HEC-RAS模型在山區(qū)河流水面線推求中的應(yīng)用

吳名劍，羅志遠(yuǎn)，尹智力

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002)

河道水面線推求是河道防洪治理工程設(shè)計(jì)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(chǔ)。常規(guī)逐段試算推演法，在計(jì)算全面性、準(zhǔn)確性和合理性方面很難滿足工程實(shí)際應(yīng)用需求，尤其對(duì)于流態(tài)復(fù)雜的天然河道，往往花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)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(jìn)行一維恒定流和非恒定流水面線的推求，不僅可以計(jì)算緩流、急流及混合流等各種流態(tài)，同時(shí)可對(duì)各種涉水建筑物(如橋梁、堰壩、涵洞、堤防等)的阻水作用進(jìn)行計(jì)算模擬[2]，為科學(xué)化、精細(xì)化和精益化防洪規(guī)劃設(shè)計(jì)工作提供重要的模擬數(shù)據(jù)資料，確保設(shè)計(jì)方案與工程實(shí)際更加匹配。

1 恒定流水面線推求數(shù)學(xué)模型

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

(1)

(2)

式中，z1、z2，V1、V2，a1、a2—計(jì)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(quán)系數(shù)；He—計(jì)算河段水頭損失；L—計(jì)算河段總長(zhǎng)度；Sf—計(jì)算河段水頭損失平均坡段；C—計(jì)算斷面擴(kuò)散或收縮損失系數(shù)[4]。

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

圖1 橋位處計(jì)算斷面布置示意

從圖1可知，由于橋、涵等涉水建筑物對(duì)水面的侵占，河道行洪斷面會(huì)收縮和擴(kuò)散。在HEC-RAS建模中，需考慮流經(jīng)涉水建筑物時(shí)產(chǎn)生的能量損失，即：由于涉水建筑物對(duì)河段過(guò)水?dāng)嗝娴那终?，水流流?jīng)時(shí)上游水流面收窄和下游水流面擴(kuò)散過(guò)程中的能量損失；碰撞、沖刷等過(guò)程中的能量損失。各流況下計(jì)算斷面收縮和擴(kuò)散的設(shè)計(jì)系數(shù)取值為：①漸變流況：擴(kuò)散系數(shù)0.3，收縮系數(shù)0.1；②橋梁流況：擴(kuò)散系數(shù)0.5，收縮系數(shù)0.3；③聚變流況：擴(kuò)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(jìn)行洪水位推演，即可推求出設(shè)計(jì)洪水水面線。恒定流HEC-RAS模型水面線推求，充分考慮了計(jì)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(shí)例研究

以貴州銅仁市萬(wàn)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(duì)象，采用恒定流HEC-RAS模型推求設(shè)計(jì)洪水水面線，為工程設(shè)計(jì)提供詳實(shí)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(wàn)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(duì)、陸家屯、高樓坪、野牛山、萬(wàn)山茶場(chǎng)，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(wàn)家屯注入舞水。高樓坪河萬(wàn)山茶場(chǎng)以上流域總面積14.9km2，河長(zhǎng)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(shè)置

高樓坪河兩岸主要為農(nóng)田，按GB50201- 2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》，保護(hù)對(duì)象為農(nóng)田，設(shè)計(jì)洪水按5年一遇(p=20%)。根據(jù)天然河道的縱、橫斷面測(cè)量資料，采用HEC-RAS恒定流計(jì)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(jì)算河段共實(shí)測(cè)23個(gè)橫斷面資料，縱斷面4.05km，其中河斷面20個(gè)，橋斷面3個(gè)。在各控制斷面設(shè)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(jì)算

對(duì)高樓坪河兩岸居民的詢問(wèn)，調(diào)查到1995年、2006年歷史洪水，其中1995年為近幾十年來(lái)最大的一場(chǎng)洪水。根據(jù)調(diào)查者最大年齡并結(jié)合萬(wàn)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(duì)貴州省內(nèi)中小型流域大多無(wú)實(shí)測(cè)水文資料的特點(diǎn)，陳家琦工程師提出基于設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水的“雨洪法”進(jìn)行河流洪水計(jì)算，可獲得不同時(shí)段詳實(shí)可靠的洪水?dāng)?shù)據(jù)[7]。根據(jù)《貴州省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)》，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(jì)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(chǎng)河道情況，結(jié)合歷史洪水調(diào)查及實(shí)測(cè)資料，確定主河槽糙率n=0.035，灘地糙率n=0.05。根據(jù)測(cè)時(shí)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(duì)控制斷面進(jìn)行水位流量關(guān)系計(jì)算，即：

(4)

式中，Q—流量；n—河道糙率；A—過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，A=RX；R—水力半徑；X—濕周；j—主河道平均坡降。

3 計(jì)算成果及對(duì)比分析

利用HEC-RAS模型按式(3)、(4)計(jì)算得不同斷面的河道比降、流速、過(guò)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?jǐn)嗝嫣卣鲾?shù)據(jù)和洪水水面線推求成果，見(jiàn)表1和圖4所示。

表1 高樓坪河5年一遇洪水部分?jǐn)嗝?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(yàn)證HEC-RAS模型在山區(qū)河流水面線推求中的適用性和準(zhǔn)確可靠性，與羅永強(qiáng)高工編制的PHAC程序計(jì)算成果進(jìn)行比對(duì)分析，見(jiàn)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(kuò)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(rèn)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(jì)算時(shí)，由于局部水頭損失的變化，使此處流速高達(dá)3.46m/s，判定為急流，由于流速過(guò)快而導(dǎo)致此斷面水位降低，因此水位較HEC-RAS計(jì)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(shí)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(jì)算結(jié)果勢(shì)必會(huì)存在較大偏差，與工程實(shí)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(shè)置時(shí)充分考慮水流突變和橋梁等涉水建筑物的擴(kuò)散與收縮系數(shù)變化等因素[10]，相應(yīng)計(jì)算獲得的水位數(shù)據(jù)與工程實(shí)際不會(huì)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(xué)模型，結(jié)合“雨洪法”對(duì)高樓坪河河道的洪水水面線進(jìn)行模擬推演，計(jì)算結(jié)果能形象反映出不同流況下洪水淹沒(méi)、橋(涵)阻水雍高等過(guò)程特性。將HEC-RAS模型應(yīng)用于河道防洪水力計(jì)算領(lǐng)域，可在較短時(shí)間內(nèi)完成多個(gè)河道整治方案的水面線推求。通過(guò)圖、表等，為設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)確掌握涉水建筑物壅水范圍及河道行洪能力，并進(jìn)行合理參數(shù)優(yōu)化提供詳實(shí)參考數(shù)據(jù)，確保河道治理方案與工程實(shí)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(duì)比