HEC-RAS 模型在河道整治洪水危險性評價中的應用

邱金輝

（樂安縣財政局，江西 樂安 344300）

江西省樂安縣鰲河整治景觀工程主要包括蓄水堰壩、景觀棧橋、生態園路、河道清淤、景觀小品、河道綠化等建設項目，其中蓄水堰壩、景觀棧橋、生態園路及河道中綠化、景觀工程建設均在河道管理范圍內，將占用河道部分面積，對河道行洪可能產生不利影響。為了明確其防洪影響，本文基于HEC-RAS 模型建立鰲河城區段的一維河道水利計算模型，計算項目建成前后洪水位變化，分析景觀工程建設對河道現狀行洪及規劃防洪工程實施等方面的綜合影響。

1 HEC-RAS 模型計算原理

HEC-RAS 軟件進行水面線推求，主要采用以下方法。

一維恒定流基于一維能量方程：

式中：z1、z2，V1、V2，a1、a2為計算河段斷面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系數；He 為計算河段水頭損失；L 為計算河段總長度；Sf為計算河段水頭損失平均坡段；C 為計算斷面擴散或收縮損失系數[1]。

非恒定流基于連續方程和能量方程：

式中：ρ 為流體密度，g/cm3；u 為流速，m/s；f 為質量力，m/s2；P 為水壓力，Pa；λ 為黏系數。

2 實例研究

2.1 研究區域概況

鰲河城區段總長度5.09 km，自上而下分成濕地公園景觀工程、鰲河整治景觀工程、水上樂園景觀工程等三項工程。

2.1.1 規劃濕地公園段

本段河道長度0.865 km，河道左岸靠山，山體可作為天然防洪屏障；右岸分布有大片的河灘地，灘地外側為沿河道路，道路高程較高，路基較穩定，可作為河道護岸工程保障河道外側池頭村防洪安全。

2.1.2 城市建成區段

本段河道長度2.85 km，河道兩岸建筑密集，屬于樂安縣城區的中心地帶。該段河道大部分都已建有砌石護岸，部分護岸為房屋建筑的地基基礎，基本能滿足防洪要求，但沿線護岸不封閉，象山橋下游局部存在防洪缺口。

2.1.3 規劃水上樂園段

本段河道北起現狀翻板壩，南至南環橋，河道長度1.375 km。兩岸現狀為農田，以天然岸坡為主，基本無砌石護岸，防洪能力較低。

2.2 計算范圍

水利計算范圍為城市防洪規劃范圍，計算河道全長5.09km。根據河道地形、地勢及實際河流走向、堰壩、阻水橋梁位置等具體情況建立水利計算概化圖，見圖1。模型計算時考慮了實際存在的橋梁、堰壩等控制建筑物的阻水因素，包括景觀橋、東英角橋、紅衛橋、城關橋、象山橋、東門橋和南環橋等6 座橋梁，以及現狀和規劃的13 座堰壩。

圖1 水利計算概化圖

2.3 計算邊界

計算的上邊界為北環橋及各特征斷面流量邊界，下邊界為水上樂園1# 堰壩堰前水位。水上樂園1# 堰壩堰高1.5 m，堰頂高程151.5 m，堰寬50 m，堰壩下游水位根據堰壩下游600 m 位置斷面正常高水位回推計算得到，進而計算水上樂園1# 堰壩淹沒系數。堰壩上游水位根據以下堰流公式計算：

式中：Q 為過堰流量，取南環橋20年一遇設計洪水299 m3/s；B 為堰頂寬度，為水上樂園堰壩過流寬度50 m；H 為堰前水頭，為計算的水上樂園堰壩堰前水深，m；σ 為淹沒系數，根據上下游水位情況取0.94；m 為流量系數，取0.38；ε 為側收縮系數，取0.96。

根據式（4）計算，水上樂園1#堰壩設計堰頂高程取151.5 m，堰前水頭為2.5 m，則水上樂園1#堰壩20年一遇設計洪水位為154.0 m，見表1。

表1 水利計算邊界條件

2.4 河道斷面概化

模型計算河道斷面根據不同工況采用不同斷面，其中，現狀工況即為現狀實際測量斷面，河底高程為現狀底高程；項目建成后斷面為根據本項目清障、主槽拓寬、景觀工程布置之后的設計斷面，城市建成區段河底高程按河道坡降2%設計；規劃工況斷面為按照城市防洪規劃確定的規劃斷面。模型計算共概化鰲河城區段68 個斷面，平均約60 m 一個斷面。

2.5 計算工況

為分析工程建設對鰲河壅水及對規劃實施的影響，本次評價主要考慮三個工況：工況一，現狀工況，即為鰲河現狀工況，采用現狀河道實測斷面及現狀堰壩；工況二，規劃工況，即為城市防洪規劃工程實施后工況，主要考慮新建堤防和護岸、修復沿線4 堰壩及河道清障；工況三，景觀工程建成后工況，即為本次景觀工程建成后工況，主要是在規劃工況基礎上新建9 座堰壩及在部分河段修建棧橋、生態園路和景觀小品后的工況。

2.6 計算成果分析

2.6.1 水面線分析

計算景觀工程建成后工況20年一遇洪水位，并與現狀工況和規劃工況對比，具體成果見圖2。

圖2 各工況水面線比較圖

（1）濕地公園段

由于濕地公園尾現有自來水廠水壩，堰頂高程162.7 m，堰寬56 m，規劃保留現狀堰壩及其規模，而本次景觀工程擬將原有堰壩進行改造，堰寬增加至60 m，堰寬較現狀和規劃工況均有所加長，因此堰上游洪水位稍有降低，20年一遇洪水位降低0.07 m。

（2）建成區段

建成區段各工況的差別主要是河道斷面和堰壩分布。現狀工況河床灘地分布廣且局部地帶被占為種植地，沿線分布3 座堰壩，分別是1#堰壩、6#堰壩和景觀橋橋位置翻板壩；規劃工況對現狀河床內種植地進行清障，并修復現有3 座堰壩；本景觀工程建成后工況在規劃工況基礎上加高景觀橋位置現狀翻板壩，壩頂高程從現狀的153.53 m 加高至154 m，并在上游沿線共新增堰壩7 座，沿線斷面與現狀工況的差異主要是局部清障疏浚、主槽拓寬和棧橋、園路、景觀節點設置的區別。

根據計算結果，景觀工程實施后，建成區段水位較現狀工況有不同程度的雍高，雍高最為顯著的是現狀翻板壩上游，雍高0.54 m，其次為1#堰壩上游，雍高0.41 m，主要是由于本項目對現狀堰壩進行修復，同時增加了翻板壩壩頂高程引起；對于東門橋～東英角橋之間河段，由于堰壩均為低壩，水位雍高影響不大，沿線棧橋、園路設置提高了河道整體水位，同時，由于本項目對沿線河道主槽進行了拓寬，對河道行洪有一定幫助，綜合影響下，東門橋～東英角橋之間河段景觀工程建成后影響不大，水位雍高基本在0.3 m 以下。

對于規劃工況，由于規劃清障工程實施，規劃河道大部分河段水位較現狀有所降低，僅在1#堰壩、6#堰壩、現狀翻板壩位置由于堰壩修復水位較現狀工況有所抬高。相比規劃工況，景觀工程建成后水位較規劃水位高0.01 m～0.52 m。

（3）水上樂園段

現狀工況和規劃工況該段為天然河道，主槽較窄，僅約12m，主槽兩側高程較低，易發生漫灘現象，兩岸灘地寬闊，水流較緩。水上樂園擬建涉水工程主要是新建1# 堰壩和2# 堰壩，并在灘地上布置景觀小品，由于灘地面積大，景觀小品設置對其影響較小，主要影響即為堰壩上游水位雍高影響，其中2# 堰壩雍高0.55 m，1# 堰壩雍高0.5 m。

2.6.2 淤積分析

鰲河洪水暴漲暴落，由于堰壩對洪水存在一定的阻礙作用，會在一定程度上降低流速，故洪水攜帶的大量河床質易在堰壩上游沉積，久而久之造成堰壩上游側淤積，堰前正常蓄水深度及水面面積均減小，不利于河道水景觀，因此相關部門應該加強管理，定期對堰前淤積物進行清理，恢復河道水面。

2.6.3 河勢影響分析

根據鰲河沿線地質勘察資料，鰲河地層巖性主要為素填土、粗砂、強風化花崗巖，其中素填土分布厚度一般0.8 m～2.1 m，粗砂層頂板埋深1.6 m～4.3 m，強風化花崗巖頂板埋深2.5 m～5.5 m。本項目濕地公園和水上樂園堰壩對壩后天然河床沖刷約2.2 m 左右，設計考慮了沖刷影響，并在壩后分別設置了消力池消能，減小沖刷影響，因此不會影響對河勢穩定。鰲河沿線堰壩基本為低堰，河床沖刷深度在2 m 以內，由于河床底下巖基廣泛分布，沖刷基本不會影響河勢穩定。

3 結論

將HEC-RAS 模型應用于河道防洪水力計算領域，能夠高效完成多個河道整治方案的水面線推求影響分析。由于本項目在河道范圍內新建堰壩、棧橋等阻水工程，造成鰲河河道水面雍高，原規劃堤防高程局部不滿足河道防洪要求，需對局部護岸進行加高。同時，作為帶狀景觀項目，沿線新建棧橋、園路、堰壩、景觀小品等均對河道產生不同程度的壅水。本次評價以不弱化工程景觀效果的同時將防洪影響降到最小的原則，提出調整設計方案和加高加固堤防，并相應優化沿線景觀平臺的措施，取得了良好效果。