HEC-RAS在河道生態(tài)治理中的應(yīng)用
——以灤平縣興洲河路南營段河道治理工程為例

李丹雄，周連兄，王兆良，楊之恒，賽 碩

(1.北京林豐源生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100083；2.灤平縣水務(wù)局，河北 灤平 068250)

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，人們對(duì)環(huán)境的重視程度越來越高，河道治理也開始向近自然方向發(fā)展。為了更有效、迅速地了解在河道生態(tài)治理過程中工程措施對(duì)水位抬高的影響和河灘植被、河床情況、河道治理前后的斷面結(jié)構(gòu)等因素對(duì)水流的影響，以及不同水位條件下河道植被的配置，我們以灤平縣興洲河路南營段河道為例，參照水面線計(jì)算公式并采用HEC-RAS軟件對(duì)該段河道治理前后進(jìn)行了水面線分析計(jì)算，然后根據(jù)治理前后河底不同部位糙率系數(shù)的差異及各斷面的水位變化分析了河道治理的效果，以期為今后同類河道的生態(tài)治理工程提供設(shè)計(jì)參考。

1 軟件功能簡介

HEC-RAS是一款美國水文研究中心開發(fā)的河川分析軟件，其實(shí)為一個(gè)一維恒定流或非恒定流的水力模型，主要用于河道流動(dòng)分析和洪泛平原區(qū)域的確定。系統(tǒng)主要由圖表使用界面、資料記憶管理裝置、水文分析工具及輸出設(shè)備等組成。模型所得結(jié)果可以用于洪水區(qū)域管理及洪水安全研究分析，以及評(píng)價(jià)洪水淹沒區(qū)域的范圍及危害程度[1]。HEC-RAS軟件在國外河道水面線推算中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[2]。例如在進(jìn)行河道整治的時(shí)候，就要分析考慮河道壅水高度、流速變化、橋涵沖刷等因素對(duì)河流輸水的影響[1]。

目前推求水面線的方法較多。在推算山區(qū)天然河道水面線時(shí)，如果水位對(duì)工程影響較大，采用HEC-RAS進(jìn)行推算比較適宜[3]。還有學(xué)者將HEC-RAS用于防洪規(guī)劃工程中的水面線計(jì)算，以直觀判斷現(xiàn)狀河道的防洪能力[4]。

2 工程概況

興洲河路南營段治理工程位于河北省承德市灤平縣境內(nèi)灤河一級(jí)支流興洲河上。工程區(qū)范圍為灤平縣大屯鄉(xiāng)路南營村西北側(cè)(灤平縣與豐寧縣的交界處)，長度3.41 km。涉及1個(gè)行政村，即大屯鄉(xiāng)路南營村。

本次工程治理的興洲河屬于自然河道，河道上開口寬度85～130 m，目前本工程治理段還沒有規(guī)模性水利工程。幾十年來，除21世紀(jì)項(xiàng)目區(qū)下游兩岸實(shí)施了少部分漿砌石堤防外，項(xiàng)目區(qū)目前僅有當(dāng)?shù)匕傩兆园l(fā)修筑的干砌石河堤，其防御標(biāo)準(zhǔn)低、穩(wěn)定性差，且因年久失修，大多已經(jīng)損毀。

工程治理內(nèi)容包括河道清淤、修建跌水、修筑護(hù)堤壩和生態(tài)護(hù)岸、河岸綠化、濕地工程等。治理目標(biāo)是通過工程治理，使該項(xiàng)目所治理的河道達(dá)到防洪標(biāo)準(zhǔn)，改善水質(zhì)，美化周邊環(huán)境。

3 計(jì)算條件

3.1 設(shè)計(jì)洪水流量

本工程治理原則上不改變河流現(xiàn)狀走向，設(shè)計(jì)河道中心線與現(xiàn)狀河道中心線基本一致，現(xiàn)狀河道上開口基本不變。

根據(jù)歷史洪水資料，采用頻率分析法計(jì)算波羅諾水文站設(shè)計(jì)洪水，并采用水文比擬法計(jì)算本工程的設(shè)計(jì)洪峰流量，最后得到興洲河不同重現(xiàn)期的洪峰流量(表1)。項(xiàng)目所在河段的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是10年一遇洪水不漫堤，5年一遇為設(shè)計(jì)常水位。

表1 流域河流設(shè)計(jì)洪水成果

3.2 河道糙率值選取

河道糙率是反映河道阻力的一個(gè)綜合系數(shù)[2]，也是衡量河流能量損失大小的一個(gè)特征值。河道糙率是水流與河槽相互作用的產(chǎn)物，影響河道糙率的因素既有河槽方面的，也有水流方面的。例如河道內(nèi)半分解和未分解的枯落物可直接增大河道粗糙度，使徑流流速降低[5]。河灘內(nèi)植物本身的形狀、長勢、密度、高矮，以及流速、水深等水流因素[6]均可能對(duì)河道糙率的大小產(chǎn)生影響。天然河道的糙率一般宜根據(jù)實(shí)測水位流量資料進(jìn)行推求，或者根據(jù)實(shí)測水面線或洪水調(diào)查水跡反推糙率[2]。

本工程河道內(nèi)有常流水，河床主要由細(xì)砂和礫石組成，河底有稀疏水草，兩岸岸壁為砂土和巖石，灘地部分由卵石、塊石組成，長有稀疏雜草和灌木，有一部分水流以較低的流速通過這些植物。經(jīng)綜合考慮，河道糙率值選擇0.022 5，灘地及出河槽部分糙率值選擇0.05。

3.3 起推水位確定

采用美國陸軍工程兵團(tuán)HEC-RAS河流分析系統(tǒng)計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，按分段恒定非均勻流推求水面線，每隔100 m一個(gè)橫斷面。起始水位采用工程末端樁號(hào)K4+200往下游1～2 km處的正常水位。河道縱坡比降為1.99‰。

3.4 水面線計(jì)算

本次HEC-RAS河流分析系統(tǒng)計(jì)算程序采用分段求和進(jìn)行水面線計(jì)算，基本公式為

(1)

式中：z1為上游斷面的水位高程，m；z2為下游斷面的水位高程，m；hj為沿程水頭損失，m；hf為局部水頭損失，m；v1為上游斷面的平均流速，m/s；v2為下游斷面的平均流速，m/s；g取9.8，m3/s；a1、a2均為動(dòng)能矯正系數(shù)。

局部水頭損失計(jì)算公式為

(2)

式中：ζ表示局部水頭損失系數(shù)，其余符號(hào)意義同上。

4 結(jié)果分析

4.1 HEC-RAS河道水面線計(jì)算成果

根據(jù)水面線計(jì)算結(jié)果(見表2、表3)，治理前，河道10年一遇洪水的流速為1.47～7.07 m/s，平均水深約為2.88 m；河道20年一遇洪水的流速為1.78～8.01 m/s，平均水深約為 3.27 m。治理后(設(shè)計(jì)值，下同)，河道10年一遇洪水的流速為1.62～6.87 m/s，平均水深約為3.18 m；河道20年一遇洪水的流速為1.87～8.01 m/s，平均水深約為3.67 m。治理后，河道相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)下的水面線降低，河道水深比治理前大，究其原因可能是因?yàn)楹拥狼逵俸螅拥赘叱套兊驮斐傻摹?/p>

此外，根據(jù)圖1及表2、表3可以發(fā)現(xiàn)，治理后，10年一遇標(biāo)準(zhǔn)下的水流流速與治理前相比更趨于一致(治理前平均流速為4.55±1.40 m/s，治理后為4.65±1.28 m/s)，最高流速6.87 m/s也比治理前的7.07 m/s小。

圖1 10年一遇和20年一遇河道治理前后平均流速對(duì)比

4.2 河道治理前后的水位模擬

采用HEC-RAS軟件模擬河道治理前后水位變化情況，能夠?yàn)楹拥乐卫矸桨傅闹朴喖昂罄m(xù)河道管理決策提供參考依據(jù)。圖2—4顯示，治理前，隨著河底縱坡的變化，水深忽高忽低，水面線變化不平穩(wěn)，水流流速急劇變化。與治理前相比，治理后的水面線更加平緩，水深變化平穩(wěn)。在20年一遇洪水條件下，治理前的平均水深為3.30 m，治理后的平均水深為3.67 m，治理后的最大水深(5.57 m)比治理前的最大水深(5.96 m)小了0.39 m。

表2 興洲河路南營段河道治理前水面線復(fù)核結(jié)果

表3 興洲河路南營段河道設(shè)計(jì)治理后(設(shè)計(jì)值)水面線成果

(a)治理前 (b)治理后

圖2 5年一遇洪水條件下的河道縱斷面

(a)治理前

(b)治理后

(a)治理前

(b)治理后

圖5—7顯示，樁號(hào)K1+000、K2+000和K3+000位置的橫斷面在治理前均發(fā)生過漫堤的現(xiàn)象。經(jīng)過河道生態(tài)治理，采用河道清淤、生態(tài)護(hù)岸等措施后，在10年一遇洪水條件下，能夠防治或者緩解洪水對(duì)兩岸的威脅。

(a)治理前

(b)治理后

(a)治理前

(b)治理后

(a)治理前

(b)治理后

4.3 不同水位條件下河道植物配置

通過HEC-RAS河道水面線計(jì)算，能夠?yàn)楹拥乐卫磉^程中不同水位條件下的植物搭配提供設(shè)計(jì)參考。不同的水位深度，植物群落配置會(huì)有所區(qū)別。例如，垂柳(Salixbabylonica)、山桃(Amygdalusdavidiana)、水蔥(Scirpusvalidus)等見于常水位以上，構(gòu)成濱水植物群落；在水深0.3～0.9 m區(qū)域常見荷花(Nelumbonucifera)、鳶尾(Iristectorum)、莕菜(Nymphoidespeltatum)、蘆葦(Phragmitesaustralis)等淺水區(qū)挺水及浮葉和沉水植物群落；水深0.9～2.5 m區(qū)域常見眼子菜(Potamogetondistinctus)、黑藻(Hydrillaverticillata)、浮萍(Lemnaminor)、莕菜等深水區(qū)沉水植物及漂浮植物群落[7]。不同水深條件下水生植物配置不同是水生植物與自然界長期適應(yīng)的結(jié)果。挺水植物對(duì)水深的適應(yīng)性一般與其植株高度有關(guān)，植株高大的適應(yīng)水深的能力較強(qiáng)，例如蘆葦、旱金草(Cyperusalternifolius)等[8]。有研究表明，挺水植物的根莖淹水深度越深，受水深脅迫越大，水生植物根狀莖的生長速率越小[9]。千屈菜(Lythrumsalicaria)扦插苗適合生長于0～10 cm的淺水環(huán)境，最適水深為10 cm，在20 cm水深梯度下生長明顯受到抑制，在40 cm水深梯度下，千屈菜扦插苗和實(shí)生苗均不能存活[10]。有人通過實(shí)驗(yàn)得到茭草(Zizaniacaduciflora)和香蒲(Typhaorientalis)的最適宜生長水深為30 cm，水蔥的最適宜生長水深為0 cm，菖蒲(Acoruscalamus)在0～30 cm的水深均適宜生長[9]。

因此，根據(jù)不同條件下HEC-RAS推求的河道水面線成果，建議在河道治理過程中常水位以下不同水深區(qū)域配置不同的水生植物群落，常水位以上的河漫灘部分可以適當(dāng)栽植耐水濕的灌木及部分水陸兩棲植物，臨河道岸邊可零星栽植垂柳等常見濱水喬木。

5 結(jié)論和建議

治理前興洲河路南營段河道局部淤積嚴(yán)重，大部分河段會(huì)發(fā)生洪水漫堤的現(xiàn)象；采用河道清淤、設(shè)置護(hù)堤壩和生態(tài)護(hù)岸措施，同時(shí)進(jìn)行濕地恢復(fù)、河岸綠化等工程的建設(shè)，能夠達(dá)到河道生態(tài)治理的良好效果。

采用HEC-RAS軟件進(jìn)行水面線計(jì)算的結(jié)果顯示，治理前，隨著河底縱坡的變化，水深忽高忽低，水面線變化不平穩(wěn)，水流流速急劇變化；與治理前比較，治理后的水面線更加平緩，水深變化平穩(wěn)。采用河道清淤、生態(tài)護(hù)岸等措施進(jìn)行河道生態(tài)治理后，在10年一遇洪水條件下，能夠防治或者緩解洪水對(duì)兩岸的威脅。

在河道治理過程中濱水植物的選擇和配置，建議參考不同條件下HEC-RAS推求的河道水面線成果，做到常水位以下不同水深區(qū)域栽植不同的水生植物群落，如30 cm以內(nèi)水深區(qū)域栽植菖蒲、30～90 cm水深區(qū)域栽植蘆葦和莕菜等，常水位以上的河漫灘部分適當(dāng)栽植耐水濕的灌木及部分水陸兩棲植物，如水蔥、千屈菜、女貞(Ligustrumlucidum)等，臨河道岸邊零星栽植常見濱水喬木，如垂柳等。