HEC—RAS軟件在黃河下游引黃灌區渠道水面線推求中的應用

2018-03-29 07:26:06王鳳群

水利技術監督 2018年2期

王鳳群，辛然

(1.河南黃河勘測設計研究院，河南鄭州 450003；2.鄭州市第四中學，河南鄭州 450003)

1 基本情況

黃河下游承擔著向河南、山東兩省沿黃地區提供生產、生活和生態供水任務，以及引黃入冀、引黃濟滄、向天津市和南四湖應急調水任務。隨著黃河小浪底水庫調水調沙的運用，近年來，黃河下游河道由于河床下切、河勢變化、渠道淤積、灌溉工程不配套等因素影響，使引水條件與設計情況相比發生了變化，造成部分引黃灌區引水困難，特別是每年3、4月份，黃河來水量小，水位低，部分河段引黃涵閘出現了無法正常引水的情況，影響了工農業生產。

水面線推求是引黃灌區渠道改擴建工程設計工作重要環節，其推求成果直接關系到渠道改擴建方案及跨渠建筑物布置形式，對工程規模及投資影響巨大。由于引黃灌區擴建工程所涉及渠道較長、建筑物較多、改擴建比選方案繁雜，有必要選用適當的水力計算軟件快速、準確地推求多種改擴建方案的水面線成果。

2 工程概況

以黃河下游彭樓引黃灌區為例，該灌區是跨魯、豫兩省的大型引黃灌區，始建于1959年，干渠全長107.52km，設計灌溉面積230萬畝。隨著黃河小浪底水庫的調水調沙運用，樓穿堤閘閘前大河河槽下切嚴重，造成彭樓引黃灌區引水困難。因此，迫切需要對彭樓灌區進行改擴建，緩解彭樓灌區區域水資源缺乏狀況，為保障灌區農業發展創造條件。彭樓灌區改擴建工程從河南省范縣彭樓險工渠首閘取水，修建涵閘穿越黃河左岸大堤(樁號106+600)，而后經濮西干渠進入山東省聊城市境內。其中北金堤及以南(黃委管轄范圍內黃河河道及滯洪區范圍內)工程建設內容包括①渠首段：彭樓險工渠首閘1座，黃河河道內新建引渠928m，彭樓穿堤閘1座；②干渠段：毛崗泵閘站1座，樞紐閘(辛楊、濮東)2座，節制閘(畢莊、文早、高莊、路莊)4座，穿金堤河倒虹吸1座，北金堤穿堤閘(高堤口閘)1座，改擴建渠道15.76km，跨渠橋梁28座。彭樓險工渠首閘自流引水穿黃河大堤后經毛崗泵閘站揚水輸水至干渠段。

3 水面線推求過程

3.1 HEC—RAS軟件

HEC—RAS軟件是美國陸軍工程兵團開發的一款免費軟件，其整個系統由用戶～圖形交互界面(GUI)子系統、計算單元子系統、數據輸入和管理子系統、圖形和報告輸出子系統組成，其界面簡潔功能強大，可計算渠道、橋、涵、堤、閘門、溢洪道等水工建筑物的復雜水力系統的多種水力因子[1]，在國內外河道水面線推求中得到廣泛應用。

基本原理為明渠恒定非均勻流水面線推求，渠道內任意兩斷面間皆應滿足能量守恒方程：

(1)

式中，Z2、Z1—上、下斷面渠底高程；Y2、Y1—上、下斷面水深；V2、V1—上、下斷面平均流速；α1、α2—動能校正系數；g—重力加速度；he—斷面間水頭損失，包括沿程水頭損失、跨渠建筑物(水閘、涵洞、倒虹吸、橋梁等)局部水頭損失。

3.2 推求思路

(1)渠首段(彭樓險工渠首閘～毛崗泵閘站前池)

擬定不同的渠道參數、閘底板高程、閘孔尺寸的情況下，選定毛崗泵閘站前池水位作為控制(初始)水位，而后在設計流量下根據能量守恒方程向上游推算渠首段渠道水面線，若彭樓險工渠首閘閘前水位與文獻[2]沖刷最大狀態時大河水位49.98m一致，則此刻水面線即為所求。

(2)干渠段(毛崗泵閘站出水池～路莊節制閘)

假設渠道參數、跨渠建筑尺寸，以干渠段下游末端高堤口穿北金堤閘涵洞出口處水位47.09m作為干渠段水面線推求控制水位，根據能量守恒方程向上游推算渠道水面線，而后根據該水面線布置渠堤以及跨渠建筑物，分析工程布置是否合理、工程投資是否經濟。

水面線推求思路如圖1所示。

圖1 水面線推求思路

3.3 邊界條件

(1)渠首段邊界條件(見表1)。

表1 渠首段(彭樓險工渠首閘～毛崗泵閘站前池)渠道水面線推求邊界條件

(2)干渠段邊界條件(見表2)。

4 水面線推求成果

HEC—RAS軟件能夠提供每個斷面包括水位在內諸多水利因子以及水面線圖示成果。計算成果見表3、4、圖2、3。

5 結語

渠系改擴建工程涉及建筑物較多，比選方案復雜多變，采用傳統意義上根據設計規范推薦公式推求水面線雖然能夠滿足工作，但效率相對低下，設計人員的精力更多損耗在重復的方案比選計算工作中。因此，將HEC—RAS軟件應用渠系改擴建工程多方案水面線計算中是一種有意義的嘗試。軟件應用表明：計算效率大幅提高且精度能夠設計規范要求；計算參數調整快捷、方便，能夠快速計算不同邊界條件下多種方案，將設計人員從重復的計算工作中解脫出來，將更多的精力用于方案優化中。

隨著小浪底水庫的持續運用，黃河下游涵閘引水能力不足問題將更加突出，建議將該軟件更多應用于黃河下游灌區渠系改擴建工程建設中。