HEC-RAS 2D模型在洪水灾害建模与分析中的应用：以伊拉克库尔德斯坦地区的杜霍克市为例

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Application of the HEC-RAS 2D model for flood hazard modeling and analysis: Focus on Duhok City, Kurdistan Region of Iraq

本研究采用二维HEC-RAS水力模型结合降水径流模型，首次对2024年3月19日哈什克鲁山谷流域未设站区的洪水进行二维水力分析，通过整合地形、气象、遥感和社会经济数据，生成洪水深度、流速及淹没范围等关键参数，揭示城市扩张与降雨叠加导致的洪水高发机制，提出优化流域土地利用规划的建议。

　　

阿萨德·A·M·阿尔-侯赛因|恩蒂达尔·贾瓦德·卡迪姆|巴希尔·法尔汉·马哈茂德|穆罕默德·A·M·苏莱曼|萨利姆·布里

伊拉克尼尼微省阿尔-哈姆达尼亚大学传感与纳米光子学系，激光与光子学中心，邮编41006

摘要

洪水是全世界许多城市面临的主要挑战。随着城市化的快速推进和频繁的强降雨，未来城市洪水的风险预计将会增加。本研究旨在通过对基于降水水文图的非稳态流量水文图进行估算的集成框架的应用，提供2024年3月19日哈什克罗河谷洪水的首次可靠二维水力分析，从而克服直接测量数据的现有局限性。利用气候、水文和遥感数据，绘制了洪水深度、洪水速度、水面高度以及洪水灾害区域的地图。结果表明，大规模的城市发展与强降雨期间哈什克罗河谷水位上升的共同作用，为洪水的发生创造了条件。此外，未经规划的土地占用进一步加剧了洪水的影响。淹没地图显示，平均洪水深度达到2.78米，平均最大流速达到3.02米/秒，平均水面高度约为3.87米。这些数值表明洪水具有很高的能量，能够轻易进入住宅建筑内部，并在那里停留8小时，其深度不超过洪泛区的1.6米。研究结果强调了人类活动在增加城市洪水风险方面的作用，并确认了需要改进沿水道的土地使用规划。这也有助于提高预防和减轻城市洪水风险的努力效果。

引言

洪水对每个经济和社会领域的增长都有负面影响（Al-Hussein等人，2023年），因此，基于能够准确描述洪水动态过程和特征的模型来制定有效的洪水风险缓解策略至关重要，以避免或减少人员和财产损失（Fletcher等人，2013年；Salvadore等人，2015年）。洪水建模为城市地区的洪水风险评估、管理和缓解提供了非常有用的信息。城市洪水模拟结果的准确性在很大程度上取决于输入数据的质量，而在复杂的城市环境中通常难以确定适当的数值，这导致建模过程中存在许多不确定性（Xing等人，2021年）。因此，洪水概率的空间地图有助于识别高风险区域，并可用于减轻洪水的负面影响（Gholami等人，2025年）。因此，实现洪水损害评估目标的第一步是识别易受洪水影响的地方（Isam等人，2024年）。此外，通过快速准确的预警、预报和缓解策略，可以减少洪水风险。

对当地城市洪水进行了文献综述，研究了所使用的方法和技术、概念背景以及这些研究的主要发现。例如，Amen等人（2023年）利用地理信息系统（GIS）和遥感技术研究了易发生洪水的区域制图。该研究使用层次分析法（AHP）为导致洪水的十二个标准分配了相对权重，并计算了洪水灾害指数（FHI）。使用ArcGIS生成的地图表明，杜胡克市的大片区域极易发生洪水。Mustafa等人（2023年）通过将ArcGIS与2D HEC-RAS模型结合，研究和评估了埃尔比勒市的洪水风险和脆弱性。对于数据不足或缺失的区域，采用了两种建筑表示方法：建筑质量（BB）和建筑抗性（BR）来创建城市洪水模型。研究结果表明，该城市在低洼地形和强降雨条件下特别容易发生洪水。Yasseen和Jafaar（2024年）利用地形指数（TRI、STI、SPI、TWI）研究了哈什克罗河谷流域的洪水风险建模。他们使用ArcGIS技术提取了流域内的水流体积（以立方米计），然后确定了受洪水影响的区域。

许多研究都关注了全球城市地区的洪水问题。Parizi等人（2022年）使用HEC-RAS 2D模型在稳态条件下模拟了不同重现期的洪水。这项研究的目的是探讨数字高程模型在水力建模和洪水风险管理中的作用。研究了数字高程模型（DEM）分辨率（1至30米）对洪水特征的影响。TDX DEM在水力建模中表现出更优的性能。Marselina等人（2022年）使用HEC-RAS方法在不同重现期（100年、50年、25年、10年、5年和2年）下进行了水力分析，以计算洪水深度。他们选择HEC-RAS是因为该模型与GIS高度兼容。在基于降雨方法的洪水模拟研究中，Farfán-Durán等人（2025年）提出了一种基于深度学习的模型，该模型包括使用SCS-CN方法计算净降雨量。该模型旨在通过整合不同前期湿度条件下的净降雨量来预测洪水。Xu等人（2025年）提出了一个综合框架，将先进的机器学习技术与BTOPMC水文模型结合，研究降雨的时空变化如何影响洪水响应的速度和准确性。Jang等人（2025年）提出了一种基于机器学习的洪水预测方法，使用随机森林模型。研究人员根据降雨数据和一维及二维排水系统的模拟，预测了各种降雨情景下的洪水模式。

以往研究的局限性体现在多个方法论方面；一些研究依赖于AHP和GIS技术，这些技术依赖于估算的权重，在模拟水流和流速时缺乏动态准确性。其他研究依赖于地形指标，但这些指标是静态模型，没有考虑暴雨强度的变化或水力复杂性的变化。此外，依赖稳态系统是一个根本性的缺陷，因为它忽略了实际洪水的非稳态特性以及洪水流动过程中发生的关键时间变化。

尽管二维水力模拟模型和流量水文图方法在许多流域中被广泛使用，但仍存在显著的知识空白，因为许多文献尚未解决如何在缺乏水文数据的区域（如本研究区域）获取流量水文图的问题。数据缺乏仍然是建模和模拟中的一个主要挑战。因此，本研究旨在展示如何通过使用降水水文图方法来模拟杜胡克市的洪水。这种方法代表了一个集成框架，有效地将降水水文图和流量水文图结合到一个统一的水力模型中，从而能够监测无测量站的流域中的复杂城市洪水动态。这种方法提供了对洪水行为的全面和真实的理解，本研究的实际贡献在于系统地使用基于降水水文图的方法来模拟洪水，通过研究引发洪水的暴雨。这种方法提供了一个稳健的技术工作流程，成功地将可用数据（数字高程模型、卫星土地覆盖和点降雨）有效地整合到一个结合了地理信息系统（GIS）和水力建模（HEC-RAS 2D）的通用框架中。这种整合的重要性在于它能够在完全没有流量数据的无测量站流域中生成可操作的风险地图。通过将这些水力输出与当地社区的人口统计和描述性分析相结合，该研究提供了结合技术和社会方面的风险综合解释，为数据匮乏地区的决策提供了定性、实际的支持。

此外，本研究采用的方法可以与以往研究中的方法进行比较。我们的研究依赖于将HEC-RAS水文模型与GIS结合来绘制洪水灾害地图，并专注于通过降水水文图进行洪水模拟。而一些前述研究则依赖于层次分析法（AHP）与GIS结合来绘制洪水灾害地图，其他研究则依赖于将HEC-RAS水力模型与基于SCS-CN方法的机器学习或深度学习结合，还有一些研究仅依赖于GIS。

河流和山谷的水道在降雨导致的水位变化和水流速度方面并不总是恒定的，因此居住在这些水道附近的居民不时会面临洪水。这适用于杜胡克市哈什克罗河谷两侧的人口中心。在这篇论文中，我们使用二维HEC-RAS水力模型研究了2024年3月19日发生的洪水。具体来说，本研究旨在回答以下研究问题：基于降水水文图的2D水力建模如何有效模拟地中海气候地区的无测量站城市流域中的复杂洪水动态？为了解决这个问题，本研究旨在通过（1）根据引发洪水的暴雨情况，实施哈什克罗河谷流域的全面洪水模型；（2）确定导致洪水发生的最重要因素；（3）提出一系列措施以避免洪水发生或降低未来的风险。本研究为洪水风险评估提供了一个方法论框架，考虑了气候变化的影响，改进了无测量站流域中使用的方法。本研究的结果将有助于未来就洪水预防和控制做出有效决策。这项工作为未来研究提供了指导，以确定在气候变化和数据匮乏环境下模拟洪水风险的最有效方法。

研究区域描述

研究区域是杜胡克市，该市隶属于伊拉克库尔德斯坦地区的杜胡克省（图1）。从地理上看，它位于北纬36°49'30''至36°55'30''、东经42°53'30''至43°08'30''之间。杜胡克市建在低洼地形上，被北面和东北面的贝凯尔山脉以及东南面的扎瓦山脉所环绕。两条小山谷穿过城市中心：

哈什克罗河谷的洪水发展

2024年3月18日，杜胡克市经历了一场短时暴雨，导致大量降雨。为了调查这一事件，从两个气象站收集了数据。第一个气象站位于哈什克罗河谷的源头，24小时内的降雨量达到了104毫米；第二个气象站位于流域的出口处，同一时期的降雨量为40.7毫米。在这场暴雨期间，土壤和岩石被水浸透。

讨论

山洪的严重程度归因于强降雨，这是全球气候变化的直接结果。预计这些气候变化将加剧洪水深度、流速和淹没面积，因此需要彻底修订洪水管理计划。我们的研究使用2D水动力模型对2024年3月19日的洪水灾害进行了建模和模拟，这种方法可以直接根据降雨数据准备，类似于降水水文图模拟。

结论

本研究使用基于降水水文图的洪水模拟方法为杜胡克市制作了洪水风险地图。洪水风险地图是通过结合HEC-RAS 2D水力模型生成的洪水速度和洪水深度地图以及HEC-RAS模型中的非稳态流量数据方法得出的。洪水风险地图是根据来自各种来源的地形、气候、水文和社会经济变量绘制的。

作者贡献声明

恩蒂达尔·贾瓦德·卡迪姆：撰写 – 审稿与编辑、软件、数据管理。巴希尔·法尔汉·马哈茂德：撰写 – 审稿与编辑。阿萨德·A·M·阿尔-侯赛因：撰写 – 原始草稿、可视化、软件、项目管理、调查、概念化。穆罕默德·A·M·苏莱曼：资源获取、数据管理。萨利姆·布里：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资金筹集

未引用的参考文献

Brasil,; Henderson, 1966; Isma等人，2024; MLIT，2024年6月; Panthi等人，2016年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

数据可根据请求提供。

资金

本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者对杜胡克省水资源局的所有工作人员表示衷心的感谢，感谢他们在提供城市洪水相关信息方面的合作。