HEC- RAS 模型在河流治理工程方案論證中的應用

彭小波（株洲水文站 株洲市 412000）

HEC- RAS 模型在河流治理工程方案論證中的應用

彭小波
（株洲水文站 株洲市 412000）

一維河道水力學模型HEC-RAS可以準確、直觀地模擬各種阻水建筑物的壅水影響相應河道水面線變化。為分析攸縣盤陂江河道整治方案的可行性和合理性，盡可能減少交叉建筑物、河岸洲灘對河道行洪能力的影響，利用HEC-RAS模型對盤陂江整治前和整治后的河道水面線進行分析計算，為河道整治方案優化設計提供了決策參考。

HECRAS模型 水力計算 水面線 河道整治

前言

HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團水文工程中心開發的水面線計算模型和專用軟件包，適用于河道穩定和非穩定一維水力計算，其功能強大，可進行各種涉水建筑物（如橋梁、涵洞、防洪堤、堰、水庫、塊狀阻水建筑物等）的水面線分析計算，同時可生成橫斷面形態圖、流量及水位過程曲線、復式河道三維斷面等各種分析圖表，使用方便[1，2]。本文以湖南省攸縣盤陂江河道整治工程為例，運用該軟件中的穩定一維水力學模型對河道整治方案進行分析。

1 計算方法

HEC-RAS水面線計算軟件包方法把橋涵等阻水水工建筑物引起的能量損失分為三部分：第一部分為阻水水工建筑物占用過流斷面使上游側水流收縮引起的能量損失；第二部分為收縮的水流經過阻水水工建筑物后再擴散所引起的能量損失；第三部分為各種形狀水工建筑物本身造成的能量損失。該方法既根據糙率的縱橫向分布考慮了灘、槽的流量分配，又考慮了糙率隨水位變化的因素，還結合各種形狀水工建筑物的阻水機理考慮了其引起的局部阻力，方法成熟，應用較廣。其基本方程是根據河道內兩斷面間應滿足能量守恒定律導得的，即：

式中 Ws1、V1、α1和Ws2、V2、α2——分別為計算河段下游、上游斷面的水位、平均流速和流速系數；

he——河段能量水頭損失；

Sf——河段摩阻坡度；

g——重力加速度；

C——斷面擴散或收縮系數，其取值如表l。

表1 斷面擴散與收縮系數C值

L——按流量加權的河段長度，可按下式計算：

式中 Lf1、Lf2、Lm和 Qf1、Qf2、Qm——為河段內左、右灘、主槽的河段長度和過水流量。

流量系數可采用河段平均系數，計算公式為：

式中 Af1、Af2、Am、A和 Kf1、Kf2、Km、K——為河段內左、右灘、主槽及 全斷面的過水斷面積和流量模數;

n——為灘地或主槽糙率系數；

A、R——為各部分過水斷面面積和水力半徑。

水面計算的平均摩阻坡度方程如下：

2 應用實例

2.1 基本情況

（1）流域概況。項目區位于攸水支流珠麗江的一級支流——盤陂江中下游河段。盤陂江河口位于酒埠江水庫下游，發源于攸縣紫薇峰，流經攸縣草田、大坪、王鋪、響石、大阪橋和早山洲，最后在界江匯入珠麗江。盤陂江干流長度29 km，干流平均坡降4.52‰，控制流域面積101 km2，占整個攸水流域的8.5%。

（2）治理方案。對嚴重淤積長1.723 km的河段進行清淤疏浚處理，對頂流當沖或岸坡較陡的河段長2.207 km（左岸0.744 km，右岸1.463 km）采用仰斜式漿砌石擋墻護岸，對岸坡長13.512 km（右岸6.803 km，左岸6.709 km）的河段采用格賓護腳+雷諾護墊護坡。

2.2 計算條件

（1）防洪標準。依據 《防洪標準》（GB 50201-94）[3]，保護對象為農村，保護區人口小于20萬人，保護農田面積小于5萬畝。考慮本工程的實際情況，防洪標準為5年一遇。

（2）設計洪水。該流域無實測水文資料，設計洪水計算采用附近的攸水干流的黃豐橋水文站作為比擬流域采用水文比擬法計算，并以小流域設計暴雨洪水法作為對比，綜合確定流域設計洪水流量，計算結果見表2。

（3）河槽糙率。河槽糙率是反映河流阻力的一個綜合性系數，也是衡量河流能量損失大小的一個特征值。計算參考相關資料中關于糙率的界定方法，對糙率進行綜合分析確定，一并列入表2。

表2 河段水面線計算參數表

2.3 成果分析

以盤陂江河口的水位作為控制水位，利用實測斷面，同時考慮河道內橋梁與陂壩的影響，利用HECRAS軟件分別求得工程前后5年一遇水面線成果，計算結果列入表3。

表3 盤陂江干流水面線計算成果表（P=20%）

表3（續）

由水面線計算成果表可以看出：

（1）盤陂江治理工程，通過河道清淤疏浚、拆除河道阻水建筑物，對河道岸坡進行整治后，5年一遇河道水面線降低了（0～0.42）m。

（2）盤陂江工程前斷面流速介于（0.89～3.24）m/s之間，整治后河道流速介于 （0.93～3.26）m/s之間，即河道整治后，由于糙率降低，流速普遍加大，流速增幅為（0～0.44）m/s，對河道的沖刷普遍加劇。因此工程方案應考慮對河道沖刷的影響。

3 結 語

利用 HEC-RAS模型和軟件包建立的盤陂江河道水力計算數學模型，對河道整治前后盤陂江河道的水面線進行了計算。實踐證明，HEC-RAS具備在較復雜水力條件下分析多種結構類型涉水建筑物壅水影響的能力，方法合理，成果可靠，為類似分析和工程設計計算開辟了新的途徑。

[1]方園皓，張行南，夏達忠.HEC-RAS系列模型在洪水演進模擬中的應用研究[J].三峽大學學報（自然科學版），2011，33（2）:12-15.

[2]楊揚，郝敏，史源，等.HEC-RAS分析多種結構類型橋梁壅水相互影響的應用 [J].山西水利，2010，（8）:37-38.

[3]GB 50201-2014.防洪標準[S].北京：中國計劃出版社，2013.

2016-05-27）

彭小波（1975-），男，大學本科，工程師，主要從事水文監測工作。