HEC-RA S 軟件在河道采砂規(guī)劃中的應用

伊 鑫 湯 佳 霍惠玉

（1.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127；2.河北省水利科學研究院，河北 石家莊 050051）

在河道采砂規(guī)劃中，推求河道水面線可確定河道采砂范圍以及確定河道采砂后對行洪產(chǎn)生的影響。確定規(guī)劃范圍主要是針對無治導線的河流，通過規(guī)劃河道水面線的確定推求出河流的治導線，從而確定河道采砂范圍，同時根據(jù)采砂規(guī)劃前后水面線推算結(jié)果，可對采砂后河道行洪能力進行數(shù)據(jù)分析，確定是否會對河道行洪產(chǎn)生不利影響。因此，在河道采砂規(guī)劃中對待水面線推求這項基礎(chǔ)工作必須十分慎重。本次實例中，采砂規(guī)劃河道屬于平原河道，河道比降較緩且變化不大，但河道橫斷面寬度變化較大，河道兩側(cè)灘地內(nèi)存在多種作物、樹木以及村莊建筑物等，利用HEC-RAS軟件既能推求平原河道水面線，又能推求山區(qū)河道水面線［1］，并且可針對阻礙物以及河道復雜斷面進行優(yōu)化，得到相對精確的水面線。

1 HEC-RAS 模型計算原理

HEC-RAS（The U.S.Army Corps of Engineers’River Analysis System）是由美國陸軍工程兵團水文工程中心開發(fā)的水面線計算軟件包，適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定流一維水力計算，其功能強大，可進行各種涉水建筑物（如橋梁、涵洞、防洪堤、堰、水庫、塊狀阻水建筑物等）的水面線分析計算，同時可生成橫斷面形態(tài)圖、流量及水位過程曲線、復式河道三維斷面圖等各種分析圖表，為可視化操作界面，使用起來十分方便簡捷［2］。

（1）恒定流水面線計算

可對河網(wǎng)、樹枝狀河系或單個河段的急流（Fr＞1）、緩流（Fr＜1）和臨界流（Fr=1）進行水面線計算。計算原理是基于一維能量方程，逐斷面采用直接步進法推求水面線。

能量方程：

式中：

Y1、Z1—斷面水深；

Y2、Z2—主河道高程；

a1、a2—流速系數(shù)；

g—重力加速度；

he—水頭損失。

恒定流的模擬可應用于洪泛區(qū)管理和洪水保險研究，其特點是：多項目分析、多曲線計算、多橋涵分析以及實現(xiàn)分流最優(yōu)化［3］。

（2）非恒定流水面線計算

基于一維連續(xù)性方程和動量方程：

①連續(xù)性方程：

式中：

Qc—流量；

Ac—過水斷面面積；

qf—側(cè)向流量（qf＞0 為入流，qf＜0為分流）；

xc—沿流程坐標；

t—時間。

②動量方程：

式中：

g—重力加速度；

Sf—摩阻坡度；

V—流速。

2 規(guī)劃河道概況

本次規(guī)劃河道為白溝河，白溝河是河北省境內(nèi)大清河北支的主要行洪河道，主要由北拒馬河東行在東茨村以上納小清河、琉璃河后形成。規(guī)劃河道起始位置為上游二龍坑，起經(jīng)涿州、固安和高碑店等三市縣終止于白溝鎮(zhèn)大橋，全長53 km。河道為復式河槽，主槽寬200 m 左右，兩堤距在代屯以上為270～540 m，代屯至白溝為540～2840 m，最窄處在東茨村不足300 m，其次是東務和代屯村均為520 m，河底縱坡約1/4000。

3 計算條件

3.1 設(shè)計洪水

根據(jù)堤防設(shè)計標準，本次水面線主要采用20年一遇洪水流量，該設(shè)計標準主要作為河道行洪能力是否滿足防洪安全要求的控制標準。根據(jù)2008年國務院對《海河流域防洪規(guī)劃》的批復情況，本次工作設(shè)計洪水仍采用1990年成果。根據(jù)1990年《大清河流域設(shè)計洪水分析報告》，20年一遇洪水標準時，東茨村站洪峰流量為3200 m3/s。

3.2 糙率

河道糙率是反映河流阻力的一個綜合性系數(shù)，也是衡量河流能量損失大小的一個特征量。白溝河河道糙率參考《大清河流域防洪規(guī)劃報告（河北省部分）》，但該規(guī)劃編制時間為2006年，目前河道灘地已種植大量農(nóng)業(yè)作物與樹木，并且河道灘地內(nèi)建構(gòu)筑也增加較多，因此，相對于原來的自然河道，目前河道綜合糙率應有所增大。經(jīng)綜合分析，對糙率確定如下：對于設(shè)計河道斷面，河道主槽糙率取0.035，灘地糙率取0.05～0.08。

3.3 起始水位流量

本工程起推水位選擇白溝鎮(zhèn)大橋下游750 m 處斷面20年一遇洪水標準的水位，其水位高程為15.9 m。

4 HEC-RAS 模擬分析過程

（1）新建工程，在幾何資料編輯窗口，根據(jù)實測地形圖導入CAD 文件作為河道趨勢線，按軟件要求給河道及河段命名。

（2）從下游開始依次錄入各橫斷面數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由橫斷面各測量點的相對坐標組成，橫斷面總計62 個，每個斷面的河槽與灘地的糙率根據(jù)實際情況并結(jié)合《大清河流域防洪規(guī)劃報告（河北省部分）》確定。

（3）本工程邊界條件中的設(shè)置比較簡單，因為規(guī)劃河道內(nèi)無其它河道匯入，因此設(shè)置（KownWS）起始水位為15.9 m。

（4）以上各參數(shù)輸入完成并檢查無誤后，保存數(shù)據(jù)，執(zhí)行計算，即可得出20年一遇洪水標準水面線。對于采砂河道可采區(qū)開挖后的水面線，可將可采區(qū)橫斷面開挖后的斷面數(shù)據(jù)重新錄入并執(zhí)行計算得出。計算結(jié)果見表1。

根據(jù)表1 可知，河道經(jīng)過開采后因降低了局部河床高程，可使本河段行洪斷面有所增大，在一定程度上提高了河道的行洪能力，故建議河道采砂應結(jié)合河道治理工程統(tǒng)籌規(guī)劃。

5 建議

（1）河道的中心線彎曲形狀要盡可能符合實際情況，其彎曲度直接關(guān)系到相關(guān)斷面的能量損失［4］，對特殊區(qū)段應加測斷面，如：河道突變處或河道轉(zhuǎn)彎處。

（2）糙率選擇時，因目前河道灘地變化較大，平原區(qū)的兩側(cè)灘地存在建筑物、農(nóng)作物以及樹木，使灘地糙率發(fā)生改變，建議進行實地勘察并結(jié)合已有數(shù)據(jù)進行修改。

表1 開采前后20年一遇洪水標準水面線成果

［1］李煒.水力計算手冊（第二版）［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.

［2］蔡新明，董志勇，張永華，等.HEC系列水利軟件的應用［J］.浙江水利科技，2005（11）：20-23.

［3］陳建峰，王穎，李洋，等.HEC-RAS模型在洪水模擬中的應用［J］.東北水利水電，2006（11）:12-13，42.

［4］葉楠，陳永明，等.利用HEC-RAS軟件計算山洪溝水面線［J］.吉林水利，2013（11）：5-8.