HEC-RAS軟件在生態(tài)化河道設(shè)計(jì)方案優(yōu)化中的應(yīng)用

丁億凡

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061)

推求河道水面線是河道規(guī)劃與設(shè)計(jì)中的重要基礎(chǔ)性工作，傳統(tǒng)的河道水面線推算方法，即逐段試算法，在實(shí)際應(yīng)用中非常困難，一般均借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算。目前常用的水面線計(jì)算軟件包括MIKE、HEC-RAS、FLUENT等，美國工程兵團(tuán)編寫的HEC-RAS軟件因其功能強(qiáng)大、免費(fèi)應(yīng)用、安裝簡單、計(jì)算便捷等優(yōu)勢在歐美國家水利工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用[1]。

HEC-RAS軟件目前在國內(nèi)一些大中型設(shè)計(jì)院也有應(yīng)用，但基本上都集中在洪水位的計(jì)算上[2- 6]。隨著生態(tài)水利的設(shè)計(jì)理念普及，越來越多的河道設(shè)計(jì)中迫切需要兼顧防洪安全與生態(tài)基流保障的生態(tài)化設(shè)計(jì)方案[7- 9]。本文以桐江河風(fēng)光帶景觀工程及生態(tài)防洪工程的方案設(shè)計(jì)為例，通過應(yīng)用HEC-RAS軟件輔助河道設(shè)計(jì)。

1 HEC-RAS模型介紹

HEC-RAS(The Hydrologic Engineering Center-River Analysis System)是針對(duì)一維恒定/非恒定流的水力模型，主要用于明渠河道流動(dòng)分析和洪泛平原區(qū)域的確定，模型主要有如下三大功能：恒定流模擬、非恒定流模擬、可動(dòng)邊界的泥沙輸移計(jì)算。HEC-RAS計(jì)算模型采用逐斷面直接步進(jìn)法演進(jìn)。

1.1 河道水面線采用河道恒定非均勻流水面曲線方程

方程式[10]如下：

(1)

式中，Z1、Z2—上、下斷面的水位，m；L—上、下斷面之間的河段長度，m；V1、V2—上、下斷面的平均水流速度，m/s；R1、R2—上、下斷面的水力半徑；ζ—河道擴(kuò)散、收縮的水頭損失系數(shù)；g—重力加速度。

1.2 橋的壅高計(jì)算

1.2.1當(dāng)橋墩壅水時(shí)，應(yīng)用寬頂堰淹沒流變換公式計(jì)算

(2)

1.2.2當(dāng)橋面較低時(shí)，洪水漫橋，橋孔被淹沒成壓力孔流

(3)

式中，ψ—過流系數(shù)；ε—側(cè)收縮系數(shù)，ε=1-0.2[(n-1)ξ0+ξk]H0/(nb);ξ0—閘墩系數(shù);ξk—邊墩系數(shù)；n—橋孔數(shù);b—每孔寬度,m2；W—橋下凈面積,m2；V0=Q/W，W0—橋前天然面積,m2；

橋面以上部分過水以寬頂堰自由流公式計(jì)算：

(4)

式中，H0—有效水頭,m；M—流量系數(shù)。

過橋總流量：Q總=Q孔+Q面

1.2.3 過低壩水位差計(jì)算

采用寬頂堰流量公式：

(5)

(6)

按Hs/H0判別流態(tài)，Hs/H0>0.75為淹沒流，反之為自由流。

式中，ε—側(cè)收縮系數(shù)；σs—淹沒系數(shù)；B—壩凈寬,m；Hs—壩頂以上的下游水深,m；H0—壩上(包括引近流速水頭的水深)總水頭,m。

式中，P—壩前高,m；H—壩上水深,m。

2 實(shí)例研究

2.1 項(xiàng)目概況

桐江河是邵水的發(fā)源地，河流自東向西有兩條支流大禾塘和槎江匯入，然后注入邵水和資江，最后入洞庭湖進(jìn)入長江。桐江河風(fēng)光帶景觀工程及生態(tài)防洪工程位于湖南省邵東縣城，北起原黃陂橋鄉(xiāng)政府，南至曹家壩，西至縣污水處理廠，途經(jīng)南湖、明鏡湖、興隆湖、昭候湖、大明湖，全長26.2km?？偯娣e約1080hm2。

邵東縣城沿河兩岸地勢低平、開闊，城區(qū)內(nèi)的防洪設(shè)施尚未系統(tǒng)興建，基本以土坡為主，僅有小段村鎮(zhèn)自建擋墻，洪水來臨，沿岸兩岸河流漫灘，城區(qū)現(xiàn)狀防洪能力約2—3年一遇。洪澇災(zāi)害頻發(fā)。桐江河洪水陡漲陡落，非汛期大片灘地裸露，垃圾雜物較多，親水條件不足，水景觀差。

項(xiàng)目建成將使邵東縣防洪能力提高至50年一遇，同時(shí)與濱水景觀、親水公園同步設(shè)計(jì)，構(gòu)筑富有文化內(nèi)涵的生態(tài)景觀廊道，形成良好的生態(tài)本底，營造人水和諧的市民生活空間，充分發(fā)揮河流生態(tài)社會(huì)服務(wù)功能。

2.2 模型建立

2.2.1 河道概化

本次模擬桐江河干流河道以上游干流來水為主，區(qū)間來水主要為支流大禾塘、槎江。因此模型概化為1條干流，2個(gè)點(diǎn)源匯流。模型上游邊界為黃陂橋鄉(xiāng)政府，下游邊界為曹家壩。測量單位對(duì)桐江河規(guī)劃區(qū)內(nèi)河道縱橫斷面進(jìn)行測量，在桐江河干流、槎江、大禾塘支流河道中心線，共布設(shè)了50多個(gè)斷面。測量斷面布設(shè)圖如圖1所示。

圖1 測量斷面布設(shè)圖

2.2.2 設(shè)計(jì)洪水

采用流域內(nèi)茅坪水文站洪水成果水文比擬法結(jié)果，上邊界、大禾塘匯入斷面、槎江匯入斷面50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量分別為849m3/s、902m3/s、1250m3/s。

2.2.3 非汛期徑流

采用流域內(nèi)茅坪水文站流量資料，采用面積比乘雨量相關(guān)計(jì)算各控制斷面多年平均流量為：茅坪水文站37.9m3/s，邵東縣11.1m3/s，大禾塘4.9m3/s。各斷面多年平均最枯月(12月)月徑流為：邵東縣3.69m3/s，大禾塘1.63m3/s。

2.2.4 糟率選取

以洪調(diào)水面線、計(jì)算的洪水流量及本次實(shí)測的縱橫斷面資料，用HEC-RAS軟件試算河道糙率，設(shè)定其糙率值為0.02～0.045，因大洪水已漫灘，故漫灘后綜合糙率較大，漫灘前河道主槽糙率較小。

2.2.5 相關(guān)涉水建筑物

規(guī)劃區(qū)內(nèi)目前建有馬家橋、小水橋、反帝橋、四新橋、和尚橋及紙廠橋共六座跨河橋梁，下游邊界為曹家壩，壩高239.2m。分別在HEC-RAS橋梁模塊、水壩模塊中建模以統(tǒng)籌考慮其壅水影響。

2.3 現(xiàn)狀水位模擬

桐江河現(xiàn)狀汛期水位模擬如圖2所示，圖中從上往下分別為50年一遇、20年一遇、10年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)桐江河水面線。對(duì)比現(xiàn)狀兩岸高程，發(fā)現(xiàn)均不能滿足50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 桐江河現(xiàn)狀汛期水位模擬

河流生態(tài)基流對(duì)于維持河流生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)平衡、保持流域的整體性和連續(xù)性等特征具有重要的意義。生態(tài)基流不足，通常會(huì)造成河流納污能力和稀釋自凈能力降低、地下水位下降、水土流失、水生生物棲息地環(huán)境惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題。采用R2CROSS法進(jìn)行生態(tài)基流計(jì)算，桐江河枯期水深應(yīng)達(dá)到0.5m。用HEC-RAS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬如圖3所示，現(xiàn)狀河道枯水期斷面水深為0.15～0.5m，難以取得良好的水景觀效果，也不利于水生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展。

圖3 桐江河現(xiàn)狀非汛期水位模擬

2.4 初步設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)理念中，水安全與水生態(tài)并重。根據(jù)現(xiàn)狀水面和總體布局，規(guī)劃南湖、明鏡湖、興隆湖、昭候湖、大明湖共5座湖泊，因此在防洪達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，考慮非汛期生態(tài)需水和湖泊景觀需要，在4個(gè)湖的下游(最下游大明湖下已建曹家壩)設(shè)置攔水建筑物，抬高枯水期湖區(qū)的水位，滿足枯水期生態(tài)需水量，營造良好的生態(tài)和景觀效果。自上游至下游分別為1#、2#、3#和4#壩。初步設(shè)計(jì)方案HEC-RAS汛期水位模擬結(jié)果如圖4所示，非汛期水位模擬結(jié)果如圖5所示。

圖4 初步設(shè)計(jì)方案汛期水位模擬

圖5 初步設(shè)計(jì)方案非汛期水位模擬

2.5 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

初步設(shè)計(jì)方案中，攔水建筑物可以明顯提高非汛期水面線，并可保障5個(gè)景觀湖的常水位，如圖3所示，汛期3#、4#壩壅水影響較大，分別達(dá)1.0m、0.8m，壩前壅水長度分別達(dá)3km和4km，不利防洪安全；1#壩處流速過大，影響邊坡及河底穩(wěn)定、2#壩對(duì)洪水位幾乎無影響，如圖4所示。桐江河非汛期徑流不足，不設(shè)攔水建筑物很難保證水位，但攔水建筑物不應(yīng)影響行洪。通過HEC-RAS水位和流速模擬，提出水利優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：1#、3#、4#壩采用活動(dòng)壩(或水閘)，非汛期攔蓄、抬高壩上水位以形成湖區(qū)水面，汛期開閘不影響行洪。2#壩汛期壅水高度及范圍不大，在2#壩上節(jié)點(diǎn)規(guī)劃人工湖景觀，選用造型式溢流壩景觀效果更合適。優(yōu)化后的汛期水位較現(xiàn)狀和初步方案均有所降低，有利于行洪，如圖6所示。非汛期河道、湖泊水深基本都能保證在0.8米以上，水生態(tài)水景觀效果較好，如圖7所示。

圖6 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案汛期水位模擬

圖7 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案非汛期水位模擬

3 結(jié)語

通過工程實(shí)例推演可以看出，HEC-RAS軟件不僅可以快捷計(jì)算天然河道復(fù)雜流態(tài)下的洪水水面線，復(fù)核河道的防洪能力，還可以在河道方案設(shè)計(jì)、非汛期水位模擬、閘壩方案優(yōu)選中實(shí)現(xiàn)水面線的快速呈現(xiàn)，發(fā)揮直觀、有效的指導(dǎo)作用。