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一种基于GIS的溃坝洪水灾害预测方法—以zardezas水库为例（斯基克达，阿尔及利亚）
Oussama DERDOUS1）BCDEF,Lakhdar DJEMILI2)ADEF, Hamza BOUCHEHED3)BCD, Salah Eddine TACHI4)BE
摘要：河流堤坝的建设可以提供许多优点，但它们的坍塌可能会导致重大损害，包括生命和财产的损失。为了缓解溃坝的威胁，以现实的方式来理解潜在的洪水的特点非常必要。在这项研究中，一种基于水力模型与GIS集成的方法已经被用来评估从zardezas大坝（一个位于斯基克达，在阿尔及利亚东北的混凝土坝）坍塌可能带来的风险。在GIS内采用HEC-Geo RAS技术从数字高程模型提取几何信息，然后导入到HEC-RAS中。用HEC-RAS进行溃坝水流模拟，然后结果通过GIS来绘图说明。最后，在地理信息系统环境下建立基于水深和流速分布的洪水灾害图。根据这张地图得知，zardezas大坝坍塌可能将使大量的人处于危险中。目前的研究已经表明，应用地理信息系统（GIS）技术集成与水力模型可以显着减少预测溃坝可能造成的洪水灾害的时间和所需的资源，在改善下游的大坝洪水灾害管理和土地利用规划中可以起到至关重要的作用。
关键词：溃坝;灾害管理;洪灾图;GIS;HEC-RAS;土地利用规划
引言
水坝为我们的社会提供了许多好处，如饮用和灌溉用水，发电和防洪。然而，当大坝坍塌，大量的洪水突然释放，会对河流下游地区造成巨大损害[WAHL，1998]。SINGH[1996]提到，20世纪的大约200次的大坝坍塌，造成了8000多条生命和价值数百万欧元的损失。
溃坝分析成为大坝安全评估的一部分，是为了评价一个溃坝下游的潜在危险，将协助决策部门在土地利用规划和开展急救行动计划上决策，有助于减轻巨灾造成的生命和财产的损失[ MARCHE 2008]。溃坝洪水的精确模拟波及其传播的下游河谷，从而借助水力模型形成一个典型的潜在的溃坝[ZHOU et al. 2005 ]。
近年来，洪水灾害的评估有很大的提高，特别是在地理信息系统和水力建模的集成使用只后。这种集成的主要优点是能够自动准备的几何数据，并导入到水力模型的可能性。此外，通过水力模型生成的数据可以被转移到GIS中以生成洪水图并进行进一步的分析[ABDALLA 2009; PANDYA, JITAJI 2013 ]。
通过结合GIS扩展，HEC-GeoRAS和 HEC-RAS，工程师们可以用一个可用的DEM为HEC-RAS模型建立几何文件。此外，该geoRAS扩展有简单的导入和导出能力，来平稳过渡在GIS平台上创造几何文件、运行模型、显示结果的过程[SOLAIMANI 2009]. 。
已经有大量的对这种整合的效率的研究 [MOSQUERA MACHADO, SAJJAD 2007] ；结合HEC-RAS和GIS来评估在quibdacute;O的阿特拉托河（哥伦比亚西北部为不同重现期洪水）洪水的风险。这项研究表明，水力建模和GIS具有足够的范围内的功能，能够基于可用的数据产生洪水淹没面积和洪水深度的数据。
YERRAMILLI[ 2012 ]结合HEC-RAS和GIS技术，介绍了用于确定洪水风险区和评估的风险的影响程度的混合法。所开发的方法被应用到Jackson,MS的城市（在1979就作为研究区），在这模拟一个高强度的洪水事件。结果给出了开发的混合方法在模拟洪水场景的效率、可视化的空间范围以及评估该地区的脆弱性三方面的信息。
CUREBAL et al.[2015]采用同样的方法去解释2009发生在土耳其Kecidere盆地洪水事件的形成机制。研究包括在模拟不同的重现期洪水的情况，并和在许多地点模拟观测得到的洪水的面积和深度相比所获得的结果。这个结果表明，2009在Kecidere的洪水事件得出一个相似的结论，即洪水重现期大约为500年。此外，研究表明，GIS是一种用于洪泛区成图和分析的有效处理环境。
本文提出的研究旨在设计和实施一个通过集成HEC-RAS和GIS技术来用于预测潜在溃坝的洪水量和对相应下流区域造成的危害的系统方法。此方法可在地理空间环境中对结果进行可视化和分析，可用于研究Zardezas堤坝（一个位于Algeria东北方向的Skikda的混泥土重力坝）的潜在溃坝洪流量。
数据和方法
研究区域
位于Algeria以北的Skikda的Zardezas大坝，是一个于1936年投入使用的混泥土重力坝。该坝为了达到最大的64m的高度（在基础等级之上的最大深度），在1974年被增高了12m。该坝有18.1 Hm3的蓄水能力（满蓄时高度为197m）,主要用于提供饮水（每年21Hm3）和灌溉（每年4Hm3）。
图1. 研究区域. （来源: 自己的结论）
在堤坝点下流河谷有几个居民区域，这些区域的信息如表1.
|
分区 |
坝间距（km） |
人口数 |
|
Zardezas |
0.7 |
12437 |
|
Saiuml;d Bousbaa |
5.9 |
14302 |
|
El Harrouch |
8.6 |
49400 |
|
Salah Bouchaour |
15.5 |
27864 |
|
Sahki Ahmed |
21.0 |
2072 |
表1. Zardezas大坝下流区域的信息.（来源: El Harrouch市政厅）
方法
这个提出的方法涉及到GIS和HEC-RAS洪水模拟模型的集成，如注2所示。
数据采集
利用HEC-GeoRAS进行空间数据预处理
利用地理信息系统编制专题图层
HEC-RAS溃坝模拟
洪水地图的专题图层叠加
后处理空间数据使用HEC-GeoRAS
识别被洪水淹没的地区，评估对相应地区的危害
图2.总体方法 （来源: 自己的研究）
应用
数据获取
当前的研究除了需要Zardezas大坝的特性和它的蓄水量信息，也需要高质量的卫星图和一个数字高程模型（DEM）来识别那些易被溃坝洪水影响的区域。
这项研究用到了两幅卫星图像数据，其中从Google Earth上获取的研究区域高分辨率图像用于画地理信息系统（GIS）图层，例如河流的中心线和河岸线。另一幅是Landsat-ETM卫星图像，是用于结果的可视化。
用于生成Saf-Saf谷DEM的地形数据是从免费网站(http://srtm.csi.cgiar.org)上获取的，是分辨率为3弧秒的航天飞机雷达地形测绘任务（SRTM）数据集。
SRTM数据用于检验从国家测绘与遥感研究所（INCT）获取到的研究站点的1:50，000地形图的基准高程的精度。SRTM海拔非常接近实际海拔，误差仅为6m。
预处理
利用HEC-GeoRAS做HEC-RAS溃坝模型所需的输出的后处理和几何数据的预处理（研究区的物理特征提取）。
创建一个几何文件，需要把DEM转化为TIN（Triangulated Irregular Network）格式。HEC-GeoRAS扩展从用户在TIN上自定义的位置中提取数据，这些位置相关的数据包括河流的中心线、河岸、断流面、河流路径和洪泛区的流动路径。这个过程包含使用卫星图像来帮助在确定河流的几何形状和河岸线。
图3显示了HEC-RAS所必需的三个主要的几何数据，包括流中心线、主渠道的河岸线和横截面切割线。
图3.由TIN、河流中心线、河岸线和横截面组成的几何数据.（来源：自己的研究）
溃坝模拟
溃坝模拟采用HEC-RAS模型的非定常流动模块进行。HEC-RAS的这一部分是基于校园网模型，使用了一个类似的框架来解决非恒定流方程。它是基于完整的一维非定常流动的连续性方程和动量方程的一个隐式差分求解，加上各种各样的水力结构控制下的不稳定流动模拟的内部边界条件的分类[USACE 2010]。
由USACE用户手册提供的用于对混凝土重力坝的破坏进行估计的参数来设置溃坝参数[GEE 2008]。手册上说混凝土重力坝往往有一个或多个部分的损坏，破坏形成的时间范围在0.1到0.2小时之间。为zardezas溃坝、参数设置大坝坍塌宽度为158 m，坍塌时间设置为0.1小时。
这项研究中考虑在一个极端的洪水事件中大坝将坍塌的情况下，对应10，000年的概率。溃坝的启动可以在水库水位达到199级（NGA）高峰的时候开始。在HEC-RAS中要求把河的上游河流流量水位线作为上边界条件，下边界条件则定义为0.002814沟床坡度的正常深度。
溃坝水流成功模拟之后，HEC-RAS结果导出到 HEC-Geo RAS中，为在GIS平台重进行的后处理做准备。
后处理
后处理有利于基于包含在RAS GIS输出文件的数据和原始地形TIN的自动化洪泛区的描绘。使用HEC-Geo RAS，导入的HEC-RAS输出结果用TIN处理产生洪水水面的范围、洪水深度分布和流速分布。
当显示卫星图像的时候，这些图可以用来确定溃坝事件期间受影响的地区，以及确定这些地图的每一个像素的洪水特性。
从HEC-RAS模拟中得到的图4和图5，分别描绘了导致zardezas大坝潜在崩溃的水深分布和流速分布图。
洪水的空间范围内的面积是13.16平方公里，深度范围是0.001米到24.21米。
从速度分布图可以看出，洪水的主要特征是具有非常快的流速，尤其是从溃坝开始的8km流速范围在20.253m/s之间。在研究中的Saf-Saf 偏下部分，流速为60.1m/s之间。
图4. Zardezas大坝下游的水深分布图. （来源：自己的研究）
图5. Zardezas大坝下游的流速分布图（来源：自己的研究）
在洪泛区基于卫星图像的检察，可以清楚地看到位于Zardezas水库下游的居民区将会在溃坝发生的时候受到影响。
在城市区域被洪水淹没的区域估计很大，淹没Zardezas和Saiuml;d Bousbaa的区域估计分别要占到49%和23%。除此之外，El Harrouch和Salah Bouchaour被淹没的区域估计分别要占到7%和11%。对于Sahki Ahmed而言，乡村区域不会受到洪水的影响，因为它处于淹没区域之外。
洪灾图
洪水对人身安全的威胁和对总体结构的破坏很大程度上取决于洪水的流速和水深，流速越快，水越深，对人的生命和财产安全的威胁就越大。
在这项研究中所涉及到的深度-速度危险分类图，基于的是新南威尔士州（NSW）洪水开发手册[NSW 2005]。如下图所示，危险类别被分解成高、中、低来对应每一个水力类别。这些可以被定义为：
- 高危害：人身安全的潜在危险；卡车运输疏散人员困难；健全的成年人难以在涉水时保证安全，潜在的建筑物的重大结构损坏；
- 低危害：必要时，卡车可以疏散人们和他们的财产；健全的成年人会在涉水时保证安全稍微有点困难；
- 中等危险：在过渡区用中位颜色突出显示，危险程度取决于于现场条件和所提出的洪水泛滥的特质。
图6. 危险区的分类作为速度和水深的函数. （来源：NSW[2005]）
图7给出了zardezas坝破坏导致下游受灾的灾害图。此地图是在地理信息系统中产生的根据上面提出的深度和速度图相结合的图。
图7. zardezas大坝的坍塌造成的洪水风险图. （来源：自己的研究）
从危害图中可以明确看到，洪水的严重性随着溃坝波的下游的延伸而下降。一方面，对人类的生命和财产的最严重的损害预计将发生在溃坝之下第一个8公里之内的区域包括zardezas和Saiuml;d Bousbaa村，因为许多城市化的区域内的灾害程度被定为一个高等洪水风险级别。另一方面，损害将会仅限于在El harrouch 市和Salah bouchaour村；因为延伸到洪泛区的洪水将使城市化地区处于一个中低等的洪水风险级别。
结论
本文提出了一种通过溃坝洪水的水力建模和地理信息系统的整合来预测和评估下游的危险的有效方法。
由本研究得出的一个最重要的结论是，通过使用工具HEC-Geo RAS来将GIS与水力模型HEC-RAS相结合，可能能够减少开发潜力分析、结果的图像显示以及进行危险性评估所需的时间和资源。
结合相关的研究领域所得到的结果表明，zardezas水库一旦发生水库溃坝事件，下游地区将会受到严重的威胁；根据风险图，洪灾对人类生命和财产的造成的巨大损失预计将发生在zardezas和SAiuml;D bousb
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