HEC-RAS 模型在河道整治洪水危險性評價中的應(yīng)用

邱金輝

（樂安縣財政局，江西 樂安 344300）

江西省樂安縣鰲河整治景觀工程主要包括蓄水堰壩、景觀棧橋、生態(tài)園路、河道清淤、景觀小品、河道綠化等建設(shè)項目，其中蓄水堰壩、景觀棧橋、生態(tài)園路及河道中綠化、景觀工程建設(shè)均在河道管理范圍內(nèi)，將占用河道部分面積，對河道行洪可能產(chǎn)生不利影響。為了明確其防洪影響，本文基于HEC-RAS 模型建立鰲河城區(qū)段的一維河道水利計算模型，計算項目建成前后洪水位變化，分析景觀工程建設(shè)對河道現(xiàn)狀行洪及規(guī)劃防洪工程實施等方面的綜合影響。

1 HEC-RAS 模型計算原理

HEC-RAS 軟件進行水面線推求，主要采用以下方法。

一維恒定流基于一維能量方程：

式中：z1、z2，V1、V2，a1、a2為計算河段斷面1 和斷面2 處的水位(河底高程與水深之和)，平均流速和流速的加權(quán)系數(shù)；He 為計算河段水頭損失；L 為計算河段總長度；Sf為計算河段水頭損失平均坡段；C 為計算斷面擴散或收縮損失系數(shù)[1]。

非恒定流基于連續(xù)方程和能量方程：

式中：ρ 為流體密度，g/cm3；u 為流速，m/s；f 為質(zhì)量力，m/s2；P 為水壓力，Pa；λ 為黏系數(shù)。

2 實例研究

2.1 研究區(qū)域概況

鰲河城區(qū)段總長度5.09 km，自上而下分成濕地公園景觀工程、鰲河整治景觀工程、水上樂園景觀工程等三項工程。

2.1.1 規(guī)劃濕地公園段

本段河道長度0.865 km，河道左岸靠山，山體可作為天然防洪屏障；右岸分布有大片的河灘地，灘地外側(cè)為沿河道路，道路高程較高，路基較穩(wěn)定，可作為河道護岸工程保障河道外側(cè)池頭村防洪安全。

2.1.2 城市建成區(qū)段

本段河道長度2.85 km，河道兩岸建筑密集，屬于樂安縣城區(qū)的中心地帶。該段河道大部分都已建有砌石護岸，部分護岸為房屋建筑的地基基礎(chǔ)，基本能滿足防洪要求，但沿線護岸不封閉，象山橋下游局部存在防洪缺口。

2.1.3 規(guī)劃水上樂園段

本段河道北起現(xiàn)狀翻板壩，南至南環(huán)橋，河道長度1.375 km。兩岸現(xiàn)狀為農(nóng)田，以天然岸坡為主，基本無砌石護岸，防洪能力較低。

2.2 計算范圍

水利計算范圍為城市防洪規(guī)劃范圍，計算河道全長5.09km。根據(jù)河道地形、地勢及實際河流走向、堰壩、阻水橋梁位置等具體情況建立水利計算概化圖，見圖1。模型計算時考慮了實際存在的橋梁、堰壩等控制建筑物的阻水因素，包括景觀橋、東英角橋、紅衛(wèi)橋、城關(guān)橋、象山橋、東門橋和南環(huán)橋等6 座橋梁，以及現(xiàn)狀和規(guī)劃的13 座堰壩。

圖1 水利計算概化圖

2.3 計算邊界

計算的上邊界為北環(huán)橋及各特征斷面流量邊界，下邊界為水上樂園1# 堰壩堰前水位。水上樂園1# 堰壩堰高1.5 m，堰頂高程151.5 m，堰寬50 m，堰壩下游水位根據(jù)堰壩下游600 m 位置斷面正常高水位回推計算得到，進而計算水上樂園1# 堰壩淹沒系數(shù)。堰壩上游水位根據(jù)以下堰流公式計算：

式中：Q 為過堰流量，取南環(huán)橋20年一遇設(shè)計洪水299 m3/s；B 為堰頂寬度，為水上樂園堰壩過流寬度50 m；H 為堰前水頭，為計算的水上樂園堰壩堰前水深，m；σ 為淹沒系數(shù)，根據(jù)上下游水位情況取0.94；m 為流量系數(shù)，取0.38；ε 為側(cè)收縮系數(shù)，取0.96。

根據(jù)式（4）計算，水上樂園1#堰壩設(shè)計堰頂高程取151.5 m，堰前水頭為2.5 m，則水上樂園1#堰壩20年一遇設(shè)計洪水位為154.0 m，見表1。

表1 水利計算邊界條件

2.4 河道斷面概化

模型計算河道斷面根據(jù)不同工況采用不同斷面，其中，現(xiàn)狀工況即為現(xiàn)狀實際測量斷面，河底高程為現(xiàn)狀底高程；項目建成后斷面為根據(jù)本項目清障、主槽拓寬、景觀工程布置之后的設(shè)計斷面，城市建成區(qū)段河底高程按河道坡降2%設(shè)計；規(guī)劃工況斷面為按照城市防洪規(guī)劃確定的規(guī)劃斷面。模型計算共概化鰲河城區(qū)段68 個斷面，平均約60 m 一個斷面。

2.5 計算工況

為分析工程建設(shè)對鰲河壅水及對規(guī)劃實施的影響，本次評價主要考慮三個工況：工況一，現(xiàn)狀工況，即為鰲河現(xiàn)狀工況，采用現(xiàn)狀河道實測斷面及現(xiàn)狀堰壩；工況二，規(guī)劃工況，即為城市防洪規(guī)劃工程實施后工況，主要考慮新建堤防和護岸、修復(fù)沿線4 堰壩及河道清障；工況三，景觀工程建成后工況，即為本次景觀工程建成后工況，主要是在規(guī)劃工況基礎(chǔ)上新建9 座堰壩及在部分河段修建棧橋、生態(tài)園路和景觀小品后的工況。

2.6 計算成果分析

2.6.1 水面線分析

計算景觀工程建成后工況20年一遇洪水位，并與現(xiàn)狀工況和規(guī)劃工況對比，具體成果見圖2。

圖2 各工況水面線比較圖

（1）濕地公園段

由于濕地公園尾現(xiàn)有自來水廠水壩，堰頂高程162.7 m，堰寬56 m，規(guī)劃保留現(xiàn)狀堰壩及其規(guī)模，而本次景觀工程擬將原有堰壩進行改造，堰寬增加至60 m，堰寬較現(xiàn)狀和規(guī)劃工況均有所加長，因此堰上游洪水位稍有降低，20年一遇洪水位降低0.07 m。

（2）建成區(qū)段

建成區(qū)段各工況的差別主要是河道斷面和堰壩分布。現(xiàn)狀工況河床灘地分布廣且局部地帶被占為種植地，沿線分布3 座堰壩，分別是1#堰壩、6#堰壩和景觀橋橋位置翻板壩；規(guī)劃工況對現(xiàn)狀河床內(nèi)種植地進行清障，并修復(fù)現(xiàn)有3 座堰壩；本景觀工程建成后工況在規(guī)劃工況基礎(chǔ)上加高景觀橋位置現(xiàn)狀翻板壩，壩頂高程從現(xiàn)狀的153.53 m 加高至154 m，并在上游沿線共新增堰壩7 座，沿線斷面與現(xiàn)狀工況的差異主要是局部清障疏浚、主槽拓寬和棧橋、園路、景觀節(jié)點設(shè)置的區(qū)別。

根據(jù)計算結(jié)果，景觀工程實施后，建成區(qū)段水位較現(xiàn)狀工況有不同程度的雍高，雍高最為顯著的是現(xiàn)狀翻板壩上游，雍高0.54 m，其次為1#堰壩上游，雍高0.41 m，主要是由于本項目對現(xiàn)狀堰壩進行修復(fù)，同時增加了翻板壩壩頂高程引起；對于東門橋～東英角橋之間河段，由于堰壩均為低壩，水位雍高影響不大，沿線棧橋、園路設(shè)置提高了河道整體水位，同時，由于本項目對沿線河道主槽進行了拓寬，對河道行洪有一定幫助，綜合影響下，東門橋～東英角橋之間河段景觀工程建成后影響不大，水位雍高基本在0.3 m 以下。

對于規(guī)劃工況，由于規(guī)劃清障工程實施，規(guī)劃河道大部分河段水位較現(xiàn)狀有所降低，僅在1#堰壩、6#堰壩、現(xiàn)狀翻板壩位置由于堰壩修復(fù)水位較現(xiàn)狀工況有所抬高。相比規(guī)劃工況，景觀工程建成后水位較規(guī)劃水位高0.01 m～0.52 m。

（3）水上樂園段

現(xiàn)狀工況和規(guī)劃工況該段為天然河道，主槽較窄，僅約12m，主槽兩側(cè)高程較低，易發(fā)生漫灘現(xiàn)象，兩岸灘地寬闊，水流較緩。水上樂園擬建涉水工程主要是新建1# 堰壩和2# 堰壩，并在灘地上布置景觀小品，由于灘地面積大，景觀小品設(shè)置對其影響較小，主要影響即為堰壩上游水位雍高影響，其中2# 堰壩雍高0.55 m，1# 堰壩雍高0.5 m。

2.6.2 淤積分析

鰲河洪水暴漲暴落，由于堰壩對洪水存在一定的阻礙作用，會在一定程度上降低流速，故洪水?dāng)y帶的大量河床質(zhì)易在堰壩上游沉積，久而久之造成堰壩上游側(cè)淤積，堰前正常蓄水深度及水面面積均減小，不利于河道水景觀，因此相關(guān)部門應(yīng)該加強管理，定期對堰前淤積物進行清理，恢復(fù)河道水面。

2.6.3 河勢影響分析

根據(jù)鰲河沿線地質(zhì)勘察資料，鰲河地層巖性主要為素填土、粗砂、強風(fēng)化花崗巖，其中素填土分布厚度一般0.8 m～2.1 m，粗砂層頂板埋深1.6 m～4.3 m，強風(fēng)化花崗巖頂板埋深2.5 m～5.5 m。本項目濕地公園和水上樂園堰壩對壩后天然河床沖刷約2.2 m 左右，設(shè)計考慮了沖刷影響，并在壩后分別設(shè)置了消力池消能，減小沖刷影響，因此不會影響對河勢穩(wěn)定。鰲河沿線堰壩基本為低堰，河床沖刷深度在2 m 以內(nèi)，由于河床底下巖基廣泛分布，沖刷基本不會影響河勢穩(wěn)定。

3 結(jié)論

將HEC-RAS 模型應(yīng)用于河道防洪水力計算領(lǐng)域，能夠高效完成多個河道整治方案的水面線推求影響分析。由于本項目在河道范圍內(nèi)新建堰壩、棧橋等阻水工程，造成鰲河河道水面雍高，原規(guī)劃堤防高程局部不滿足河道防洪要求，需對局部護岸進行加高。同時，作為帶狀景觀項目，沿線新建棧橋、園路、堰壩、景觀小品等均對河道產(chǎn)生不同程度的壅水。本次評價以不弱化工程景觀效果的同時將防洪影響降到最小的原則，提出調(diào)整設(shè)計方案和加高加固堤防，并相應(yīng)優(yōu)化沿線景觀平臺的措施，取得了良好效果。