HEC-RAS軟件在水面線計算中的應用
——以養息牧河(新民段)為例

馬景健

(朝陽市江河流域保護管理局，遼寧 朝陽 122000)

1 流域概況

養息牧河發源于彰武縣科爾沁沙丘南緣的章古臺鎮，流經彰武縣中部地區。總流域面積1861 km2，全長129 km，比降0.0007～0.0015。彰武縣境內干支流分布在14個鄉86個自然村，控制面積1552 km2，占彰武縣面積的41.7%。流經新民縣的5個鄉鎮，境內河長35 km，河寬50～100 m。

養息牧河是遼河一級支流，養息牧河干流上無水庫，支流建有巨龍湖1座中型水庫。同時還建有小(1)型水庫8座，均在阜新市境內，總庫容0.2469億m3，設計庫容0.1834億m3，興利庫容0.1332億m3。距遼河口8.6 km處建小荒地水文站，小荒地水文站以上集水面積1783 km2。具有1954—2012年59年水文資料系列。流域內設有雨量監測站7處。

流域內雨量站降雨及小荒地站水文資料，由遼寧省河庫管理服務中心沈陽分中心按有關規范整編刊印。資料完整性較好，精度較高，具有代表性，可用來分析、計算供設計部門采用。小荒地水文站三年大水及近年實測洪水情況見表1。

表1 小荒地水文站三年大水及近年實測洪水情況

養息牧河具有明顯的季節性河流特點，枯水期河道基本斷流，河床比降較大，主汛期流量較大，水量下泄快。洪水主要由暴雨產生，雨期比較集中，7月、8月兩月降水量占全年降水量的55%以上。一次洪水的歷時，大約在24 h左右，屬于陡漲陡落的山區性河流，峰型多是單峰型式，雙峰或多峰的型式也時有發生。連續兩次洪水的歷時，一般為3～5 d。

實測最大洪水1290 s/m3(1969年9月3日小荒地水文站)，平均含沙量5.1 kg/m3，年均徑流量0.71億m3(1955—2010年)。

2 推求設計洪水

2.1 根據洪峰流量推求設計洪水

目前，從小荒地水文站收集到1939—2010年共6年的洪峰流量資料，(無1944—1949年的洪峰流量資料)，養息牧河的小荒地水文站實測最大洪水排名前三位的依次是：1969年洪峰流量1290 m3/s(1969年9月3日小荒地站)，相應水位40.20 m；1975年洪峰流量962 m3/s，相應水位38.95 m； 1991年洪峰流量720 m3/s，相應水位37.74 m。經調查考證，1969年的洪水是歷史特大洪水，在此之前無歷史特大洪水。

用矩法進行頻率計算，分別推求出10年、20年、50年、100年一遇的洪峰流量[1]。其平均流量為206 m3/s，Cv=1.1，Cs/Cv=3.5。

2.2 根據暴雨資料推求設計洪水

此方法依據《遼寧省中小河流(無資料地區)設計暴雨洪水計算方法》進行計算。

2.3 設計洪水分析計算

養息牧河流域特性如下：位于水文分區Ⅱ區，屬于西部非飽和產流地區，總流域面積1861.00 km2，洪水產流面積375.61 km2，河長35 km，平均比降0.85‰。

由于養息牧河洪水期產流面積均超過300 km2，因此，采用面積超過300 km2以上的方法分析計算設計洪水。

(1)設計暴雨計算。分別求出1 h、6 h、24 h及3 d設計雨量和面雨量，結果分別見表2～表4。

表2 皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數kp值

表3 養息牧河設計面雨量計算結果 mm

表4 養息牧河各頻率設計暴雨雨量分配過程 mm

(2)產流參數計算。查附表2～表3得Ⅱ區的各項參數如下表5。

表5 西部非飽和產流模型產流參數表

(3)根據西部非飽和產流模型，計算徑流設計凈雨過程如表6。

表6 養息牧河各頻率設計凈雨過程表 mm

(4)可能最大洪水過程線的推求。根據本流域的面積、河長、比降等流域幾何特性和水文分區參數特性計算本區域的綜合經驗單位線，有了時段單位線，將按上述推求的凈雨過程，用“一刀切”的方法平扣時段凈雨(使其量等于地下徑流量—本地區是西部采用徑流總量的15%)后所得的地表凈雨過程乘以時段單位線，并錯后△t=3 h相加即得到地面徑流過程線，最后再把地下徑流概化為等腰三角形還原到地面徑流過程線的底部，令其底寬等于地面徑流過程線的兩倍，峰值對準其終點，即得可能最大洪水過程線，洪峰流量見表7，其可能最大洪水過程線如圖1。

表7 養息牧河各頻率洪峰流量統計結果

圖1 養息牧河設計洪水過程線

2.4 成果合理性分析

從表8可以看出，兩種計算方法所求得的設計洪水相差不大，利用流量資料計算的成果大一些，為安全考慮，設計洪水成果采用根據洪峰流量推求設計洪水方法。

表8 養息牧河不同計算方法設計洪水成果比較 m3·s-1

3 水面線計算

3.1 計算條件

本次從中選擇31個斷面(Y1～Y31 )，采用HEC-RAS推求水面線。軟件需要輸入河道各斷面的里程及高程資料，主河槽的坐標(相對坐標、絕對坐標皆可)，橋梁的高程、橋板的厚度、橋梁長度、橋墩形式、橋孔數等，河道主河槽及灘地糙率，設計洪水流量，起始水位[2-3]。

3.2 起始水位確定

本次遇到的難點是起始水位的資料無法獲得，只有河道中下游小荒地水文站各年的流量和水位資料。一般的，起始水位有以下幾種確定方式[4]：

(1)根據下游入河口的歷史資料直接獲得。一般的，小河匯入大河，大河匯入海洋，大江大河的水文站較多，加之歷史上長期的工程治理，資料十分豐富。河道的每一處水位資料都有章可循，作為中小型河道治理，一般以匯入河流的回水位作為起始水位，但也有學者認為這樣的處理會使推求水面線的結果偏高。為安全起見，在沒有其他資料的充分論證之后，這種確定起始水位的方式也是較常用的辦法。

(2)根據水文站的水位資料擬合起始水位。如果水文站位于河道旁，在有充分的水文站實測資料下，根據水位流量的對應關系，可以確定設計洪水年水文站平時實際測量時斷面的水位。如果本次河道治理的起始斷面位于河道的下游，根據河道的比降可以大致假設這一點的水位，然后根據水面線計算公式或者利用軟件向上推求自水文站實測斷面處的水位，兩者比較，通過假設反復推求直至兩者相差不大于0.05 m。如果起始斷面在水文站上游，方法同理。

(3)利用明渠恒定非均勻流公式求起始水位。根據，通過資料確定糙率、比降后。假設h，根據地形資料可以量出面積和濕周，采用試算法，以此也可以確定起始水位。

在確定起始水位過程中，調查周圍已建設堤防的高程、防洪標準、完好程度，減去其超高后可作為此處起始水位的參照，以在一定程度上判斷此處起始水位的合理性。

本次設計由于無法獲得遼河的詳細資料，采用上述方法二計算。通過小荒地多年的實測資料，確定小荒地水文站測量斷面處—Y26斷面(基本水尺兼測流斷面位于新革公路橋下游側)的10年一遇洪水位為37.15 m，20年一遇洪水位為37.743 m。由HEC-RAS反復驗算得出起始水位10年一遇為36.20 m，20年一遇為37.10 m。

3.3 軟件應用

分析計算采用HEC-RAS軟件。

3.4 計算結果

本次設計以新革大橋為界，上游段設計流量為10年一遇499 m3/s，下游段設計流量為20年一遇678 m3/s。

通過計算，可得養息牧河新民段P=5%和P=10%水面線，水面線縱斷面圖見圖2。

通過推算水面線發現，河道上游的彰武臺門橋、李屯橋、吳屯橋及其橋路，在新規劃的左右堤內阻水嚴重，建議有關部門在堤防施工期拆除重建，本次設計不考慮此項內容。

圖2 養息牧河(新民段)縱斷面圖

4 結 論

通過實際案例分析，采用HEC-RAS建模推算水面線，計算結果較為合理，但HEC-RAS建模需要輸入的參數較多，計算中要耐心核對參數數據。HEC-RAS建模推算水面線較傳統的試算法比較，在保證計算結果精度的基礎上，也大大節省了計算時間。