CoSim-SWE溃坝与洪水演进一体化分析平台
1.背景与方法
我国受季风气候影响，部分地区极端降雨频现。极端降雨不仅会诱发滑坡、泥石流等地质灾害，堵塞山区河流形成堰塞坝，并产生溃坝洪水灾害链；还会形成极端洪水导致河堤、土石坝及其他挡水体溃决。溃坝发生后，库内蓄水在短时间内通过溃口集中下泄，形成流量大、变化快、突发性强的溃坝洪水，对下游沿岸地区构成威胁。因此，合理分析溃坝洪水及其在下游河道中的演进，是开展溃坝灾害风险评估和防洪减灾分析的重要基础。
（1）溃坝洪水分析：采用清华水利云平台(THC) [1]的“溃坝洪水分析”模块（图1）。该模块以陈祖煜院士提出的DB-IWHR算法[2]为基础，可以便捷地实现“云”计算、“云”存储、“云”报表等服务。
图1 THC-溃坝洪水分析模块
（2）洪水演进过程分析：采用CoSim-SWE软件。该软件基于二维浅水波方程，以地形自适应的非结构网格急技术实现地形的精细化表征，采用高精度黎曼求解器和（多）GPU高性能并行加速技术实现流域大尺度二维水动力学过程的高效计算分析。
图2 CoSim-SWE算法示意
在实际工程分析中，以THC洪水计算分析得到的溃坝流量作为流量输入边界，用于洪水演进动力过程计算分析，从而构建从“溃坝→洪水演进”的一体化全过程分析，为洪水危险性评估、防洪减灾及应急提供数智支撑。
2.溃坝流量计算
登录THC的“溃坝洪水分析”模块进行溃坝流量计算。如图3所示，输入坝体材料参数（系统内置多个既有溃坝反演得到的参数，用户也可以根据自己的分析结果丰富参数库，便于后续分析使用）、库容-水位曲线、坝体控制性参数等信息，模块计算得到溃坝流量过程（图4）、溃口扩展（图5）等。同时，可将计算得到的溃坝流量结果导出为txt文件，为洪水动力学分析提供数据输入边界。
图3 坝体参数与库容—水位关系设置
图4 溃坝流量过程曲线
图5 溃口扩展演化曲线
3.洪水演进分析
在CoSim-SWE中，通过【PreProcess】→“Import Terrain”导入Tif格式的数字高程模型（DEM）数据或点云数据；而后，可利用“Terrain Mesh”功能直接将生成地形三角网，如图6所示。具体生成方法可参考“CoSim用户手册”。
图6 基于DEM数据生成地形面三角网
设置地形曼宁系数（本算例采用0.03），并将前述溃坝流量过程数据建立上游（坝体 位置）作为下游的入流边界，下游模型边界处设置自由出流边界，完成计算模型建立（图7）。具体设置及计算步骤可参考“CoSim用户手册”。
图7 洪水演进计算模型
设置进行二维水动力计算分析，输出水深、水位和流速等结果。同时，可以使用StlTextureTool工具给流域地形贴图（图8），以便更好地分析洪水的淹没影响范围等。使用方法详见本公众 号文章“CoSim计算结果三维实景可视化 — 让分析更加高大上！”。
图8 光学影像贴图
完整洪水演进过程如视频所示。
从模拟结果看出，洪水首先沿上游河槽向下游推进，山区河道控制了水流的主要传播路径。随着洪水前缘到达下游，水流由狭窄河槽进入开阔地带，淹没范围随之向两侧扩展。入流减小后，上游河段逐渐退水，同时下游仍存在明显的受淹区域。利用【PostProcess】→“Flux Monitor”功能，可对山区河道出口的监测断面进行流量统计，结果如图9所示。断面流量相比上游溃坝流量峰值降低约13%，峰值时刻滞后约24min，体现了洪水在山区河道传播过程中的时滞与调蓄效应。
图9 山区河道出口监测断面流量过程（时间：s；流量：m³/s）
此外，CoSim-SWE还可利用【PostProcess】→“Risk An alysis”功能生成溃坝洪水危险性分区图（图10）。沿主河槽可见连续的大水深与高流速区域，下游开阔地带则呈现大范围的受淹分布。结果表明：沿河槽的高流速区域和下游的集中受淹区域危险性更高，并结合居民点、道路等具体承灾对象性质进一步深入分析，形成风险图。
图10 洪水危险性分析：水深分级（左）、流速分级（中）与流量分级（右）
综上，联合THC的云计算功能及CoSim-SWE软件，可以高效便捷实现堰塞体、水库及堤坝的溃坝流量计算、洪水演进模拟及洪灾风险评价的一体化分析。计算结果既能直观展示洪水沿真实地形的演进过程，也能为关键位置的洪水情况和流域受淹范围分析提供量化依据。在此基础上，结合不同溃坝情景及沿岸居民点、道路等具体地理资料，可进一步开展防洪方案比选、重点区域识别和应急疏散分析，为溃坝洪水风险研判提供支撑。
参考文献：
[1] 清华水利云平台地址：www.meggs.hydr.tsinghua.edu.cn/thc/index.html#/index
[2] CHEN Z, MA L, YU S, et al.Back an alysis of the draining process of the Tangjiashan Barrier Lake[J].Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 141(4): 1-14.
