HEC-RAS軟件在鳴翠谷景區水面線計算中的應用

全志淼，孫 輝，周 棟

(1.華北水利水電大學水利學院，河南鄭州450046；2.湖北省咸寧市水文水資源勘測局，湖北咸寧437100)

0 引言

近些年來，隨著計算機技術的迅速發展，數學模型越來越多的應用于實際工程的模型分析中，這也給涉河工程的防洪影響評價分析計算提供了可行的、有效且便捷的途徑。本文以宜昌市鳴翠谷景區涉河工程為例，采用HEC-RAS軟件計算其在設計洪水頻率下工程前后的河道水面線，以保證工程建成后景區防洪要求達到20 a一遇[1]。

1 模型介紹

HEC-RAS軟件是美國陸軍工程兵團水文工程中心開發的一款河道水面線的計算軟件，適用于一維、二維河道恒定流或非恒定流水面線的計算，可進行各種涉水建筑物(橋梁、涵洞、堤防、水庫等)的計算模擬，是目前工程界應用最為廣泛的流體動力學計算軟件之一[2]。

本次計算采用天然河道一維恒定流方法進行建模，將計算河道劃分為若干河段，上下相鄰兩斷面間的水位采用下述方程求解[3]：

(1)

2 工程概況

鳴翠谷景區所涉河段位于宜昌市點軍區紫陽河的上游，紫陽河是長江南岸的一級支流，屬山區性河流。紫陽河總體流向由西北流向東南，流域面積11.04 km2，主河道長度8.6 km，河道坡降為34.0‰。流域內有三峽鳴翠谷旅游度假區，為國家AAA級景區。鳴翠谷景區在興建規劃時，河道上配套設計了一個攔水壩，攔截壩河，圍水成湖，形成了一定的湖泊景觀效果的金龜湖。景觀建成運行以來，給人們帶來了一種新的景觀視覺，但也慢慢暴露出一些問題，造成了一定的負面作用。一是攔水壩阻礙了河水流動，把活水基本變為死水，加上兩岸部分景區生活污水直排河道，長時間不開壩換水，水體富氧后，河水就變綠變臭，使水庫成為一個新的污染源，直接影響市民鍛煉休閑，影響景觀應有的效果。二是汛期時，景區遭遇暴雨，由于地處山區，洪水集結十分迅速，而景區攔水壩缺乏有效的泄洪措施，庫區水位容易雍高，引發安全事故，故此進行防洪評價[4]。

本次計算采用《鳴翠谷景區河堤整治工程》整治后設計斷面，斷面樁號自K0+000起至橋址下游K0+740止。主要建筑物參數見表1、表2。樁號的布置見表3，攔水壩處適當加密，整個河段共計劃分為10個斷面[5]。

表1 攔水景觀壩參數 單位：m

表2 橋梁參數計算表

表3 計算斷面樁號表

3 水面線計算結果

涉河段設計洪水標準采用20 a一遇，設計洪水水面線根據河道恒定非均勻流水面曲線基本方程式(水流能量方程式)從上游河段出口斷面向下游進行推算，為對比分析，水面線推算考慮了兩種狀態，一是涉河工程現狀水面線的成果，二是提出工程補救措施整改到位后的水面線情況，兩種情況進行對比分析[6]。

該段河道較為平直，河道主槽較平整，兩岸均采用擋土墻護砌，參考《水力計算手冊》的糙率取值表，由于河道平均寬度不到30 m，且河道均被渠化，本次計算河道主槽、邊灘的糙率統一取0.03[7]。

計算上游斷面在5%設計頻率下對應的下游水位，下游采用樁號K0+740河口為控制斷面。計算成果見圖1、圖2、表3。

圖1 計算斷面的布設

圖2 橋梁建模

從表3中可以看出，本次涉河工程的設計標準為20 a一遇，相應設計流量為79.2 m3/s，除#2橋周邊區域不滿足設計標準，在20 a一遇的設計洪水條件下，水面線高出堤防高程0.53 m，其余河段均滿足20 a一遇洪水的設計標準。#2橋橋面高程較低，斷面深泓高程為91.55 m，橋高1.2 m，橋面高程為92.75 m，20 a一遇洪水條件下水面線為92.83 m，堤防高程為92.30 m。20 a一遇洪水條件下，#2橋會出現漫水的現象，且此時橋邊的堤防高程低于水面線0.53 m，所以現狀河段不滿足相應的防洪要求，故采取以下整改措施：對#2橋周邊進行清淤，降低高程以疏通河道；同時對#2橋周邊河道堤防進行加高，河道整治后水面線計算成果見表4。

表3 鳴翠谷景區河道整治工程前水面線計算成果表

表4 鳴翠谷景區河道整治工程后水面線計算成果表

從表4可以看出，河道整治后鳴翠谷景區在遭遇20 a一遇洪水時，#2橋處水面線92.66 m，而#2橋面高程92.75 m，求得的水面線低于橋面，而且此時堤防已經過加高，堤防高程為94.77 m，高于水面線2.11 m。故此可以得出結論：紫陽河鳴翠谷景區河段經過整治后，在遭遇20 a一遇洪水時，滿足相應的過流要求。

4 結論

HEC-RAS軟件在分析計算涉河工程河段的水面線時簡便實用，工程的適用性較好，軟件模擬結果較為直觀，方法簡單實用、成果也比較可靠，可作為防洪評價工作的工具之一。此外，軟件的使用對工程河段的測量資料，尤其是橫斷面的測量資料精度要求較高。在條件允許的情況下，建議應盡可能地在涉河工程河段多設置測量大斷面，并且將橫斷面間的測點距適當加密，以提高計算的精度。