HEC-RAS模型在山區(qū)中小河流水面線計算中的應用研究
——以鐵場河綜合整治工程為例

范 威

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510635)

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HEC-RAS模型在山區(qū)中小河流水面線計算中的應用研究
——以鐵場河綜合整治工程為例

范 威

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510635)

山區(qū)中小河流具有坡降大、水工建筑物多、水流急的特點，在水面線推算上相比平原區(qū)河流難度較大。常規(guī)的水面線方法在急流及多水工建筑物情況下容易出現(xiàn)突變，需分段推求水面線，計算精度較差。該文選定鐵場河綜合整治工程案例，建立HEC-RAS一維模型推算鐵場河干流水面線，并與常規(guī)的水面線方法結(jié)果對比，分析HEC-RAS模型在山區(qū)中小河流水面線推算中的優(yōu)點。

HEC-RAS模型；山區(qū)中小河流；水面線計算

山區(qū)中小河流主要特點是源短流長、洪水暴漲暴落，洪水來得猛、去得快，容易造成泥石流、堤防決口、沖毀山莊和道路、淹沒農(nóng)田等重大災害。相比大江大河，山區(qū)中小河流是目前防洪短板，治理工作相對滯后。山區(qū)中小河流的綜合治理要以水文水利計算為基礎(chǔ)，其中水面線的準確計算尤其重要。下面以河源市鐵場河綜合整治工程為例，探索HEC-RAS模型在山區(qū)中小河流水面線計算中的應用。

1 HEC-RAS模型

1.1 模型簡介

HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團開發(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[1]。

1.2 HEC-RAS的計算原理

一維恒定流水面線可通過求解能量方程來獲得，具體表達式如下：

(1)

式中 Z1，Z2為河道底高程；Y1，Y2為斷面水深；V1，V2為斷面平均流速； α1，α2為動能修正系數(shù)；g為重力加速度；he為水頭損失。

HEC-RAS模型相比一般水面線計算方法增加了對急流計算功能。

當水面線越過臨界水深，能量方程已經(jīng)不再適用。自然界中從緩流過渡到急流或者從急流過渡到緩流現(xiàn)象十分普遍，例如在比降變化較大的渠道、橋梁、堰、河流匯合處，都可能發(fā)生這種現(xiàn)象。因此，需要采用動量方程對水面線進行求解。動量方程是通過牛頓第二定律推導得來的，表達式如下：

∑Fx=ma

(2)

P2-P1+Wx-Ff=QρΔVx

(3)

式中 P1,P2分別為斷面1和斷面2上所受的水壓力；Wx為水重力沿X軸分量；Ff為摩擦力；Q為流量；ρ為水的密度；ΔVx為流速變化沿X軸分量。

2 鐵場河綜合整治工程案例

2.1 項目概況

鐵場河是韓江的二級支流，發(fā)源于龍川縣亞雞寨，流經(jīng)龍川縣的迴龍、田心、龍母、鐵場等鎮(zhèn)，于五華縣合水村注入五華河，流域總面積526.2km2，主河道長54.7km，天然落差240m，平均坡降2‰。鐵場河的整治工程主要工程任務是清淤和護岸[2]。

1) 鐵場河屬于山區(qū)性河流，汛期水流急，洪水陡漲陡落，枯水期淺灘多；上游落差大，彎大水急，中、下游河床坡降較緩，逐年淤積嚴重，多年未實施清淤，致使河道萎縮嚴重，行洪能力逐步降低。

2) 河道內(nèi)水工建筑物多，阻水較為嚴重。鐵場河干流測量斷面63個，包含橋梁斷面27個。

2.2 建立HEC-RAS模型

1) 根據(jù)實際坐標，導入河網(wǎng)及斷面文件，并在斷面文件中設(shè)定主河道及邊灘位置、河床糙率。

2) 橋斷面概化。建立數(shù)學模型包括鐵場河干流63個斷面，重點概化了27座橋梁。根據(jù)橋的不同類型，輸入橋路面寬度、厚度及形態(tài)，選定合適的橋墩及橋孔類型，并輸入平距、高程、糙率、損失系數(shù)等參數(shù)。典型橋斷面概化見圖1，由上至下分別為測量斷面和模型概化斷面。

圖1 拱型橋斷面概化

3) 邊界條件處理。計算采用一維恒定流計算，以鐵場河2年一遇洪峰流量計算為例，上游邊界，根據(jù)河流匯入情況，按廣東省綜合單位線法分段計算設(shè)計洪水。下游邊界由于缺少相關(guān)設(shè)計水面線資料，選取臨界水深作為下游邊界，程序根據(jù)不同頻率的洪水自動計算臨界水深，適用于缺少水文資料的山區(qū)中小河流起推水位計算，并且下邊界處距工程位置較遠對工程影響較少。

4) 模型計算結(jié)果，計算得鐵場河干流2年一遇水面線成果，洪水流速成果及水面線成果見圖2，豎線為橋梁，急流處計算成果見表1。從圖1及表1可知，鐵場河干流坡降大，上游河道受橋梁壅水影響較為嚴重，局部弗勞德數(shù)大于1，流態(tài)為急流，對河道堤防安全造成隱患。

2.3 計算結(jié)果及對比分析

除HEC-RAS一維模型外，另外采用傳統(tǒng)水面線計算程序和改進水面線計算程序進行對比。

傳統(tǒng)水面線計算程序，可以完成根據(jù)河道斷面情況和流量，推求河道的水面線，支持對包含復式斷面、河道擴大縮小、橋墩壅水、急轉(zhuǎn)彎等特殊斷面的河道水面線計算。此程序沒有急流計算功能，并且橋梁只能概化為斷面并設(shè)置相應局部損失系數(shù)。

改進版水面線計算程序包含所有傳統(tǒng)水面線程序功能并增加急流計算及橋梁概化功能，將橋面概化為堰頂，橋孔概化為涵洞。

水面線成果見圖3，在急流與多水工建筑的工況下，HEC-RAS水面線結(jié)果較合理，傳統(tǒng)程序和改進版水面線計算程序都會出現(xiàn)突變或波動，須調(diào)試復核參數(shù)才能減少變幅使成果相對合理。

圖3 水面線計算成果示意

各程序水面線計算結(jié)果差值見圖4。在起推水位、糙率和邊界等條件相同的情況下，HEC-RAS比傳統(tǒng)程序低27cm，比進版程序平均高2cm，越往上游差值越大。與傳統(tǒng)程序相比，HEC-RAS計算結(jié)果差值最大低2.76m，位于里程22 850m橋下斷面，此處斷面縮窄，流速高達4.56m，傳統(tǒng)水面線計算結(jié)果出現(xiàn)水位突漲情況。改進版程序與HEC-RAS結(jié)果相比，最大差值1.7m，位于里程22 850m橋下斷面，局部上游水位低于下游。水面線成果局部差異見圖5。

圖4 各程序水面線計算結(jié)果差值示意

傳統(tǒng)水面線計算程序由于沒有考慮急流計算，而山區(qū)中小河流河道落差大，急流現(xiàn)象較為普遍，因而水位有時計算不出來或計算結(jié)果存在突變情況，計算水位明顯偏大；改進版水面線計算程序，考慮了急流和橋梁的計算，但局部在橋梁處(水面線垂直升高部分)出現(xiàn)水位差較為明顯；HEC-RAS模型水面線計算結(jié)果相比較其它兩種程序，大部分計算水位相比較低，綜合考慮急流和橋梁后，水位不會出現(xiàn)大突變，能體現(xiàn)橋梁的壅水影響，水面線較為平順，結(jié)果更為合理。

圖5 局部橋梁壅水影響計算結(jié)果示意

即使同樣采用HEC-RAS計算，緩流模式與混合流模式計算在急流處也會出現(xiàn)較大水位及流速差，詳見表2。在工程項目中，若將急流流態(tài)誤判為緩流流態(tài)，會造成水面線水位偏高，防洪堤高程有余，而流速偏小，防洪堤防沖措施不夠，防沖力度不足，使防洪堤易因堤根淘空而垮塌。因此，在山區(qū)中小河流水面線計算中采用急緩流混合計算水位和流速更符合實際情況。

表2 HEC-RAS不同計算模式水位差對比

除結(jié)果合理外，HEC-RAS模型還有以下優(yōu)勢：能對計算參數(shù)和計算成果進行直觀展示，包括各計算結(jié)果參數(shù)圖表展示、水面線計算結(jié)果三維展示等；能對各頻率洪水一次性計算。

3 結(jié)語

通過案例分析，采用HEC-RAS模型推算山區(qū)中小河流水面線，相比一般的水面線計算程序，對急流及多水工建筑物工況計算具有計算穩(wěn)定、結(jié)果較為合理的優(yōu)勢。

HEC-RAS模型需要輸入的參數(shù)比傳統(tǒng)程序要多，要求計算者要細心收集核對參數(shù)。為提高模型的計算精度，除與其它傳統(tǒng)方法進行對比外，在有實測資料的情況下應結(jié)合HEC-RAS模型率定功能做好率定工作。

[1] 謝加球，候凱，王艷蘋，等.HEC-RAS水文分析軟件在水利水電工程中的運用[J].人民珠江，2013(4)：29-32.

[2] 王鑫，范威.龍川縣鐵場河防洪專項整治工程(試點段)初步設(shè)計報告[R].廣州：廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，2014.

[3] 陳文思，陳仲策. 關(guān)于廣東省中小河流治理幾個問題的探討[J].廣東水利水電，2011(S1)：20-22.

[4] 包秀鳳. 急流的分析判別與急流水面線計算[J].水利科技，2012(1)：34-36.

(本文責任編輯 馬克俊)

Application of Hec-ras to Water Surface Line Calculation of Small and Medium-sized Rivers in the Mountains ——Taking Comprehensive Regulation and Administration of Tiechang River for Example

FAN Wei

(Guangdong Hydropower Planning&Design Institiute, Guangzhou 510635, China)

Small and medium-sized rivers of mountainous have the characteristics of large slope and a lot of hydraulic structures,， which leads to more difficult on the water surface calculation than the plain river,. Normal water surface calculated program is difficult to adapt to supercritical flow and the calculation of hydraulic structures.General water surface calculation program under the condition of supercritical flow and the hydraulic structures is more prone to mutation,， sometimes must be segmented calculated,. The calculation accuracy is poorer,, and operation is more complicated. The comprehensive regulation and administration of tiechang river project is used as example, water surface elevation has been calculated and compared with other application results through the establishment of hec-ras one-dimensional model. As a result, hec-ras model has advantages in water surface calculation of small and medium-sized rivers of mountainous area.

Hec-ras model； mountainous area； water surface calculation

2016-05-10;

2016-06-28

范威(1986)，男，本科，工程師，從事水利規(guī)劃工作。

P333

B

1008-0112(2016)05-0037-04