HEC-RAS軟件在水面線計(jì)算中的應(yīng)用
——以養(yǎng)息牧河(新民段)為例

馬景健

(朝陽(yáng)市江河流域保護(hù)管理局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

1 流域概況

養(yǎng)息牧河發(fā)源于彰武縣科爾沁沙丘南緣的章古臺(tái)鎮(zhèn)，流經(jīng)彰武縣中部地區(qū)?？偭饔蛎娣e1861 km2，全長(zhǎng)129 km，比降0.0007～0.0015。彰武縣境內(nèi)干支流分布在14個(gè)鄉(xiāng)86個(gè)自然村，控制面積1552 km2，占彰武縣面積的41.7%。流經(jīng)新民縣的5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，境內(nèi)河長(zhǎng)35 km，河寬50～100 m。

養(yǎng)息牧河是遼河一級(jí)支流，養(yǎng)息牧河干流上無(wú)水庫(kù)，支流建有巨龍湖1座中型水庫(kù)。同時(shí)還建有小(1)型水庫(kù)8座，均在阜新市境內(nèi)，總庫(kù)容0.2469億m3，設(shè)計(jì)庫(kù)容0.1834億m3，興利庫(kù)容0.1332億m3。距遼河口8.6 km處建小荒地水文站，小荒地水文站以上集水面積1783 km2。具有1954—2012年59年水文資料系列。流域內(nèi)設(shè)有雨量監(jiān)測(cè)站7處。

流域內(nèi)雨量站降雨及小荒地站水文資料，由遼寧省河庫(kù)管理服務(wù)中心沈陽(yáng)分中心按有關(guān)規(guī)范整編刊印。資料完整性較好，精度較高，具有代表性，可用來(lái)分析、計(jì)算供設(shè)計(jì)部門(mén)采用。小荒地水文站三年大水及近年實(shí)測(cè)洪水情況見(jiàn)表1。

表1 小荒地水文站三年大水及近年實(shí)測(cè)洪水情況

養(yǎng)息牧河具有明顯的季節(jié)性河流特點(diǎn)，枯水期河道基本斷流，河床比降較大，主汛期流量較大，水量下泄快。洪水主要由暴雨產(chǎn)生，雨期比較集中，7月、8月兩月降水量占全年降水量的55%以上。一次洪水的歷時(shí)，大約在24 h左右，屬于陡漲陡落的山區(qū)性河流，峰型多是單峰型式，雙峰或多峰的型式也時(shí)有發(fā)生。連續(xù)兩次洪水的歷時(shí)，一般為3～5 d。

實(shí)測(cè)最大洪水1290 s/m3(1969年9月3日小荒地水文站)，平均含沙量5.1 kg/m3，年均徑流量0.71億m3(1955—2010年)。

2 推求設(shè)計(jì)洪水

2.1 根據(jù)洪峰流量推求設(shè)計(jì)洪水

目前，從小荒地水文站收集到1939—2010年共6年的洪峰流量資料，(無(wú)1944—1949年的洪峰流量資料)，養(yǎng)息牧河的小荒地水文站實(shí)測(cè)最大洪水排名前三位的依次是：1969年洪峰流量1290 m3/s(1969年9月3日小荒地站)，相應(yīng)水位40.20 m；1975年洪峰流量962 m3/s，相應(yīng)水位38.95 m； 1991年洪峰流量720 m3/s，相應(yīng)水位37.74 m。經(jīng)調(diào)查考證，1969年的洪水是歷史特大洪水，在此之前無(wú)歷史特大洪水。

用矩法進(jìn)行頻率計(jì)算，分別推求出10年、20年、50年、100年一遇的洪峰流量[1]。其平均流量為206 m3/s，Cv=1.1，Cs/Cv=3.5。

2.2 根據(jù)暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水

此方法依據(jù)《遼寧省中小河流(無(wú)資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》進(jìn)行計(jì)算。

2.3 設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算

養(yǎng)息牧河流域特性如下：位于水文分區(qū)Ⅱ區(qū)，屬于西部非飽和產(chǎn)流地區(qū)，總流域面積1861.00 km2，洪水產(chǎn)流面積375.61 km2，河長(zhǎng)35 km，平均比降0.85‰。

由于養(yǎng)息牧河洪水期產(chǎn)流面積均超過(guò)300 km2，因此，采用面積超過(guò)300 km2以上的方法分析計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。

(1)設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算。分別求出1 h、6 h、24 h及3 d設(shè)計(jì)雨量和面雨量，結(jié)果分別見(jiàn)表2～表4。

表2 皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數(shù)kp值

表3 養(yǎng)息牧河設(shè)計(jì)面雨量計(jì)算結(jié)果 mm

表4 養(yǎng)息牧河各頻率設(shè)計(jì)暴雨雨量分配過(guò)程 mm

(2)產(chǎn)流參數(shù)計(jì)算。查附表2～表3得Ⅱ區(qū)的各項(xiàng)參數(shù)如下表5。

表5 西部非飽和產(chǎn)流模型產(chǎn)流參數(shù)表

(3)根據(jù)西部非飽和產(chǎn)流模型，計(jì)算徑流設(shè)計(jì)凈雨過(guò)程如表6。

表6 養(yǎng)息牧河各頻率設(shè)計(jì)凈雨過(guò)程表 mm

(4)可能最大洪水過(guò)程線的推求。根據(jù)本流域的面積、河長(zhǎng)、比降等流域幾何特性和水文分區(qū)參數(shù)特性計(jì)算本區(qū)域的綜合經(jīng)驗(yàn)單位線，有了時(shí)段單位線，將按上述推求的凈雨過(guò)程，用“一刀切”的方法平扣時(shí)段凈雨(使其量等于地下徑流量—本地區(qū)是西部采用徑流總量的15%)后所得的地表凈雨過(guò)程乘以時(shí)段單位線，并錯(cuò)后△t=3 h相加即得到地面徑流過(guò)程線，最后再把地下徑流概化為等腰三角形還原到地面徑流過(guò)程線的底部，令其底寬等于地面徑流過(guò)程線的兩倍，峰值對(duì)準(zhǔn)其終點(diǎn)，即得可能最大洪水過(guò)程線，洪峰流量見(jiàn)表7，其可能最大洪水過(guò)程線如圖1。

表7 養(yǎng)息牧河各頻率洪峰流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖1 養(yǎng)息牧河設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線

2.4 成果合理性分析

從表8可以看出，兩種計(jì)算方法所求得的設(shè)計(jì)洪水相差不大，利用流量資料計(jì)算的成果大一些，為安全考慮，設(shè)計(jì)洪水成果采用根據(jù)洪峰流量推求設(shè)計(jì)洪水方法。

表8 養(yǎng)息牧河不同計(jì)算方法設(shè)計(jì)洪水成果比較 m3·s-1

3 水面線計(jì)算

3.1 計(jì)算條件

本次從中選擇31個(gè)斷面(Y1～Y31 )，采用HEC-RAS推求水面線。軟件需要輸入河道各斷面的里程及高程資料，主河槽的坐標(biāo)(相對(duì)坐標(biāo)、絕對(duì)坐標(biāo)皆可)，橋梁的高程、橋板的厚度、橋梁長(zhǎng)度、橋墩形式、橋孔數(shù)等，河道主河槽及灘地糙率，設(shè)計(jì)洪水流量，起始水位[2-3]。

3.2 起始水位確定

本次遇到的難點(diǎn)是起始水位的資料無(wú)法獲得，只有河道中下游小荒地水文站各年的流量和水位資料。一般的，起始水位有以下幾種確定方式[4]：

(1)根據(jù)下游入河口的歷史資料直接獲得。一般的，小河匯入大河，大河匯入海洋，大江大河的水文站較多，加之歷史上長(zhǎng)期的工程治理，資料十分豐富。河道的每一處水位資料都有章可循，作為中小型河道治理，一般以匯入河流的回水位作為起始水位，但也有學(xué)者認(rèn)為這樣的處理會(huì)使推求水面線的結(jié)果偏高。為安全起見(jiàn)，在沒(méi)有其他資料的充分論證之后，這種確定起始水位的方式也是較常用的辦法。

(2)根據(jù)水文站的水位資料擬合起始水位。如果水文站位于河道旁，在有充分的水文站實(shí)測(cè)資料下，根據(jù)水位流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以確定設(shè)計(jì)洪水年水文站平時(shí)實(shí)際測(cè)量時(shí)斷面的水位。如果本次河道治理的起始斷面位于河道的下游，根據(jù)河道的比降可以大致假設(shè)這一點(diǎn)的水位，然后根據(jù)水面線計(jì)算公式或者利用軟件向上推求自水文站實(shí)測(cè)斷面處的水位，兩者比較，通過(guò)假設(shè)反復(fù)推求直至兩者相差不大于0.05 m。如果起始斷面在水文站上游，方法同理。

(3)利用明渠恒定非均勻流公式求起始水位。根據(jù)，通過(guò)資料確定糙率、比降后。假設(shè)h，根據(jù)地形資料可以量出面積和濕周，采用試算法，以此也可以確定起始水位。

在確定起始水位過(guò)程中，調(diào)查周?chē)呀ㄔO(shè)堤防的高程、防洪標(biāo)準(zhǔn)、完好程度，減去其超高后可作為此處起始水位的參照，以在一定程度上判斷此處起始水位的合理性。

本次設(shè)計(jì)由于無(wú)法獲得遼河的詳細(xì)資料，采用上述方法二計(jì)算。通過(guò)小荒地多年的實(shí)測(cè)資料，確定小荒地水文站測(cè)量斷面處—Y26斷面(基本水尺兼測(cè)流斷面位于新革公路橋下游側(cè))的10年一遇洪水位為37.15 m，20年一遇洪水位為37.743 m。由HEC-RAS反復(fù)驗(yàn)算得出起始水位10年一遇為36.20 m，20年一遇為37.10 m。

3.3 軟件應(yīng)用

分析計(jì)算采用HEC-RAS軟件。

3.4 計(jì)算結(jié)果

本次設(shè)計(jì)以新革大橋?yàn)榻纾嫌味卧O(shè)計(jì)流量為10年一遇499 m3/s，下游段設(shè)計(jì)流量為20年一遇678 m3/s。

通過(guò)計(jì)算，可得養(yǎng)息牧河新民段P=5%和P=10%水面線，水面線縱斷面圖見(jiàn)圖2。

通過(guò)推算水面線發(fā)現(xiàn)，河道上游的彰武臺(tái)門(mén)橋、李屯橋、吳屯橋及其橋路，在新規(guī)劃的左右堤內(nèi)阻水嚴(yán)重，建議有關(guān)部門(mén)在堤防施工期拆除重建，本次設(shè)計(jì)不考慮此項(xiàng)內(nèi)容。

圖2 養(yǎng)息牧河(新民段)縱斷面圖

4 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)際案例分析，采用HEC-RAS建模推算水面線，計(jì)算結(jié)果較為合理，但HEC-RAS建模需要輸入的參數(shù)較多，計(jì)算中要耐心核對(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)。HEC-RAS建模推算水面線較傳統(tǒng)的試算法比較，在保證計(jì)算結(jié)果精度的基礎(chǔ)上，也大大節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。