HEC-RAS在中小河流治理中的應(yīng)用

邰肇悅，趙通陽(yáng)

（1．河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016）

HEC-RAS在中小河流治理中的應(yīng)用

邰肇悅，趙通陽(yáng)

（1．河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016）

結(jié)合沱河支流宋溝的治理工程，探討了采用HEC－RAS水面線(xiàn)計(jì)算軟件進(jìn)行天然河道水面線(xiàn)推算的原理和步驟。計(jì)算結(jié)果表明，HEC－RAS不僅適用于天然河道復(fù)雜的斷面型式，還能直觀判斷現(xiàn)狀河道的除澇能力，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率和精度。

沱河支流宋溝；中小流域河流治理工程；HEC－RAS；水面線(xiàn)計(jì)算；計(jì)算時(shí)間；設(shè)計(jì)效率

0 引言

在河道治理工程中，推求河道水面線(xiàn)是重要的基礎(chǔ)工作。由于大多數(shù)天然河道尤其是中小河流的斷面形式復(fù)雜，應(yīng)用傳統(tǒng)的河道水面線(xiàn)推算方法（即逐段試算法）進(jìn)行計(jì)算，不僅會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間，也得不到理想的計(jì)算成果。HEC－RAS是一個(gè)針對(duì)一維恒定流和非恒定流的水力計(jì)算軟件包，包括洪水調(diào)度分析、河道水面線(xiàn)計(jì)算、涉水建筑物（橋、堰等）阻水分析、動(dòng)床輸沙模擬、閘門(mén)及水泵啟閉模擬、水質(zhì)分析等功能［1～3］。 用 HEC－RAS水面線(xiàn)計(jì)算軟件計(jì)算河道水面線(xiàn)，既能夠節(jié)省工作量和計(jì)算時(shí)間，又可以提高設(shè)計(jì)效率和精度［4］。筆者試以沱河支流宋溝為例，探討HEC－RAS軟件在河道治理工程中的實(shí)際應(yīng)用。

1 工程概況及治理標(biāo)準(zhǔn)

1．1 工程概況

宋溝是沱河左岸的主要支流，全長(zhǎng)41km，流域總面積125km2，主要流經(jīng)夏邑縣和永城市。沿河村莊人口較多，人均耕地少。多年來(lái)，該河道由于缺乏治理，除澇能力低，極易發(fā)生洪澇災(zāi)害。故宋溝被列入永城市中小河流治理河道之一。

1．2 治理標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù) 《永城市中小河流治理重點(diǎn)縣綜合整治及水系連通試點(diǎn)規(guī)劃》，宋溝為5級(jí)河道，按5年一遇除澇標(biāo)準(zhǔn)疏浚。在工程治理中，通過(guò)HEC－RAS，計(jì)算宋溝在5年一遇設(shè)計(jì)洪水下的狀況以及設(shè)計(jì)斷面除澇水面線(xiàn)，指導(dǎo)河道工程斷面設(shè)計(jì)。

2 HEC－RAS的計(jì)算原理和步驟

2．1 HEC－RAS 的計(jì)算原理

HEC－RAS進(jìn)行恒定流水面線(xiàn)計(jì)算是基于一維能量方程，采用直接步進(jìn)法逐段推求水面線(xiàn)，計(jì)算公式如式（1）所示［5～6］。

式中：Y1、Y2分別為上、 下游斷面水深，m；Z1、Z2分別為上、下游斷面河底高程，m；a1、a2為流速系數(shù)；V1、V2分別為上、 下游斷面平均流速，m／s；g 為重力加速度，m／s2；he為水頭損失，m。

2．2 計(jì)算步驟

運(yùn)用該軟件計(jì)算時(shí)，需要河道地形及斷面數(shù)據(jù)、流量、水位等基礎(chǔ)資料。其操作流程如圖1所示。

圖1 HEC－RAS軟件操作流程Fig.1 HEC-RAS software operation process

2．2．1 計(jì)算斷面參數(shù)輸入

本次治理工程起于永城市和夏邑縣交界處，止于入沱河口，河道長(zhǎng)為22．3km。設(shè)定幾何資料時(shí)，共輸入242個(gè)實(shí)測(cè)橫斷面，橫斷面數(shù)據(jù)編輯界面如圖2所示。

圖2 橫斷面數(shù)據(jù)編輯界面Fig.2 Cross section data editing interface

2．2．2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)工程資料，采用HEC－RAS恒定流計(jì)算方法，選擇自下游向上游逐段推求的緩流模式。在宋溝各控制斷面設(shè)置上游洪峰流量。設(shè)置邊界條件時(shí)，選擇輸入下游端已知水位。

（1）流量計(jì)算。宋溝為豫東平原河道，設(shè)計(jì)暴雨、降雨徑流關(guān)系根據(jù) 《河南省水利工程水文計(jì)算常用圖集》（73圖集）查算，設(shè)計(jì)洪水用平原排澇模數(shù)法計(jì)算，計(jì)算公式如式（2）和式（3）所示。宋溝設(shè)計(jì)流量計(jì)算成果如表1所示。

式中：Q 為洪峰流量，m3／s；M 為排澇模數(shù)，F(xiàn)＜50km2時(shí)，按50km2計(jì)算；R為24h設(shè)計(jì)暴雨徑流深，mm；F為流域面積，km2；K為洪峰流量關(guān)系綜合系數(shù)，本次計(jì)算取0．035。

表1 宋溝設(shè)計(jì)洪水流量表Tab.1 Songgou River designed flood flow

（2）糙率選取。河道糙率反映了河床對(duì)水流的阻力影響，是河道水力學(xué)計(jì)算的重要參數(shù)。在水力計(jì)算中，糙率值的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大。如無(wú)實(shí)測(cè)資料，應(yīng)進(jìn)行實(shí)際調(diào)查，并根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)與實(shí)測(cè)資料確定的糙率資料表，選用合適的糙率值［7］。宋溝為平原天然河道，河床為土質(zhì)，河槽清潔、順直、無(wú)沙灘和深潭，灘地有正在耕種的農(nóng)作物，選取宋溝現(xiàn)狀斷面河槽糙率 n＝0．03，灘地糙率n＝0．035。治理后，主槽清淤，取 n＝0．025，灘地平整，取 n＝0．03。

（3）起推水位的確定。宋溝入沱河處5年一遇設(shè)計(jì)水位與沱河水位相應(yīng)。因此，采用32．92m作為下游水位邊界，自下而上推求水面線(xiàn)。

3 水面線(xiàn)計(jì)算結(jié)果分析

3．1 水面線(xiàn)計(jì)算結(jié)果

基礎(chǔ)資料及參數(shù)輸入完成后，保存數(shù)據(jù)，即可執(zhí)行HEC－RAS恒定流一維計(jì)算。計(jì)算結(jié)果輸出形式可以為圖或表（如表2和圖3所示）。

表2 宋溝現(xiàn)狀斷面水力計(jì)算成果表Tab.2 Songgou River present situation section hydraulic calculation result

圖3 宋溝現(xiàn)狀河道水面縱剖面圖Fig.3 Watercourse water surface vertical section of Songgou River present situation

圖4 現(xiàn)狀不滿(mǎn)足除澇要求斷面及設(shè)計(jì)后斷面對(duì)比（樁號(hào)0＋800）Fig.4 Comparison of present section and designed section(Pile number0+800)

3．2 現(xiàn)狀河道水位分析

根據(jù)現(xiàn)狀河道水面線(xiàn)模擬結(jié)果，宋溝現(xiàn)狀五年一遇水位為32．92～38．10m， 水位自上游至下游遞減。大部分?jǐn)嗝嬖O(shè)計(jì)水位低于兩岸地面高程0．21～1．35m，只有局部斷面水位超出地面（如圖4所示）?，F(xiàn)狀斷面基本能夠滿(mǎn)足五年一遇除澇水位低于地面0．2～0．5m 的設(shè)計(jì)要求。

從縱斷面（圖3）中可以看出，樁號(hào)0＋000～2＋600以及樁號(hào)17＋300～22＋300河段河底淤積抬高約0．2～1m。河底的明顯抬升會(huì)造成水位的雍高。河底的凹凸不平也會(huì)增大糙率，從而影響河道的過(guò)水能力。

表3 宋溝設(shè)計(jì)斷面水力計(jì)算成果對(duì)比表Tab.3 Comparison of Songgou River designed section hydraulic calculation results

根據(jù)現(xiàn)狀河道斷面以及除澇水位與地面的關(guān)系，宋溝設(shè)計(jì)斷面僅需對(duì)河道進(jìn)行清淤和岸坡整治，即可滿(mǎn)足五年一遇除澇要求。

3．3 設(shè)計(jì)水位分析

結(jié)合現(xiàn)狀水位分析，在滿(mǎn)足除澇水位與兩岸地面高差要求的前提下，兼顧投資經(jīng)濟(jì)因素，經(jīng)多次試算，最終確定設(shè)計(jì)斷面。應(yīng)用HEC－RAS計(jì)算軟件設(shè)計(jì)斷面的除澇水位，模擬結(jié)果如表3和圖5所示。

河道斷面經(jīng)過(guò)清淤整治后，設(shè)計(jì)除澇水位降低了0．10～0．66m，下游受沱河水位頂托影響水位變化不明顯；除澇水位低于地面0．34～1．6m，能夠滿(mǎn)足五年一遇除澇要求。經(jīng)清淤清障，河底順暢無(wú)淤積，水位也比整治前平緩，無(wú)明顯雍水，流速增加了0．05～0．28m／s。這說(shuō)明，河道整治對(duì)于宋溝提高河道過(guò)水能力和降低除澇水位效果顯著。

圖5 宋溝設(shè)計(jì)水位縱剖面圖Fig.5 Vertical section of Songgou River designed water level

4 結(jié)語(yǔ)

在河道治理工程中，推求河道水面線(xiàn)是重要的基礎(chǔ)工作，其計(jì)算結(jié)果會(huì)影響工程的安全和規(guī)模。設(shè)計(jì)河道水面線(xiàn)時(shí)，需經(jīng)多次試算，最終確定最為經(jīng)濟(jì)安全的設(shè)計(jì)斷面。

HEC－RAS軟件操作簡(jiǎn)便，計(jì)算效率高，并且適用于各種復(fù)雜的天然河道斷面形式，無(wú)需進(jìn)行斷面概化以及試算。宋溝治理的工程實(shí)例證明了HECRAS軟件適用于平原河道水面線(xiàn)的推算。用該軟件計(jì)算水面線(xiàn)，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)精度和效率。軟件計(jì)算結(jié)果可以更直觀地說(shuō)明現(xiàn)狀河道除澇能力，并能用以分析影響水位的主要問(wèn)題，從而指導(dǎo)河道治理工程的縱橫斷面設(shè)計(jì)工作。

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［4］ Davis．Hydrologic Engineering Center．HEC － RAS user＇s Manual version3．1［Z］.U．S．A．U．S．Army Corps of Engineers，2002：3－17．

［5］ 劉洋，孫曉英，王俊英，等．HEC－RAS 及 SOBEKRURAL 軟件推算山區(qū)天然河道水面線(xiàn)［J］．北京水務(wù)，2008，33（6）：34－36．

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TV85

B

10．13681／j．cnki．cn41－1282／tv．2017．04．006

2017-01-10

邰肇悅（1988－），女，河南鄭州人，工程師，碩士，主要從事水利規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

[責(zé)任編輯 楊明慶]