基于HEC-RAS的水電工程水庫回水計算

李向東

(青海省水利水電勘測規劃設計研究院有限公司，青海 西寧 810000)

水庫回水計算是水利水電工程決策和設計的重要組成，是確定工程淹沒范圍的依據，直接影響工程淹沒對象和環境影響范圍的實際選取，關系到工程蓄水位和汛期水位的合理選定，一定程度上影響著工程建設規模和項目總投資。水庫回水計算影響范圍內從幾十公里至上百公里通常河道蜿蜒曲折，千變萬化的河床及兩岸地形，使得計算邊界條件相當復雜。現行規范采用一維恒定漸變流理論進行分段求和近似計算，計算結果受人為影響有時偏差較大。利用計算機模擬多工況條件下的回水范圍，對開拓回水計算方法提高計算精度十分必要。趙洋等采用HEC-RAS進行了唐家山洪水演進的應用研究取得了較高的計算精度；方園皓等開展的HEC-RAS系列模型的洪水演進模擬，及丁燦等基于HEC-RAS和GIS的潰壩洪水計算都說明模擬計算的可行性和有效性。

本文HEC-RAS(River Analysis System)，河道水力分析系統，利用斷面實測數據通過模型組建對石頭峽水電站庫區回水進行了數值計算，得出了基于不同設計頻率洪水過程線的回水水面線，用于庫區管理及洪水安全分析研究，指導淹沒區域的庫區移民和環境整治。

1 HEC-RAS模型計算原理

HEC-RAS(River Analysis System)，河道水力分析系統，是美國陸軍工程兵團(USACE)水文工程中心(HEC)所開發的可進行一維恒定流和非恒定流的河道水力推算軟件。主要用于明渠河道流動分析和洪泛平原區域的確定。模型所得結果可以用于洪水區域管理以及洪水安全研究分析，用以評價洪水淹沒區域的范圍及危害程度。

本文主要采用非恒定流模塊模擬，其計算原理基于水流連續方程和動量方程，核心計算公式為圣維南方程如式(1)及式(2)所示。

(1)

式中，A—過水斷面面積，m2；Q—流量，m3/s；ql—單位長度旁側入流，m3/(s·m)。

(2)

式中，V—斷面平均流速，m/s；g—重力加速度，m/s2；z—水位，m；Sf—摩阻坡降。

摩阻坡降Sf的確定運用曼寧公式計算：

(3)

式中，n—曼寧系數；R—水力半徑，m。

2 庫區回水模擬結果

軟件計算流程包括如下主要步驟。

(1)水文水利基本資料的收集和整理，包括河道自然條件、多頻率設計洪水流量等。

(2)獲取河道斷面數據，主要通過現場測量獲取河道天然特征斷面，同時結合河道條件和植被初步判斷河道糙率范圍。

(3)HEC-RAS建模計算，首先進行建模幾何設計，再對計算邊界與初始條件進行設定，通過流量數據和邊界條件的輸入完成計算模型搭建和計算。

(4)通過軟件界面查看斷面水深、沿程變化，并導出計算結果數據。

計算步驟如圖1所示。

圖1 HEC-RAS計算步驟

2.1 數模搭建

計算電站上游為NZX水電站，下游為KT電站，調查和測繪初期由壩址向上游測量特征斷面，但計算期上游電站建成所以模擬計算考慮上游電站影響順水流由上至下進行圖表反映。本次計算電站庫區河道的模擬長度為22km，即壩址距上游梯級電站庫區的距離。在已知35個斷面的基礎上，通過在地形圖上內插，獲得79個可計算斷面，如圖2所示。

圖2 石頭峽水面線計算的幾何模型

(1)模型的邊界條件。本次回水曲線分別計算10000a一遇設計洪水過程、5000a一遇設計洪水過程和500a一遇設計洪水過程的回水范圍，屬于非恒定流計算，上游邊界分別采用上述3種洪水過程，其洪峰流量分別為2692、2520和1960m3/s。不同頻率下的洪水過程如圖3所示。

圖3 不同設計頻率洪水過程線

(2)河道糙率的確定。河道糙率是洪水水力計算的重要靈敏參數，糙率的確定是數值計算的關鍵。糙率受眾多因素影響，其值很難準確求得，且河道計算長度較長沿程也不盡一致，通常也只能近似取值。參考水文站位于壩址下游約4km，根據水文站點處不同年份糙率資料分析，河道糙率約為0.025～0.042。為分析糙率取值的合理性，分別取0.025、0.030、0.035、和0.042共計4個組別，以5000a一遇洪水作為參考，計算不同糙率的天然河道水面線和修壩后水面線，如圖4—5所示。

圖4 天然條件不同糙率5000a一遇洪水過程線時最高水面線

圖5 修壩后不同糙率5000a一遇洪水過程線時最高水面線

由圖4—5可以看出，4個糙率取值計算的水面線無論在天然河道還是修壩后水面線，各斷面的水位最大與最小值變幅不大，沒有較明顯的突變現象。鑒于計算河段與水文站觀測點河床有一定差異，尤其是河底地形比較復雜的地方，即使采用某一特定值也不能準確反映沿程變化的特異性，因此采用范圍值的平均值即0.035作為本次回水計算的糙率值，是符合現行回水計算規范和一般水利工程實際經驗的。

2.2 計算分析

(1)10000a一遇洪水過程的回水水面線計算。根據前面建立的幾何模型，上游邊界同時考慮上游電站影響和10000a一遇的設計洪水過程，下游邊界取校核水位3088.54m，采用一維非恒定流模塊進行水面線計算，計算結果如圖6—7所示。

圖6 10000a一遇校核洪水時天然與修壩后沿程水面線

圖7 10000a一遇校核洪水時上游附近的天然與修壩后水面線

由圖6—7可以看出，水庫最高水位工況下，當距壩址20483.83m(距上游1525.05m實測斷面處)時，修壩后水位與天然水位相差0.11m，其上實測斷面出現負值；當距壩址20132.92m(距上游1875.96m實測斷面處)時，修壩后水位與天然水位相差0.54m。因此水庫在10000a一遇最大回水水位和洪水過程運行時，回水末端在距壩址20483.83m(距上游1525.05m)處附近。

(2)5000a一遇洪水過程的回水水面線計算。根據前面建立的幾何模型，上游邊界采用5000a一遇的設計洪水過程，下游邊界取校核水位3088.54m，采用一維非恒定流進行水面線計算，計算結果如圖8—9所示。

圖8 5000a一遇洪水時天然與修壩后水面線

圖9 5000a一遇洪水時上游附近的天然與修壩后水面線

由圖8—9可知，當距壩址20483.83m(距上游1525.05m)時，修壩后水位與天然水位相差0.13m其上實測斷面出現負值；當距壩址20132.92m(距上游1875.96m)時，修壩后水位與天然水位相差0.48m。因此水庫在5000a一遇洪水過程運行時，最大可能回水范圍在距壩址20483.83m(距上游1525.05m)處附近。

(3)500a一遇洪水過程的回水水面線計算。根據前面建立的幾何模型，上游邊界采用500a一遇的設計洪水過程，下游壩前水位分別取邊界取3087.02和3088m。采用一維非恒定流進行水面線計算，計算結果如圖10—11所示。

由圖10—11可知，當壩前水位為3087.02m、距壩址19390.62m(距上游2618.26m)時，修壩后水位與天然水位相差1.97m，說明此情況下的回水范圍在19390.62m(距上游2618.26m)上游附近；當壩前水位為3088.00m時，當距壩址20132.92m(距上游1875.96m)時，修壩后水位與天然水位相差0.30m，其上實測斷面出現負值，由此說明此情況下的回水范圍在20132.92m(距上游1875.96m)上游附近。

圖10 500a一遇設計洪水時天然與修壩后水面線

圖11 500a一遇設計洪水時上游附近的天然與修壩后水面線

(4)低水位時回水水面線計算。低水位時上游附近天然與修壩后水面如圖12所示。

圖12 低水位時上游附近天然與修壩后水面

該工況下取一般工程經驗20a一遇洪水對正常蓄水位3086.0m附近的低水位回水情況進行模擬。由圖12可知，當壩前水位為3085.5～3087.0m、距壩址19390.62m時，修壩后水位與天然水位相差0.76～2.19m；而在距壩址19725.7m處，天然水位都大于上述幾種壩前水位時此處的水位值，由此說明此情況下的回水范圍在19725.7～19390.62m上游附近。

2.3 計算結果

由不同設計頻率洪水過程線計算出的回水水面線可知，不同頻率下，在不同壩前水位條件下，計算出的回水范圍是不同的。設計標準越高，壩前水位越高，回水范圍距壩址越遠。10000和5000a一遇洪水過程的回水范圍距壩前20483.83m處附近；500a一遇洪水過程的回水范圍距壩址20132.92m處。低水位工況下回水范圍距壩址回水范圍距壩址19725.7～19390.62m處。最后確定水庫回水范圍為19725.7～20483.83m。

3 結語

利用HEC-RAS軟件，可以實現利用斷面實測數據通過模型進行數值計算，計算結果中不同設計頻率回水水面線基本與實測結果接近。通過軟件模型分析自動計算，有效地避免了人為因素的干擾，為指導庫區移民和環境整治提供了科學有效的數據支持。

采用HEC-RAS軟件的計算，受其計算理論約束，無法有效地對流域面積內近萬平方公里的地形、植被、氣象等天然條件進行模擬，不可避免地會導致與實際觀測成果的誤差。通過后期觀測對比，模擬計算水位比實際結果偏高。因此，需要從理論層面對回水模擬計算進一步研究，提出改進辦法。