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基于GIS的溃坝洪水灾害的预测方法

––以研究阿尔及利亚，斯基克达的扎尔德萨斯水库为例

Oussama DERDOUS1), Lakhdar DJEMILI2),

Hamza BOUCHEHED3), Salah Eddine TACHI4)

1) Department of Hydraulic, Badji Mokhtar University, Annaba, Algeria; e-mail: oussamaderdous@hotmail.fr

2) Department of Hydraulic, Badji Mokhtar University, Annaba, Algeria; e-mail: l_djemili@hotmail.com

3) National School of Hydraulic Engineering, Blida, Algeria; e-mail: hamza.aoh@gmail.com

4) Department of Hydraulic, Hassiba Benbouali University, Chlef, Algeria; e-mail: salah008@hotmail.fr

摘要

在河流中建设水坝可以带来许多好处，然而，水坝一旦发生溃决可能导致重大损失，包括生命损失和财产损失。为了减小溃坝的危害，从实际的角度认识潜在洪水的特征很重要。本文研究使用水力模型和GIS集成的方法来评估位于阿尔及利亚东北部斯基克达的混凝土水坝--扎尔德萨斯水坝潜在的溃决所造成的风险。采用HEC-GeoRAS和GIS从数字高程模型中提取几何信息，然后导入HEC-RAS。采用HEC-RAS进行溃坝的流动模拟，模拟结果用GIS作图。最后，在GIS环境下创建了基于水深和流速图的洪水灾害图。由图可知，扎尔德萨斯水坝的潜在溃决在使人们陷入危险的事件中占有很大的份额。研究表明，应用地理信息系统（GIS）技术与水力模型相结合可以大大减少预测潜在的溃坝洪水灾害所需的时间和资源，此技术可以在提高洪水灾害管理和水坝下游的土地利用规划方面发挥关键作用。

关键词：溃坝；灾害管理；洪水灾害图；GIS；HEC-RAS；土地利用规划

引言

水坝为我们的社会带来许多好处，例如饮用水和灌溉水供应、发电与防洪。然而，当水坝溃决时，突然释放大量的水形成的巨大洪水波能够对下游地区造成损害[WAHL 1998]。SINGH[1996]指出在20世纪约有200次溃坝造成8000多人的生命损失和价值数百万欧元的财产损失。

溃坝分析作为水坝安全评估的一部分，主要评估水坝溃决给下游造成的潜在危害，将有助于决策机构制定土地利用规划和应急行动计划以帮助减少灾难中人们的生命和财产损失[MARCHE 2008]。潜在水坝溃决造成的溃坝洪水波及其沿下游河谷的行进通常是由水力模型进行精确的模拟[ZHOU et al. 2005]。

近年来，应用地理信息系统与水力模型集成技术，洪水灾害评估大大改进。这种集成的主要优点是可以自动准备几何数据并将其导入水力模型。此外，由水力模型生成的数据可以转移到GIS产生淹没图并进行进一步的分析[ABDALLA 2009；PANDYA, JITAJI 2013]。

通过GIS扩展、HEC-GeoRAS和HEC-RAS的组合，工程师可以使用可用的DEM构建HEC-RAS模型的几何文件。此外，GeoRAS扩展具有简单的导入和导出功能，可在创建几何文件、运行模型和在GIS平台中显示结果之间的平滑过渡[SOLAIMANI 2009]。

目前已经进行了大量的研究来探讨这种集成的效率：[MOSQUERA MACHADO, SAJJAD 2007]结合HEC-RAS和GIS来评估哥伦比亚西北部奎布的阿特拉托河不同回水期的洪水淹没的风险。该研究表明，水力模型和GIS具有足够的功能范围能够根据可用数据生成洪水范围和洪水深度。

YERRAMILLI[2012]引入了混合方法来识别洪水风险区域，并通过HEC-RAS和GIS集成技术来评估危害的影响程度。开发的方法应用于美国密西西比州杰克逊市。模拟了1979年研究区域经历的大规模洪水事件。结果表明，开发的混合方法在模拟洪水情景、可视化空间范围和评估该地区的脆弱性中有效。

CUREBAL等[2015]采用同样的方法来解释2009年发生在土耳其的Keccedil;idere盆地的洪水事件的形成机制。研究包括模拟不同回水期的洪水情景，并将模拟结果与观测到的洪水范围和深度进行了比较。结果显示，2009年的Keccedil;idere洪水事件显示了与大约500年的洪水复发间隔类似的数值。此外，研究表明，GIS是洪泛区绘图和分析的有效环境。

本文提出的研究旨在通过结合HEC-RAS和GIS技术来设计和实施一种预测潜在的水坝溃决洪水量的系统方法，并评估相关的下游危害。这种方法允许在地理空间环境中对结果进行可视化和分析，用于研究位于阿尔及利亚东北部斯基克达的混凝土重力坝--扎尔德萨斯水坝潜在的溃坝洪水。

数据与方法

研究区域

扎尔德萨斯水坝位于阿尔及利亚东北部的斯基克达，是1936年投入使用的混凝土重力坝。1974年，该坝被提升12米，达到最深基础水平64米以上的最大高度。 全水库197m，实际容量为18.1 Hm³，主要用于提供饮用水（每年21Hm³）和灌溉水（每年4Hm³）。

图1：研究区域的地理位置； 来源：自己的阐述

在水坝的下游山谷有几个住宅区。有关这些地区的信息如表1所示。

表1：扎德萨斯坝下游地区的信息

资料来源：El Harrouch的市政厅

方法

结合的GIS和HEC-RAS的拟议方法洪水模拟模型如图2所示。

图2：总体方法论 来源：自己研究

应用
数据采集

除了扎尔德萨斯水坝及其水库的特点外，本研究需要高质量的卫星图像和数字高程模型（DEM），以识别易受溃坝洪水破坏的地区。

研究中使用了两张卫星图像：研究区域的高分辨率图像是从“Google地球”中获取的，以绘制地理信息系统（GIS）图层，例如河流中心线和河堤线。另外Landsat-ETM卫星图像用于结果可视化。

用于生成Saf-Saf山谷的DEM的地形数据是从（http://srtm.csi.cgiar.org）3弧秒分辨率穿梭雷达地形任务（SRTM）数据集中免费获取的。

使用从国家制图和遥感研究所（INCT）收集的研究站点的1：50,000比例尺的地形图中的可用基准高程对SRTM数据进行质量检查。SRTM高程非常接近，高程差为plusmn;6米。

预处理

通过使用HEC-GeoRAS，对几何数据进行预处理（提取研究区域的物理特性）以及对HEC-RAS溃坝模型所需的输出进行后期处理。

为创建几何文件，将DEM转换为TIN（三角形不规则网络）格式。HEC-GeoRAS扩展模块从TIN上的用户定义的位置提取数据。所需的数据位置是河流中心线、河堤线、河流横截面、河床流径和洪水流径。该过程利用卫星图像来定义河流几何位置和河岸。
图3显示了HEC-RAS需要的三个主要几何数据，其中包括河流中心线、主河床流径和河流横截面切割线。

图3：几何数据，包括TIN、河流中心线、河堤线和横断面；来源：自己研究

溃坝波模拟

使用HEC-RAS模型的不稳定水流模块进行水坝溃决模拟。HEC-RAS的这个组件是基于UNET模型，并且使用类似的框架来解决不稳定水流方程。它基于用于非稳态流的完整一维连续性和动量方程的隐式有限差分解，以及用于模拟由各种水力结构控制的不稳定流的各种内部边界条件[USACE 2010]。

按照USACE用户手册提供的信息来估计混凝土重力坝的破坏参数，来设定水坝违规参数[GEE 2008]。该手册指出，混凝土重力坝倾向于具有部分破裂作为一个或多个整体段，并且破裂形成的时间范围为0.1至0.2小时。对于扎尔德萨斯大坝溃决，参数设置为突破宽度为158m，故障时间设置为0.1h。

本研究考虑的情景描述了在极端洪水事件期间水坝溃决的情况，对应于10000年可能性的流量。水坝溃决的开始可能从库区水平199 NGA的高峰开始。流量水文图用作河上游HEC-RAS所需的边界条件，下边界条件定义为通道床坡度为0.002814的正常深度。

在成功模拟溃坝流径后，将HEC-RAS结果输出到HEC-GeoRAS，用于GIS平台的后期处理。

后期处理

后期处理根据RAS GIS输出文件和原始地形TIN中包含的数据，实现自动洪水区划分。采用HEC-GeoRAS，输入的HEC-RAS输出采用TIN处理，生成洪水面积、洪水深度分布和流速分布。

使用卫星图像显示时，这些图像可用于确定在溃坝事件期间受影响的区域，并且确定这些图像中每个像素的洪水特征。

从HEC-RAS模拟得到的图4和图5分别描绘了由扎尔德萨斯水坝潜在溃决造成的水深分布和洪水流速分布图。

图4：扎尔德萨斯水坝下游水深分布；来源：自己研究

图5：扎尔德萨斯水坝下游的流速分布；来源：自己研究

洪水面积为13.16平方公里。洪水深度范围从0.001米到24.21米。

速度分布图显示，该事件的特征是非常高的速度，特别是在水坝以下的前8公里，速度范围为20.25至3米/秒。 对于研究区Saf-Saf的平缓较低部分，速度范围为6至0.1米/秒。

对洪水区内卫星图像的观察明显显示，在水坝溃决的情况下，扎尔德萨斯水库下游许多居民区将受到影响。

根据预测，在Zardezas和Saiuml;d Bousbaa，城市地区淹没率最高分别为49％和23％。而在El Harrouch和Salah Bouchaour，城市地区的淹没率分别为7％和11％。 而农村社区Sahki Ahmed由于位于淹没区外而不会受到洪水的影响。

洪水灾害图

洪水对人身安全和重大结构破坏的威胁在很大程度上取决于洪水的速度和深度。这些因素越大，对人和财产的危害越大。
本研究考虑的深度速度危险分类图基于新南威尔士州洪水发展手册[NSW 2005]。如下图所示，危险类别分为每个水力类别的高、中、低危险。可分别定义为：

-高危险：可能危及人身安全；卡车疏散困难；健全的成年人难以涉水到安全区，对建筑物造成重大的结构性损坏；

-低危险：如有必要，卡车可以疏散人员及其财产；健全的成年人几乎没有困难涉水到安全区；

-中危险：在过渡区域以中间颜色突显，危害程度取决于现场条件和拟议发展的性质。

图6：危险区域分类，速度和水深的函数； 来源：NSW[2005]

图7显示了扎尔德萨斯水坝溃决造成的下游危害图。 该图是通过结合根据上图所示深度和速度图在GIS中生成的。

图7：由于扎尔德萨斯水坝溃决造成的洪灾图； 来源：自己研究

从危险图可以看出，随着水坝溃决波向下游发展，洪水的严重程度下降。人类生命财产的最重要的损害预计将发生在溃决的水坝前8公里，包括扎尔德萨斯和Saiuml;d Bousbaa村庄，因为洪水范围内的许多城市化区域都面临着严重的洪灾危险。另一方面，损害赔偿金将在El Harrouch市和Salah Bouchaour村受到限制； 由于扩大到洪水区的洪水将使城市化地区面临中等至低水平的洪灾。

总结

本文提出了一种通过水力模型和GIS结合的有效的方法来预测和评估溃坝洪水对下游的危害。
本研究的一个最重要的结论是通过GIS与HEC-GeoRAS生成的水力模型HEC-RAS结合使用，有可能减少分析、绘制结果并进行风险评估所需的时间和资源。

关于研究区域，获得的结果表明，扎德萨斯水库对下游地区

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