HEC-RAS在河道生態治理中的應用
——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.北京林豐源生態環境規劃設計院有限公司，北京 100083；2.灤平縣水務局，河北 灤平 068250)

隨著現代化進程的加快，人們對環境的重視程度越來越高，河道治理也開始向近自然方向發展。為了更有效、迅速地了解在河道生態治理過程中工程措施對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構等因素對水流的影響，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，參照水面線計算公式并采用HEC-RAS軟件對該段河道治理前后進行了水面線分析計算，然后根據治理前后河底不同部位糙率系數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治理工程提供設計參考。

1 軟件功能簡介

HEC-RAS是一款美國水文研究中心開發的河川分析軟件，其實為一個一維恒定流或非恒定流的水力模型，主要用于河道流動分析和洪泛平原區域的確定。系統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備等組成。模型所得結果可以用于洪水區域管理及洪水安全研究分析，以及評價洪水淹沒區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得到廣泛的應用[2]。例如在進行河道整治的時候，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。在推算山區天然河道水面線時，如果水位對工程影響較大，采用HEC-RAS進行推算比較適宜[3]。還有學者將HEC-RAS用于防洪規劃工程中的水面線計算，以直觀判斷現狀河道的防洪能力[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灤河一級支流興洲河上。工程區范圍為灤平縣大屯鄉路南營村西北側(灤平縣與豐寧縣的交界處)，長度3.41 km。涉及1個行政村，即大屯鄉路南營村。

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模性水利工程。幾十年來，除21世紀項目區下游兩岸實施了少部分漿砌石堤防外，項目區目前僅有當地百姓自發修筑的干砌石河堤，其防御標準低、穩定性差，且因年久失修，大多已經損毀。

工程治理內容包括河道清淤、修建跌水、修筑護堤壩和生態護岸、河岸綠化、濕地工程等。治理目標是通過工程治理，使該項目所治理的河道達到防洪標準，改善水質，美化周邊環境。

3 計算條件

3.1 設計洪水流量

本工程治理原則上不改變河流現狀走向，設計河道中心線與現狀河道中心線基本一致，現狀河道上開口基本不變。

根據歷史洪水資料，采用頻率分析法計算波羅諾水文站設計洪水，并采用水文比擬法計算本工程的設計洪峰流量，最后得到興洲河不同重現期的洪峰流量(表1)。項目所在河段的設計標準是10年一遇洪水不漫堤，5年一遇為設計常水位。

表1 流域河流設計洪水成果

3.2 河道糙率值選取

河道糙率是反映河道阻力的一個綜合系數[2]，也是衡量河流能量損失大小的一個特征值。河道糙率是水流與河槽相互作用的產物，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]均可能對河道糙率的大小產生影響。天然河道的糙率一般宜根據實測水位流量資料進行推求，或者根據實測水面線或洪水調查水跡反推糙率[2]。

本工程河道內有常流水，河床主要由細砂和礫石組成，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HEC-RAS河流分析系統計算程序進行計算，按分段恒定非均勻流推求水面線，每隔100 m一個橫斷面。起始水位采用工程末端樁號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 水面線計算

本次HEC-RAS河流分析系統計算程序采用分段求和進行水面線計算，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均為動能矯正系數。

局部水頭損失計算公式為

(2)

式中：ζ表示局部水頭損失系數，其余符號意義同上。

4 結果分析

4.1 HEC-RAS河道水面線計算成果

根據水面線計算結果(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(設計值，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，河道相應標準下的水面線降低，河道水深比治理前大，究其原因可能是因為河道清淤后，河底高程變低造成的。

此外，根據圖1及表2、表3可以發現，治理后，10年一遇標準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，能夠為河道治理方案的制訂及后續河道管理決策提供參考依據。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，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。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核結果

表3 興洲河路南營段河道設計治理后(設計值)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K1+000、K2+000和K3+000位置的橫斷面在治理前均發生過漫堤的現象。經過河道生態治理，采用河道清淤、生態護岸等措施后，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河道水面線計算，能夠為河道治理過程中不同水位條件下的植物搭配提供設計參考。不同的水位深度，植物群落配置會有所區別。例如，垂柳(Salixbabylonica)、山桃(Amygdalusdavidiana)、水蔥(Scirpusvalidus)等見于常水位以上，構成濱水植物群落；在水深0.3～0.9 m區域常見荷花(Nelumbonucifera)、鳶尾(Iristectorum)、莕菜(Nymphoidespeltatum)、蘆葦(Phragmitesaustralis)等淺水區挺水及浮葉和沉水植物群落；水深0.9～2.5 m區域常見眼子菜(Potamogetondistinctus)、黑藻(Hydrillaverticillata)、浮萍(Lemnaminor)、莕菜等深水區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的結果。挺水植物對水深的適應性一般與其植株高度有關，植株高大的適應水深的能力較強，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，千屈菜扦插苗和實生苗均不能存活[10]。有人通過實驗得到茭草(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 結論和建議

治理前興洲河路南營段河道局部淤積嚴重，大部分河段會發生洪水漫堤的現象；采用河道清淤、設置護堤壩和生態護岸措施，同時進行濕地恢復、河岸綠化等工程的建設，能夠達到河道生態治理的良好效果。

采用HEC-RAS軟件進行水面線計算的結果顯示，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，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。采用河道清淤、生態護岸等措施進行河道生態治理后，在10年一遇洪水條件下，能夠防治或者緩解洪水對兩岸的威脅。

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域栽植不同的水生植物群落，如30 cm以內水深區域栽植菖蒲、30～90 cm水深區域栽植蘆葦和莕菜等，常水位以上的河漫灘部分適當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。