HEC-RAS 模型在山區河道劃界中的應用

杜 麥，陳小威

（1.石家莊豐水工程咨詢有限公司，河北 石家莊 050000；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 引言

近年來，由于河道管理范圍不明確，四亂等行為時有發生，影響河道行洪及人民群眾生命財產安全[1］，為此對潮河四道河段河道管理范圍進行劃界對其具有重要意義。

依據《河北省河湖管理范圍復核及劃定技術指南》，無堤段河道管理范圍原則上按照歷史最高洪水位或設計洪水位確定。由于歷史最高洪水位難以確定，本次按照設計洪水位確定其管理范圍，故河道水面線推求是河道劃界的重要內容和基礎，其推算結果將直接影響管理范圍的劃定。常規的逐段試算法，對于流態復雜的山區河道，極易出現不合理或無解現象[2］。HEC-RAS（Hydrologic Engineering Center’s River Analysis System）模型是由美國陸軍工程師團開發的一款模型，該模型在山區縱坡較陡的天然河道水面線推求中具有良好的模擬成果[3］，本文利用HEC-RAS 建立一維水力模型對潮河四道河段進行不同流態下設計洪水位推求。

2 計算原理

HEC-RAS 可進行一維恒定流、一維非恒定流模擬，可用于河道坡度不大于10%的天然河道的水面線推求，計算緩流、急流及混合流等多種流態[4］。

2.1 恒定流模擬

基于一維能量方程，通過直接步進方法推求水面線。計算公式如下：

式中：Zu、Zd分別為上、下游斷面水位；au、ad分別為上、下游斷面流速系數；vu、vd分別為上、下游斷面平均流速；hf、hj分別為上下游斷面之間的沿程水頭損失和局部水頭損失。

2.2 非恒定流模擬

基于一維連續性方程和動量方程，計算原理如下：

式中：ρw為水的密度；vi、vj為斷面流速；xi、xj為距離；p為壓力；fi為質量力；v 為流體的運動粘滯系數。

3 模型構建

以河北省豐寧滿族自治縣潮河四道河段為研究對象，建立一維水力模型推求設計洪水水面線。

3.1 研究區域概況

潮河為潮白河支流，屬北三河水系，發源于豐寧滿族自治縣哈拉海灣村，于天橋鎮的前溝門村入灤平縣境內，在古北口鎮入北京市密云縣，最終匯入密云水庫。潮河流域面積6920 km2，其中豐寧縣境內流域面積3336.01 km2。潮河于四道河村建設有大閣水文站，建站時間為1956 年，控制流域面積為1850 km2。

根據豐寧大閣氣象站的統計數據，流域內多年平均氣溫6.4℃，一月份平均氣溫-11.7℃，七月份平均氣溫22.1℃；全面無霜期129 d，多年平均降水量為463 mm；多年平均凈流深60 mm；多年平均水面蒸發量為950 mm，多年平均陸面蒸發量為400 mm；年平均風速2.1 m／s；年平均日照時數為2802 h；多年平均凍土厚度約1.5 m。

本次研究區域為潮河四道河段，研究區域以上流域面積為1862 km2，該段河長約4.6 km，坡降約9.7‰。該段河道為天然河道，兩岸無堤防及護岸，現狀主槽寬15 m～45 m，左右岸為農田或山體，于四道河處建有大閣水文站。

3.2 參數設置

潮河四道河段為山區河道，兩岸為農田和村莊，防洪標準取10 年一遇（P=10%），依據《豐寧滿族自治縣潮河防洪整治規劃》，該段10 年一遇設計洪水為689 m3／s，計算采用一維恒定流，分別采用緩流流態和急流流態推算兩種工況的設計洪水位。

（1）河道斷面

采用2018 年實測斷面，該段共計28 個大斷面，間距約30 m～220 m。

（2）河道糙率

根據現場查勘的河道平面形態、橫斷面形態及河床質粒徑，參考《水力計算手冊》和以往工程，結合水力學參數綜合比選，河道灘地糙率采用0.05，河道主槽糙率采用0.035。

（3）起推斷面

急流工況下，通過敏感性分析，起推斷面位于樁號0+000斷面上游約1 km 處時，對該段水位影響較小，故起推斷面位于樁號0+000 斷面上游約1 km 處，則終點斷面為樁號4+605斷面；同理，緩流工況下，起推斷面位于樁號4+605 斷面下游約2 km 處，終點斷面為樁號0+000 斷面。

（4）起推水位

起推水位根據明渠均勻流計算。

4 計算成果與分析

4.1 計算成果

根據以上參數對四道河段10 年一遇洪水位進行推求，推求成果如表1 所示。由模擬成果可知，急流工況下水位較低，流速較大，緩流工況計算的水位較高而流速較小。

表1 潮河四道河段10 年一遇水面線

續表1

4.2 合理性分析

該河段建有大閣水文站，于1998 年和2011 年發生較大洪水。

為驗證一維水力模型的合理性，采用1998 年、2011 年實測洪水，利用建立的一維模型模擬驗證，將模擬成果與實測成果進行對比，見圖1 和圖2。

圖1 1998 年洪水實測水位與模擬水位對比

圖2 2011 年洪水實測水位與模擬水位對比

由圖可知，兩種工況下模擬成果與實測成果趨勢相同，模擬水位均大于實測水位，但急流工況成果更加接近實測水位，主要原因為該段河道為山區河道，坡度較陡，采用急流流態模擬更加符合實際情況[5］。

1998 年洪水條件下，模擬成果略大于實測水位，流量越大，差距越大；2011 年洪水條件下，流量較小時，兩種工況下模擬成果均與實測成果相近，流量較大時，緩流工況下模擬成果較實測水位增幅較大，急流工況下較實測值有所增加。原因主要有以下兩點：其一，模型采用2018 年實測斷面，相比1998 年和2011 年，河道產生了淤積，導致模擬成果與實測成果相比偏大；其二，流量較大時，洪水出槽，由于本次測量斷面偏窄，使模擬結果產生誤差，相比實測成果有所增大。

綜上，通過建立的一維水動力模型模擬結果可知，與緩流工況相比，急流工況成果更加符合實際，雖在流量較大時急流工況計算成果與實際成果相比偏大，但為確保兩岸農田及村莊安全，為河道管理留足余地，同時考慮近年河道淤積影響，采用該模型急流工況成果進行河道劃界是合適的。

5 管理范圍劃定

根據《河北省河湖管理范圍復核及劃定技術指南》，無堤段劃定原則如下：

無堤防行洪河道，其管理范圍原則上按照歷史最高洪水位或設計洪水位確定。寬淺式、無明顯河型、出山口、過村莊等河段，以滿足河道行洪能力、保護對象防洪安全為原則確定，具體經過有資質的單位分析論證。對于已批復河道防洪整治規劃、實施方案，且河道治理工程正在實施的，按批復的管理范圍劃定。

本次潮河四道河段兩岸均無堤防，河道管理范圍按現狀10 年一遇淹沒范圍劃定，依據沿河道實測的1∶2000 地形圖和10 年一遇洪水位推算成果，最終得到潮河四道河段管理范圍（由于篇幅限制，成果不在計列）。

6 結論

（1）利用HEC-RAS 軟件建立潮河四道河一維水力模型，對該河段進行急流和緩流兩種工況下洪水位推算，由模擬成果知，急流工況水位較低，流速較大，緩流工況水位較高而流速較小。

（2）將建立的一維模型通過1998 年和2011 年實測洪水進行驗證，發現山區河道推求水面線時，采用急流工況即從上而下推求成果更加符合實際。

（3）急流工況下模擬水位較實際水位成果偏大，但可形象的反映洪水過程特性，同時可確保兩岸農田和村莊安全，保障河道行洪安全，為河道管理留下充足空間，考慮近年河道淤積影響，故采用該模擬成果可作為山區河道管理范圍劃定的依據。

（4）依據實測地形圖和急流工況模擬成果，最終可得到潮河四道河段管理范圍。