基于HEC-RAS模型的西安浐河河道水面線計(jì)算

王瑞科

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

洪水災(zāi)害是自然災(zāi)害中最為常見和破壞性最大的一種災(zāi)害類型,會(huì)導(dǎo)致河流水位升高、河道淤積、堤防決口等問題,威脅到河道行洪安全[1]。特別是近年來全球極端降水事件頻發(fā),引發(fā)國內(nèi)外城市洪澇事件多發(fā)且造成城市經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重,如西安市暴雨洪澇災(zāi)害事件呈現(xiàn)頻發(fā),造成交通癱瘓、經(jīng)濟(jì)損失、水環(huán)境等問題[2-3]。浐河是陜西省西安市的母親河,擔(dān)負(fù)著重要的水源供應(yīng)和生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)功能。根據(jù)歷史洪水資料[4],結(jié)合浐河流域地勢平坦、降水集中和城市化進(jìn)程加速等因素,浐河河段多次發(fā)生洪水災(zāi)害且頻繁受到洪水威脅,故凸顯了洪水管理的迫切需求。為確保城市社會(huì)安全、生態(tài)平衡和經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定,浐河河段急需有效的洪水管理和預(yù)防措施,其中洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、防洪工程設(shè)計(jì)以及緊急響應(yīng)計(jì)劃制定都是流域洪水管理的不可或缺的組成部分[5]。河道水面線的推求計(jì)算對(duì)于河道治理、堤防設(shè)計(jì)、防洪規(guī)劃等起著重要的作用[6]。因此,開展浐河河道水面線計(jì)算對(duì)浐河防洪規(guī)劃具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,也對(duì)西安市水安全和地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)緊要。

河道水面線的推求計(jì)算方法多采用曼寧公式和HEC-RAS模型。曼寧公式能用于推算具有實(shí)測資料的斷面水位流量,但在無資料地區(qū)河段的斷面水位流量計(jì)算存在局限性。HEC-RAS模型[7-8]可適用于無資料地區(qū)河段的斷面水位流量計(jì)算,可較好地模擬一維河流、水庫、河口等水體的水動(dòng)力過程、河道整治分析等,能夠提供全面的水文分析和洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,為強(qiáng)化河道洪水快速預(yù)報(bào)和洪水風(fēng)險(xiǎn)管理提供了技術(shù)支持[9]。

本文旨在采用HEC-RAS模型推求計(jì)算浐河河道水面線,模擬浐河干流及其支流庫峪河的水面線,計(jì)算堤防工程標(biāo)準(zhǔn)下各個(gè)斷面設(shè)計(jì)洪水的洪水水位、流速,分析斷面洪水水位變化規(guī)律,為全域河道綜合治理、水系連通及農(nóng)村水系綜合整治工程提供科學(xué)支持,以減少潛在的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),促進(jìn)區(qū)域的安全和可持續(xù)發(fā)展。

1 研究方法

根據(jù)《西安市實(shí)用水文手冊》資料,采用無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法和水文比擬方法計(jì)算河道洪峰流量;基于計(jì)算的流量和水文水力數(shù)據(jù),采用HEC-RAS模型計(jì)算浐河河段水面線,具體計(jì)算原理如下具體詳述。

(1) 設(shè)計(jì)暴雨洪水

本次設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算采用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法和水文比擬法推求浐河干流及支流河段的設(shè)計(jì)洪水,通過對(duì)兩種設(shè)計(jì)洪水方法進(jìn)行比較分析,選取合理的設(shè)計(jì)洪水流量。

由于研究河段的農(nóng)防段工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇,以該設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算,故根據(jù)《西安市實(shí)用水文手冊》,當(dāng)流域面積在50～1 000 km2,20年一遇洪水洪峰流量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式為:

Q20=25.06F0.465

(1)

式中:Q20為20年一遇設(shè)計(jì)洪水流量,m3/s;F為流域面積,km2。

水文比擬法采用以下公式計(jì)算:

Qm1/Qm2Q20=(Fm1、Fm2)n

(2)

式中:Qm1、Qm2分別表示設(shè)計(jì)斷面及參證站的洪峰流量,m3/s;Fm1、Fm2分別表示設(shè)計(jì)斷面及參證站控制的集水面積,km2。n為洪峰面積指數(shù),參考以往資料取值為0.667。

(2) HEC-RAS模型簡介

HEC-RAS 模型是由美國陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心所研發(fā),主要用于河道/網(wǎng)水動(dòng)力-水質(zhì)模擬,能對(duì)河流的洪水水位進(jìn)行可靠的預(yù)測,該模型在開展河道水面線模擬計(jì)算方面具有較好的優(yōu)勢[10-11]。本文采用HEC-RAS模型的水動(dòng)力模塊模擬浐河水面線過程,計(jì)算河道斷面的洪水水位。

一維非恒定流模擬的控制方程的計(jì)算原理是基于動(dòng)量守恒方程,如下所示:

(3)

(4)

式中:Q為斷面洪水流量,m3/s;v為流速,m/s;g為重力加速度,m/s2;z為斷面洪水水位,m;q為沿程入流流量,m2/s;A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2;Sf為河床摩阻坡度。

河道水面線計(jì)算原理采用明渠恒定非均勻流水面線的計(jì)算方法,計(jì)算公式如下[8]:

(5)

式中:α1、α2分別表示動(dòng)能修正系數(shù);Z1、Z2分別表示上、下斷面的河床底高,m;Y1、Y2分別表示上、下斷面的水深,m;V1、V2分別表示上、下斷面的平均流速,m/s;hw表示水頭損失,m。

2 研究區(qū)域及計(jì)算參數(shù)

2.1 研究區(qū)域

本研究區(qū)域位于陜西省西安市,涉及浐河及其支流庫峪河,浐河屬于灞河的最大一級(jí)支流,庫峪河是浐河左岸最大的一級(jí)支流,發(fā)源于秦嶺北麓藍(lán)田縣湯峪鎮(zhèn)。浐河流域面積約為760 km2,河道最大匯流長度64.6 km,河槽平均比降8.9‰。浐河流域水系圖如圖1所示,浐河在峪口以外的主要支流有岱峪河、庫峪河和荊峪溝,湯峪河為其源流。庫峪河為浐河左岸最大的一級(jí)支流,發(fā)源于長安區(qū)東南部秦嶺主脊北坡。庫峪河河長38.5 km,主河道比降21.2‰,流域面積166 km2。浐河河道水文地質(zhì)條件復(fù)雜,河道外側(cè)多為耕地,河道以砂卵石及粉質(zhì)黏土層為主的地層特性。研究區(qū)氣候類型屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū),具有四季分明的氣候特征。冬季干燥寒冷,春季溫暖,夏季炎熱多雨,秋季溫和濕潤。多年平均氣溫為13.5℃,多年平均降雨量為657.5 mm。

圖1 浐河流域水系

2.2 斷面計(jì)算參數(shù)選取

(1)斷面情況

整個(gè)浐河河道斷面的資料來源于2020年4月浐河干支流實(shí)測縱橫斷面成果,浐河干流斷面共計(jì)182個(gè),主要為天然復(fù)式斷面,其中一級(jí)支流庫峪河斷面共計(jì)151個(gè),主要為天然復(fù)式斷面。設(shè)計(jì)斷面的寬度是按設(shè)計(jì)堤距控制,堤防兩側(cè)受限、不能向兩岸擴(kuò)寬的河段,采用陡堤坡設(shè)計(jì),坡比從直立式至1∶1.5,斷面型式為預(yù)制裝配式護(hù)坡;可向兩岸擴(kuò)寬的河段,采用1∶3的緩堤坡,坡腳防護(hù)結(jié)構(gòu)采用格賓護(hù)墊防護(hù),坡面種植植物進(jìn)行防護(hù)。

(2)河段控制斷面自然地理參數(shù)

本研究浐河河段主要為農(nóng)防段,浐河及其支流防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇,浐河干流及其支流庫峪河控制斷面自然地理參數(shù)詳見表1,干流河道比降范圍在9.1‰～19.1‰。

表1 浐河干流及支流庫峪河河段控制斷面自然地理參數(shù)表

(3)河床糙率

本研究選取浐河干流和庫峪河支流河段無實(shí)測水文觀測資料,據(jù)現(xiàn)場查勘河道分析,現(xiàn)狀河床主要為天然河床,河床質(zhì)主要為卵礫石及細(xì)砂,粒徑自上游至下游逐漸變細(xì)。結(jié)合干流及支流河段實(shí)際的地形、地貌、河床質(zhì)、河床植被等條件,參考《水力計(jì)算手冊》資料,確定浐河干流河段糙率為0.038～0.040,庫峪河河段糙率為0.038～0.042。

3 結(jié)果與分析

3.1 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

采用水文比擬方法計(jì)算河道洪峰流量計(jì)算浐河及其支流的設(shè)計(jì)洪水,需要選取浐河及其支流庫峪河的參證站,根據(jù)流域內(nèi)各水文測站的分布情況,選取灞河流域馬渡王水文站及潏河流域大峪站為設(shè)計(jì)參證站推求設(shè)計(jì)洪水。采用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法和水文比擬法計(jì)算浐河干支流設(shè)計(jì)洪水結(jié)果見表2和表3,通過比較分析,顯然水文比擬法計(jì)算各個(gè)斷面的20年一遇洪峰流量結(jié)果大于經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算的結(jié)果。水文比擬法以馬渡王及大峪站為參證站,推算浐河干支流設(shè)計(jì)洪水結(jié)果,相較于經(jīng)驗(yàn)公式法及推理公式法,其成果更加有代表性。結(jié)合浐河河段實(shí)際地形地貌及河道防洪工程情況,其中干流岱峪河下游河段及支流以大峪站為參證站,大峪站的集雨區(qū)域大部分為山區(qū),水文比擬法計(jì)算結(jié)果更可靠,對(duì)于浐河防洪工程建設(shè)更安全。綜合分析,選用水文比擬法計(jì)算浐河干支流設(shè)計(jì)洪水的洪峰流量結(jié)果作為本研究設(shè)計(jì)的20年一遇洪峰流量,基于此結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算河道水面線。

表2 浐河干支流設(shè)計(jì)洪水成果(經(jīng)驗(yàn)公式法)

表3 浐河干支流設(shè)計(jì)洪水成果(水文比擬法)

3.2 水面線計(jì)算

3.2.1浐河干流20年一遇設(shè)計(jì)水面線計(jì)算分析

根據(jù)前節(jié)計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果,采用HEC-RAS模型計(jì)算河道設(shè)計(jì)水面線。浐河干流(庫峪河口至雁長交界)20年一遇設(shè)計(jì)水面線成果見表4及圖2。

表4 浐河干流水面線成果(P=5%)

圖2 浐河干流(庫峪河口至雁長交界)水面線(P=5%)

由表4可知,河道從上游至下游整體水面線趨勢變化表現(xiàn)趨于平滑,水面線和深泓線變化趨勢相近,河道深泓高程變化范圍為468.08～432.94 m,整體落差為35.14 m,水位隨著河道深泓高程的降低而降低,變化范圍為472.88～437.24 m,整體落差為35.64 m,落差差距較小。根據(jù)圖2可得,沒有出現(xiàn)明顯的雍水或跌水現(xiàn)象,由于河道清淤深度不同,河道不同斷面的水位降低高度也存在差異。

由浐河干流水面線成果表分析,整個(gè)浐河干流在C85-C130斷面之間坡度較陡,C130-C140斷面之間較緩,在C140斷面后河道呈現(xiàn)較陡變化,坡度小于C85-C130斷面間坡度變化。在C130斷面后河道水流從陡坡到緩坡會(huì)發(fā)生水躍現(xiàn)象,流速變化表現(xiàn)為從快到慢的過程。在C131斷面時(shí),流速減小至1.79 m3/s;在C140斷面后,坡度變化較小且流速提升不顯著。下游處最高流速出現(xiàn)在C148斷面,流速為4.38 m3/s。在整個(gè)河段的各個(gè)斷面中,C130斷面的深泓高程均小于較臨近的前后斷面的深泓高程,故導(dǎo)致在該斷面處的水深較大,達(dá)到6.09 m ,并在該斷面銜接陡坡和緩坡的地方會(huì)發(fā)生水躍現(xiàn)象,在實(shí)際河道治理時(shí)需要優(yōu)先治理。根據(jù)水面線計(jì)算結(jié)果繪制典型C105和C150斷面河道立體模型及水位分布及斷面形狀與水面線圖(見圖3),斷面C150可能會(huì)產(chǎn)生局部流速過快,和水深較深情況發(fā)生,需要針對(duì)此類型斷面進(jìn)行清淤工作。

圖3 河道立體模型及水位分布

3.2.2支流庫峪河20年一遇設(shè)計(jì)水面線計(jì)算分析

結(jié)合表5和圖4,支流庫峪河段河道深泓高程變化范圍為640.65～477.86 m,整體落差為162.79 m。顯然,水位隨著河道深泓高程的降低而降低,變化范圍為643.55～480.24 m,整體落差為163.31 m。水位變化規(guī)律通干流規(guī)律一致,河道清淤深度不同,河道不同斷面的水位降低高度也存在差異。由庫峪河水面線成果表分析,整個(gè)庫峪河在K1-K30斷面之間坡度較緩,在K30斷面之后坡度呈現(xiàn)變陡趨勢,河道水流在該斷面緩坡到陡坡變化處可能會(huì)發(fā)生水跌現(xiàn)象。

表5 庫峪河水面線成果(P=5%)

由表5分析,K28斷面的流速為1.95 m3/s,遠(yuǎn)小于前后斷面的流速,可對(duì)該點(diǎn)前后臨近斷面進(jìn)行清淤處理。根據(jù)水面線計(jì)算結(jié)果繪制典型K6和K10斷面河道立體模型及水位分布及斷面形狀與水面線圖(見圖5),對(duì)比發(fā)現(xiàn)K10處斷面可能會(huì)產(chǎn)生局部流速過快和水深較深情況發(fā)生,需要針對(duì)此類斷面進(jìn)行清淤工作。

圖5 庫峪河水面線(P=5%)

河道立體模型及水位分布見圖6,斷面形狀與水面線見圖7。結(jié)合浐河干流和支流庫峪河20年一遇設(shè)計(jì)水面線計(jì)算分析和實(shí)踐證明,整體水面線并未超出20年一遇的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn),表明水面線計(jì)算結(jié)果是安全可靠的。建議在清淤時(shí)結(jié)合斷面形狀進(jìn)行重點(diǎn)清淤工作,保證河道底部平順,防止出現(xiàn)局部水流流速過快或者水深較大的情況發(fā)生,對(duì)部分河道建筑物產(chǎn)生不利影響。結(jié)合河道防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求,局部放坡條件不足的區(qū)域可適當(dāng)調(diào)整堤坡坡度,設(shè)計(jì)堤頂高程按設(shè)計(jì)洪水位加堤頂超高確定,同時(shí)考慮跨河建筑物的壅水高度疊加到設(shè)計(jì)水面線,提高沿線堤防能力和保障河道行洪安全。

圖6 河道立體模型及水位分布

圖7 斷面形狀與水面線

4 結(jié) 論

本研究采用HEC-RAS模型推算浐河干流及其支流庫峪河的水面線,結(jié)果表明HEC-RAS模型能有效地實(shí)現(xiàn)無資料地區(qū)河道不同斷面洪水水位、流速的預(yù)測計(jì)算,整體水面線計(jì)算滿足堤防工程的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn),其水面線計(jì)算結(jié)果是安全可靠的,結(jié)果為浐河河道防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及其他河道水面線計(jì)算提供技術(shù)支撐和設(shè)計(jì)依據(jù)。主要結(jié)論如下:

(1) 浐河干支流計(jì)算水面線和深泓線變化趨勢相近,干支流水位變化趨勢的規(guī)律基本相同。干流河道深泓高程和水位變化范圍分別為468.08～432.94 m、472.88～437.24 m,支流庫峪河段河道深泓高程和水位變化范圍為640.65～477.86 m、643.55～480.24 m,基于20年一遇設(shè)計(jì)洪水水面線計(jì)算分析,干支流河道水面線設(shè)計(jì)滿足防洪設(shè)計(jì)要求。

(2) 根據(jù)浐河干支流斷面的水位結(jié)果分析,C130斷面的深泓高程均小于較臨近的前后斷面的深泓高程,該斷面水深較大且達(dá)到6.09 m,表明該斷面銜接陡坡和緩坡的地方易發(fā)生水躍現(xiàn)象;支流庫峪河河道K30斷面后坡度呈現(xiàn)變陡趨勢,表明在該斷面緩坡到陡坡變化處可能會(huì)發(fā)生水跌現(xiàn)象,在實(shí)際河道治理時(shí)需要優(yōu)先治理此類斷面。

(3) 基于典型斷面河道立體模型及水位分布及斷面形狀與水面線圖分析,浐河干流斷面C150和支流庫峪河K10處斷面可能會(huì)產(chǎn)生局部流速過快,需要對(duì)此類型斷面進(jìn)行清淤工作。