HEC-RAS模型在山區(qū)河流水面線推求中的應用

吳名劍，羅志遠，尹智力

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

河道水面線推求是河道防洪治理工程設計的重要內(nèi)容，也是確保防洪功能和效益正常穩(wěn)定發(fā)揮的重要保障基礎。常規(guī)逐段試算推演法，在計算全面性、準確性和合理性方面很難滿足工程實際應用需求，尤其對于流態(tài)復雜的天然河道，往往花費大量時間進行試算卻得不到較好成果[1]。HEC-RAS可在人工渠道或天然河流進行一維恒定流和非恒定流水面線的推求，不僅可以計算緩流、急流及混合流等各種流態(tài)，同時可對各種涉水建筑物(如橋梁、堰壩、涵洞、堤防等)的阻水作用進行計算模擬[2]，為科學化、精細化和精益化防洪規(guī)劃設計工作提供重要的模擬數(shù)據(jù)資料，確保設計方案與工程實際更加匹配。

1 恒定流水面線推求數(shù)學模型

對于山區(qū)河流水面線推求，采用步進法逐斷面依次求解一維能量方程，其函數(shù)表達為[3]：

(1)

(2)

式中，z1、z2，V1、V2，a1、a2—計算河段斷面1和斷面2處的水位(河底高程與水深之和)，平均流速和流速的加權系數(shù)；He—計算河段水頭損失；L—計算河段總長度；Sf—計算河段水頭損失平均坡段；C—計算斷面擴散或收縮損失系數(shù)[4]。

對河道中的橋、涵等涉水建筑物，在HEC-RAS模型中其計算斷面布置示意，如圖1所示。

圖1 橋位處計算斷面布置示意

從圖1可知，由于橋、涵等涉水建筑物對水面的侵占，河道行洪斷面會收縮和擴散。在HEC-RAS建模中，需考慮流經(jīng)涉水建筑物時產(chǎn)生的能量損失，即：由于涉水建筑物對河段過水斷面的侵占，水流流經(jīng)時上游水流面收窄和下游水流面擴散過程中的能量損失；碰撞、沖刷等過程中的能量損失。各流況下計算斷面收縮和擴散的設計系數(shù)取值為：①漸變流況：擴散系數(shù)0.3，收縮系數(shù)0.1；②橋梁流況：擴散系數(shù)0.5，收縮系數(shù)0.3；③聚變流況：擴散系數(shù)0.8，收縮系數(shù)0.5。

按式(1)、(2)從下斷面向上斷面逐斷面進行洪水位推演，即可推求出設計洪水水面線。恒定流HEC-RAS模型水面線推求，充分考慮了計算河段糙率的縱橫分布和主河道與灘地的流量分配特性、不同水位條件下的糙率變化特性和各類形狀涉水構(gòu)筑物引起的局部阻力，確保推求成果與河段特性更佳匹配[5]。

2 HEC-RAS水面線推求實例研究

以貴州銅仁市萬山區(qū)高樓坪防洪治理工程的河斷面1～20和橋斷面1～3為研究對象，采用恒定流HEC-RAS模型推求設計洪水水面線，為工程設計提供詳實可靠數(shù)據(jù)資料。

2.1 研究區(qū)域概況

高樓坪河發(fā)源于萬山鎮(zhèn)官山，源頭高程950m。河流從東北向西南流經(jīng)張家坪、六零二隊、陸家屯、高樓坪、野牛山、萬山茶場，至屯坪轉(zhuǎn)向南流，在高樓坪鄉(xiāng)猴沖流入湖南界，在湖南新晃縣萬家屯注入舞水。高樓坪河萬山茶場以上流域總面積14.9km2，河長10.2km，比降9.27‰。高樓坪河河流走向及斷面布置，如圖2所示。

圖2 高樓坪河斷面布置示意

2.2 參數(shù)設置

高樓坪河兩岸主要為農(nóng)田，按GB50201- 2014《防洪標準》，保護對象為農(nóng)田，設計洪水按5年一遇(p=20%)。根據(jù)天然河道的縱、橫斷面測量資料，采用HEC-RAS恒定流計算方法，自下而上推求洪水水面線[6]。高樓坪防洪治理工程計算河段共實測23個橫斷面資料，縱斷面4.05km，其中河斷面20個，橋斷面3個。在各控制斷面設置洪峰流量等特性參數(shù)，采用已知水位為起算條件。在HEC-RAS軟件中建立河段斷面和橋斷面模型，如圖3所示。

圖3 HEC-RAS斷面模型

2.3 洪水計算

對高樓坪河兩岸居民的詢問，調(diào)查到1995年、2006年歷史洪水，其中1995年為近幾十年來最大的一場洪水。根據(jù)調(diào)查者最大年齡并結(jié)合萬山氣象站降水資料分析，1995年洪水的重現(xiàn)期約為70年一遇，2006年洪水重現(xiàn)期定為20年一遇。

針對貴州省內(nèi)中小型流域大多無實測水文資料的特點，陳家琦工程師提出基于設計暴雨推求設計洪水的“雨洪法”進行河流洪水計算，可獲得不同時段詳實可靠的洪水數(shù)據(jù)[7]。根據(jù)《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》，由于高樓坪防洪治理工程河段控制斷面集水面積為14.9km2，屬10≤F<25km2范疇，“雨洪法”基本計算公式為：

(3)

高樓坪河為天然山區(qū)河道，根據(jù)《天然河道、灘地糙率表》及現(xiàn)場河道情況，結(jié)合歷史洪水調(diào)查及實測資料，確定主河槽糙率n=0.035，灘地糙率n=0.05。根據(jù)測時水面比降和歷史洪水水面比降，結(jié)合斷面上、下游河道狀況，采用曼寧公式對控制斷面進行水位流量關系計算，即：

(4)

式中，Q—流量；n—河道糙率；A—過水斷面面積，A=RX；R—水力半徑；X—濕周；j—主河道平均坡降。

3 計算成果及對比分析

利用HEC-RAS模型按式(3)、(4)計算得不同斷面的河道比降、流速、過水面積和水面線等特征數(shù)據(jù)[8]。高樓坪河5年一遇洪水的部分斷面特征數(shù)據(jù)和洪水水面線推求成果，見表1和圖4所示。

表1 高樓坪河5年一遇洪水部分斷面(1～5斷面)特征值推求成果

圖4 HEC-RAS模型水面線推求成果

為驗證HEC-RAS模型在山區(qū)河流水面線推求中的適用性和準確可靠性，與羅永強高工編制的PHAC程序計算成果進行比對分析，見表2。

由圖4和表2可知，HEC-RAS水面線推求成果較合理，尤其在橋上、橋下斷面處能較好反映因擴散或收縮引起的水位漲跌[9]。在起算水位、流量、糙率等相同條件下，HEC-RAS比PHAC推求的水面線普遍低，水位變化在0～28cm；但也存在位于橋上、橋下斷面處出現(xiàn)水位升高的情況，其中最大差值處位于橋2斷面，水位最大相差為43cm。分析認為此處為橋斷面，橋斷面下游有較大的跌水，流速為3.06m/s，弗勞德數(shù)為1.01，HEC-RAS軟件判定為臨界流狀態(tài)；而PHAC程序計算時，由于局部水頭損失的變化，使此處流速高達3.46m/s，判定為急流，由于流速過快而導致此斷面水位降低，因此水位較HEC-RAS計算值偏低。

貴州大部分河流屬山區(qū)河流，河道比降較大，涉水建筑物多，急流、緩流突變現(xiàn)象較為普遍。而PHAC程序在編程時忽略了河段斷面處的“急-緩”流突變和涉水建筑物前后水位漲落等因素，計算結(jié)果勢必會存在較大偏差，與工程實際匹配性較差，需逐斷面調(diào)試，才能使成果合理。而HEC-RAS模型設置時充分考慮水流突變和橋梁等涉水建筑物的擴散與收縮系數(shù)變化等因素[10]，相應計算獲得的水位數(shù)據(jù)與工程實際不會出現(xiàn)較大偏差，水面線光滑平順，能合理體現(xiàn)河道中橋、涵等涉水建筑物的壅水影響。

4 結(jié)論

利用HEC-RAS軟件建立恒定流水面線推求數(shù)學模型，結(jié)合“雨洪法”對高樓坪河河道的洪水水面線進行模擬推演，計算結(jié)果能形象反映出不同流況下洪水淹沒、橋(涵)阻水雍高等過程特性。將HEC-RAS模型應用于河道防洪水力計算領域，可在較短時間內(nèi)完成多個河道整治方案的水面線推求。通過圖、表等，為設計人員準確掌握涉水建筑物壅水范圍及河道行洪能力，并進行合理參數(shù)優(yōu)化提供詳實參考數(shù)據(jù)，確保河道治理方案與工程實際具備良好匹配性能，提高防洪規(guī)劃整體水平，保障河道行洪安全。

表2 HEC-RAS模型與PHAC程序洪水水面線推求成果對比