基于HEC-RAS的重慶市雙河段河道水面線分析

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院 重慶 400000)

一、概述

隨著城市化的建設的快速發展，城市河道行洪能力顯得越發重要，為改善河道淤積，水位起伏波動變化大的問題，需對城市河道進行整治。在河渠規劃治理工程中，水面線計算是河道整治工程中的工作基礎，水面線計算結果的合理性直接影響到工程規模的合理性[1]。目前比較常用的推算水面線的模型包括HEC-RAS、MIKE11等。葉楠[2]采用HEC-RAS模型計算了樺甸市某山洪溝急流水面線，證明了模型有較好的適用性；陳雪冬[3]通過比較HEC-RAS和MIKE11軟件在水面線計算中的差異性，得出HEC-RAS軟件在水面線推求中的優越性，在保證同等計算精度的情況下，HEC-RAS操作更為簡單，用戶界面更加友好。同時，在模型可通過HEC-GEORAS拓展模塊與ARCGIS建立數據接口，可以方便快捷的獲得所需河系的地形資料[4]。

二、模型介紹

HEC-RAS河流分析系統軟件由美國陸軍工程兵團旗下所在的水文工程中心所研發，模型不僅可以用于建立河道斷面、描繪河網圖，還可對相關水利建筑物進行水位線的分析及計算、生成斷面剖面圖和水位-流量關系曲線，模擬結果可為研究區域水資源分析提供有力數據支撐。

(一)恒定流

恒定流模塊主要模擬河道水流在急流、緩流以及臨界流三種不同水流狀態下的水面線。控制公式如下：

(1)

式中,Z1,Z3為斷面水深，m；Z2,Z4為主河道高程，m；α1，α2為流速水頭系數,V1，V2為平均流速，m/s；hc為水頭損失，m；g為重力加速度，m/s2。

(二)非恒定流

非恒定流水動力模型的控制方程為Saint-Venant方程組,控制公式如下：

(2)

式中，Q為流量，m3/s；ν為流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；z為水位，m；A為過水斷面面積，m2；f為摩阻坡度。

三、工程實例

(一)工程概況

工程區地處重慶市都市發達經濟圈內，交通便捷。雙河發源于王廟一帶，經朱家灣、吳家橋、陳家壩一帶，在水竹林處與右岸支流聾耳河匯合，繼續向東流去，在水井坎處匯入石門河，后經桐梓林等地，于大石門處注入御臨河。

圖3.1 雙河河段模型概化圖

(二)模型計算

1.輸入幾何數據。在HEC-RAS模型軟件中，使用River Reach工具繪制河道草圖，見圖3.1。在Cross Section中輸入研究區域內實測地形數據，運用模型插值功能，共獲得計算斷面38個。

2.輸入邊界條件。本次計算河道地形隨高程變化平緩，計算水面線按恒定流進行計算。根據《水利水電工程設計洪水計算規范》的有關規定，應加安全修正值，研究區域為兩江新區城市規劃區，城市化程度高，因此本次設計洪水在計算成果的基礎上加安全修正值20%。根據工程計算需要，在進行水面線計算時，分別以具有代表性的P=0.5%和P=1%設計洪水流量作為邊界條件輸入模型。其中P=0.5%和P=1%設計洪水下的進口端流量值分別為317m3/s和280m3/s，控制斷面對應的斷面水位分別為4.7m和4.27m。

3.糙率的確定。本次設計驗證斷面選取在《龍興工業園區航空產業園片區河道綜合治理工程(一期)—聾耳河、雙河下段初步設計報告》中的水文控制斷面，水位驗證斷面具體位置處于概化河段末端，斷面編號1.3，斷面位置見圖3.1，其中該斷面實測水位值見表3.1。

將P=0.5%下的流量水位值關系作為研究河道的糙率率定階段，通過假定河道糙率反復試算的方式，最終確定研究區域糙率率定值。將P=1%下的流量水位作為模型驗證階段。通過計算河道綜合糙率為0.024～0.03之間，其中DM8、DM7、DM6、DM5、DM4、DM3、DM2、DM1糙率分別為0.0241、0.024、0.026、0.0241、0.03、0.024、0.0253，成果對比分析見表3.5。

表3.5 糙率率定水位與驗證水位成果對比分析(P=0.5%)

4.不同斷面水面線計算結果。通過計算結果來看，模型計算水位值與實測值水位差為0.03m，證明模型基本掌握了該地區的模擬規律，可在其基礎上繼續進行河道水面線研究。利用該模型分別計算不同設計洪水下控制斷面的水位高度，計算結果見表3.6。

表3.6 不同設計洪水水位計算值

在HEC-RAS模型計算過程中，模型表現出良好的工作狀態，但在模型模擬初期，出現了計算不穩定的情況，但隨著時間的向后推移，模型計算趨于穩定，計算結果趨于合理。

四、結語

本次河道糙率確定以及水面線計算建立在實測地形資料的基礎上，同時用于率定驗證的水位計算結果滿足精度要求，因此可認為本次計算成果具有一定的合理性，為雙河段今后的水利工程建設，提供更可靠的基礎數據。