HEC-RAS模式為美國陸軍工程師團水文工程中心(Hydrologic Engineering Center，簡稱HEC)所開發的河流分析系統(River Analysis System)，是國際通用模式，為一整合性的水理分析程式，無論是簡易河道或是複雜河道斷面、單一河道或是網狀河道、自然渠道或人工渠道等皆可快速演算水理狀況。

 

近年來受極端氣候的影響，強降雨的發生逐漸頻繁，造成大規模崩塌、堰塞湖潰堤、土石流及洪水的複合型災害。部分崩塌的土體堆積在峽谷河道形成天然壩，而受到上游流量及降雨影響蓄水形成堰塞湖。堰塞湖形成時因受到各種條件限制，第一時間不容易發現，且存在時間無法確切掌握，一旦潰堤，大量土砂將伴隨洪水，對周圍環境及下游地區造成危害。目前有許多研究使用HEC-RAS模式於建置潰壩模擬及其所造成的洪水演算，因為HEC-RAS可提供穩定且計算快速的模擬演算(Brunner 2014; Brunner 2016)，並提供準確及良好的結果(Boussekine and Djemili 2016; Butt et al. 2013; Ehsan et al. 2017; Jung and Kim 2017; Xiong 2011; Zhang et al. 2010; 吳振佑 et al. 2019; 林家興 et al. 2019)。

 

HEC-RAS模式能執行一維和二維的河道水理計算，包含定量流(steady flow)計算、變量流(unsteady flow)計算和動床輸砂計算(mobile bed sediment transport)，以及亞臨界流、超臨界流及混合流之水面剖線演算模式。

使用HEC-RAS進行二維水理分析時，可以根據需求在模擬區域中建立計算網格，如圖1和圖2所示，此外，可在模擬區域內布置屏障或障礙物，如橋梁、箱涵、涵管、堰、閘門、滯洪池等水工結構物，模擬水流和水路受到這些障礙物的影響。該模式已普遍為世界各地之學術機構與工程界使用，因其具備相當完整的計算、資料儲存和管理功能、圖形展示功能等，在維持高效率的情形下，讓使用者便於使用該軟體。

圖1 HEC-RAS模式計算網格示意圖

 

圖2 二維模擬區域網格建立示意圖

 

使用HEC-RAS模式模擬天然壩體潰決後對下游地區的影響，應用HEC-RAS二維水理分析，HEC-RAS二維變量流水理(unsteady flow hydraulic)控制方程式是藉由簡化納維-斯托克斯方程式(Navier – Stokers equations)而來，並假設流體為不可壓縮(incompressible flow)、靜水壓力(hydrostatic pressure)以及均勻密度(uniform density) (Brunner 2016)。HEC-RAS二維模式，包含二維聖維南方程式(Saint Venant of the Shallow Water Equation)及二維擴散波方程式(Diffusion Wave Approximation)此兩種方程式(Brunner 2016)，使用者可以選擇使用淺水波或擴散波方程式進行二維模擬計算，HEC-RAS二維之控制方程式以淺水波方程式進行說明，其連續及動量方程式如下：

其中H=h+z為水位高，h為水深，z為底床高程，t為時間，u和v分別為x和y

其中g為重力加速度，為渦流黏滯係數，為床底摩擦係數，為科氏力參數。在動量方程式等號左邊為對流加速度局部加速度項，而在方程式等號右邊為水壓力項、渦流擴散項(eddy diffusion)、底床摩擦項及科氏力項(Brunner 2016)。

使用HEC-RAS模式可針對不同潰壩情境進行模擬，如圖3和圖4所示，改變壩高、潰壩延時，潰口堰流係數等參數，模擬各種可能的潰壩情形。一旦發現堰塞湖形成，在尚未潰壩的情形下，使用HEC-RAS就不同的潰壩型態進行模擬，僅須考慮壩體幾何參數、潰壩延時及堰流係數等三者之設定，使得HEC-RAS模式能在短時間內計算出潰決流量、下游淹水範圍、洪峰到達時間和流速等模擬成果，對於評估下游保全對象的影響及擬定緊急災害策略皆有非常大的幫助。

圖3 HEC-RAS模擬範圍中加入天然壩示意圖

 

圖4 天然壩的基本參數設定

 

使用者能在BigGIS頁面瀏覽水土保持局針對不同案例執行的HEC-RAS潰壩模擬結果，是將模擬過程中完整時間序列的圖檔疊加，以動畫方式呈現。如圖5所示，在BigGIS首頁上方的模式分析中，點選HEC-RAS水理模擬模式，選擇案例，使用者可以修改動畫播放速度和取樣，如果速度輸入2，取樣輸入10，表示該案例模擬過程所有時間序列圖檔以每10張取樣，然後以每秒2張的速度播放。

 

圖5 HEC-RAS模擬成果整合於BigGIS

 

使用者可以將模擬成果進一步搭配BigGIS上現有的圖資資訊(圖6)例如土石流潛勢溪流、土石流潛勢溪流集水區和影響範圍、大規模崩塌潛勢區、歷年災害資訊、歷年發生過堰塞湖的區域等以及各時期的衛星影像，此外BigGIS的地圖輔助工具能在圖層上呈現方位線、等距圈，其中的扇形工具可用來快速估算崩塌面積（圖7）。結合BigGIS的強大圖層資訊以及便利的地圖工具，預期可以將HEC-RAS的潰壩模擬成果做更深入的分析以及應用，對於未來在堰塞湖的災害評估與緊急應變能達到更好的效果。

圖6 模擬成果搭配BigGIS現有的圖資資訊

 

圖 7  BigGIS地圖輔助工具整合應用

 

參考文獻

1. Boussekine, M., and Djemili, L., (2016). “Modelling approach for gravity dam break analysis.” Journal of Water and Land Development, No. 30, 29-34.

2. Brunner, G. W. (2014). "Using HEC-RAS for Dam Break Studies." US Army Corps of Engineers Institute for Water Resources Hydrologic Engineering Center (HEC), TD-39, 74.

3. Brunner, G. W., and CEIWR-HEC (2016a). "HEC-RAS, River Analysis System, 2D Modeling User's Manual Version 5.0." US Army Corps of Engineers Institute for Water Resources Hydrologic Engineering Center (HEC), CPD-68A, 171.

4. Brunner, G. W., and CEIWR-HEC (2016b). "HEC-RAS, River Analysis System Hydraulic Reference Manual." US Army Corps of Engineers Institute for Water Resources Hydrologic Engineering Center (HEC), CPD69, 547.

5. Butt, M.J., Umar, M. & Qamar, R. (2013). “Landslide dam and subsequent dam-break flood estimation using HEC-RAS model in Northern Pakistan.” Nat Hazards, 65, 241-254.

6. Ehsan, S., Afzal, S., Usman, M., Rasheed, M., and Jamil, Waqas. (2017). “Dam Break Modeling by Using HEC-RAS.” NFC-IEFR Journal of Engineering and Scientific Research, 4, 26-31.

7. Jung, C.-G., and Kim, S.-J. (2017). "Comparison of the Damaged Area Caused by an Agricultural DamBreak Flood Wave Using HEC-RAS and UAV Surveying." Agricultural Sciences, 8(10), 1089-1104.

9. Xiong, Y. (2011). "A Dam Break Analysis Using HEC-RAS." Journal of Water Resource and Protection, 3(6), 370-379.

10.Zhang, L. M., Peng, M., and Xu, Y. (2010). "Assessing risks of breaching of earth dams and natural landslide dams." Proc. Indian Geotechnical Conference – 2010, GEOtrendz Macmillan Publishers India Ltd., IGS Mumbai Chapter & IIT Bombay, 81-92.

11. 林家興，吳振佑，蔡元融，陳振宇(2019) HEC-RAS 2D於天然壩潰決模擬評估 中華防災學刊，11卷2期， P137 – 150

12. 吳振佑，林家興，陳國威，陳振宇(2019) 2018年北海道胆振東部地震引起的厚真町堰塞湖之形成與潰決潛勢分析 中華水土保持學報，50卷4期，P154 – 165