model are reliable. This result provides reference in hydrological engineering, water resource management and flood mitigation on the river.
Key words:HEC-RAS model; Hydrology reconstruction; Palaeoflood; Danjiang River
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.古洪水水文学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参考文献[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（Grel 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,依据参考文献[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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（责任编辑：李堆淑）
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