HEC-RAS和Hydrolab在羅定市供水工程中的應(yīng)用

李佩怡 張先毅 廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司

1.引言

水面線推算在水利工程設(shè)計(jì)中是一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)工作，水面線推算具有獨(dú)特性和時(shí)效性，每個(gè)水利工程項(xiàng)目都需要利用最新的河道測量數(shù)據(jù)行進(jìn)水面線推算。在社會(huì)生產(chǎn)和生活中，在河道范圍內(nèi)建壩、攔閘、修建橋梁、新建碼頭等會(huì)使河道過水?dāng)嗝婵s窄，造成壅水[1]；非法挖砂會(huì)造成部分河段河床下切，水位降低；自然狀態(tài)下發(fā)生的河道淤積、沖刷、裁彎取直等都會(huì)引起水位在時(shí)間和空間上的變化。水面線推算在水利工程中應(yīng)用廣泛，包括防洪工程、排澇工程、農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施建設(shè)、供水工程、水力發(fā)電工程、河道整治工程、堤防修建工程等。水面線計(jì)算方法包括試算法、分段求和法、控制曲線法、抗阻模數(shù)曲線法、斷面特性法、考慮流速水頭項(xiàng)及局部損失項(xiàng)時(shí)的圖解法（非棱柱形河槽時(shí)）、簡易近似法[2]，常用軟件有MIKE11、HEC-RAS[3]、Hydrolab等。本工程為供水工程，從西江取水輸送至羅定市區(qū)，管線以沉管形式跨越羅定江，需要計(jì)算管線跨河斷面的水位，為兩岸施工建筑物的防洪保護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐，由于下游水位的頂托影響，跨河斷面的水位不能僅根據(jù)斷面水位流量關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，需要進(jìn)行水面線推算，本次采用HEC-RAS和Hydrolab軟件分別進(jìn)行計(jì)算分析。

2.研究方法

2.1 HEC-RAS軟件

HEC-RAS美國工程兵團(tuán)河流分析系統(tǒng)軟件由美國陸軍兵團(tuán)水資源研究所水文工程中心（HEC）開發(fā)，包括恒定流和非恒定流分析、泥沙分析、漫灘侵蝕、橋梁沖刷、河槽演變模擬、穩(wěn)定河槽設(shè)計(jì)、模擬冰川覆蓋和野外河流冰川阻塞等模塊。HEC-RAS一維恒定流計(jì)算公式[4]如下：

優(yōu)點(diǎn)：該軟件研發(fā)早，應(yīng)用廣，技術(shù)成熟，可以進(jìn)行復(fù)雜河網(wǎng)計(jì)算，可以設(shè)置復(fù)雜的水工建筑物如堰、閘、涵洞、拱橋等，不需要分段計(jì)算。當(dāng)水面線出現(xiàn)鋸齒情況時(shí)，可以通過局部斷面參數(shù)修正進(jìn)行優(yōu)化?？梢酝瑫r(shí)輸入和輸出多個(gè)頻率的洪峰流量和計(jì)算結(jié)果。

缺點(diǎn)：軟件為英文界面，對于英文欠佳的初學(xué)者來說有點(diǎn)難度。當(dāng)橫斷面間距過近時(shí)會(huì)出現(xiàn)水位陡漲，需要合理刪減斷面。

2.2 Hydrolab軟件

Hydrolab廣東水文水利計(jì)算軟件由廣東省水利廳主導(dǎo)開發(fā)，包括水文頻率計(jì)算、河道大斷面計(jì)算。暴雨洪水設(shè)計(jì)計(jì)算、水庫防洪調(diào)節(jié)、水面線計(jì)算、灌溉渠系渠道設(shè)計(jì)流量計(jì)算等水利工作中常用的計(jì)算模塊，綜合性較強(qiáng)，覆蓋面廣，擁有地域優(yōu)勢。Hydrolab軟件中的水面線計(jì)算模塊[7]，繪制河道水面線的基本方程為伯努利能力方程，原理同HEC-RAS。

優(yōu)點(diǎn)：軟件支持對包含復(fù)式斷面、河道擴(kuò)大縮小、橋墩壅水、急轉(zhuǎn)彎等特殊斷面的河道水面線計(jì)算，輸入格式簡單明了，與測量數(shù)據(jù)格式一致，不需要二次處理，結(jié)果計(jì)算與輸出速度快。

缺點(diǎn)：一次只能計(jì)算一條單向河流，每次只能輸入和輸出一個(gè)頻率的洪峰流量和計(jì)算結(jié)果，多個(gè)頻率需要多次新建工程文件進(jìn)行計(jì)算。對于復(fù)雜的水工建筑物如攔河壩等，需要分段計(jì)算，操作繁瑣。

3.案例分析

3.1 區(qū)域概況

羅定江為西江一級支流，發(fā)源于茂名市信宜市雞籠山，集雨面積4493km3，全長201km，河床平均坡降0.87‰，總落差174.3m，其中流經(jīng)羅定市河長81km，羅定市內(nèi)集雨面積2220.5km2，占總面積的82%[6]。流域內(nèi)為亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，氣候溫和。本工程跨河斷面位于羅定江主干流羅定市七和水電站下游約1km處，集雨面積1644km2，斷面測量范圍自跨河斷面下游約12km處的新新水電站起，到跨河斷面上游約800m處止，斷面間隔300m左右，遇跨河建筑物需加測橫縱斷面，共51個(gè)測量斷面，其中6座橋梁，2座攔河閘壩。

3.2 設(shè)計(jì)洪水

3.2.1 方法選取

根據(jù)工程需要，計(jì)算跨河斷面施工期12～2月2%、5%和10%的設(shè)計(jì)洪峰流量和洪水位。計(jì)算洪峰流量主要有兩種方法，分別是暴雨徑流法和水文比擬法。根據(jù)《廣東省暴雨徑流查算圖表》暴雨推求設(shè)計(jì)洪水僅適用于集雨面積10～1000km2的流域，故本次采用水文比擬法推求設(shè)計(jì)洪水。

3.2.2 參證站選擇

羅定江干流上設(shè)有兩個(gè)水文站，羅定古欖站和官良站。羅定古欖站位于跨河斷面上游約30km處，1958年5月建站，集雨面積為936km2，羅定古欖站與跨河斷面之間有2條較大支流匯入，分別為連州河（集雨面積102km2）和泗綸河（集雨面積464km2），水文氣象特征基本相似。

官良站位于跨河斷面下游約33km處，1958年5月建站，集雨面積為3146km2，官良站與跨河斷面之間有3條較大支流匯入，分別為榃濱河（集雨面積307km2）、千官河（集雨面積247km2）和圍底河（集雨面積824km2），圍底河對羅定江干流的水文影響較大，導(dǎo)致官良站與跨河斷面出現(xiàn)豐枯遭遇不一致，故本次采用羅定古欖站進(jìn)行水文分析。

3.2.3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

本次收集到羅定古欖站1958-1982年、2005-2019年共40年逐月最大流量資料，由于序列不連續(xù)，缺測22年，需利用羅定古欖站的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)延長。收集到羅定古欖站1958-1982年、2005-2019年共40年的洪水要素資料，通過擬合得到水位-流量關(guān)系曲線圖（見圖2），相關(guān)系數(shù)R2=0.9816，相關(guān)性較高，本次收集到羅定古欖站1967～2012年共47年的月最高水位資料，根據(jù)其中1983～2004年月最高水位數(shù)據(jù)反算出對應(yīng)月份的月最大流量。羅定古欖離下游西江入河口較遠(yuǎn)，下游附近亦無較大支流匯入，受下游水位反向頂托影響較小，水位能真實(shí)反應(yīng)上游流量變化，故本次采用最高水位反推最大流量是合理的。

圖1 分析區(qū)域示意圖

圖2 羅定古欖站水位～流量關(guān)系圖

表1 羅定古欖設(shè)計(jì)洪峰流量成果表 單位：m3/s

采用羅定古欖站插補(bǔ)延長后1958-2019年共62年逐月最大流量資料，對全年和施工期洪峰序列進(jìn)行P-Ⅲ型頻率曲線分析。廣東省水利廳在進(jìn)行《廣東省洪水調(diào)查資料》（第三冊）編制時(shí)，對羅定江羅定古欖河段進(jìn)行過歷史洪水調(diào)查，調(diào)查時(shí)洪痕明顯，精度較可靠。查《中國歷史大洪水調(diào)查資料匯編》（駱承政主編，國家防汛抗旱總指揮部辦公室，水利部水文局，南京水利科學(xué)研究院編，2006年），與廣東省水利廳調(diào)查結(jié)果一致。根據(jù)歷史調(diào)查成果，羅定古欖站歷史洪峰流量從大到小排序?yàn)?907年、1947年、1952年，流量分別為3270m3/s、2550m3/s、2460m3/s，根據(jù)1958年～2019年實(shí)測系列，實(shí)測最大洪峰流量為1860m3/s，發(fā)生于1972年，小于1952年調(diào)查的2460m3/s，因此，實(shí)測系列中無需提取流量作特大值處理。根據(jù)羅定江流域歷史洪水調(diào)查情況及相關(guān)文獻(xiàn)，羅定江流域考證期自1907年起算，故羅定古欖河段1907年洪水為1907年以來的首位洪水，其重現(xiàn)期為113年。羅定古欖站全年和施工期設(shè)計(jì)洪水排頻結(jié)果見表3和圖3、圖4。

表3 起推斷面洪峰流量與水位計(jì)算結(jié)果表

圖3 羅定古欖全年最大洪峰流量頻率曲線圖

圖4 羅定古欖12～2月最大洪峰流量頻率曲線圖

根據(jù)以上計(jì)算得到的羅定古欖站不同頻率洪峰流量成果，利用洪水搬家公式計(jì)算各控制斷面洪峰流量，公式如下：

式中Q設(shè)為設(shè)計(jì)站洪峰流量或洪水總量；Q參為參證站洪峰流量或洪水總量；F設(shè)為設(shè)計(jì)站流域面積；F參為參證站流域面積；n為指數(shù)[5]。

羅定江各控制斷面施工期設(shè)計(jì)洪水成果見表2。

表2 羅定江控制斷面施工期設(shè)計(jì)洪水成果表 單位：m3/s

3.3 起推水位計(jì)算

本工程選取新新水電站作為測量起點(diǎn)，以新新水電站上游約300m處的深芩高速橋下的河道作為水面線推算的起點(diǎn)，新新水電站的壩前水位作為起推水位。位于羅定江右岔河道的新新水電站與位于羅定江左岔河道的雙東攔河閘為聯(lián)合調(diào)度關(guān)系，枯水期調(diào)度運(yùn)行實(shí)施方案如下：

（1）枯水期（10月～次年3月），電站正常蓄水位按39.658m（國家85高程，下同）運(yùn)行。

（2）當(dāng)入庫流量小于或等于電站最大過機(jī)流量112m3/s時(shí)，攔河閘門全部關(guān)閉，入庫水量全部用于發(fā)電及通航。

（3）當(dāng)入庫流量大于112m3/s而小于或等于295m3/s時(shí)，壩前仍維持39.658m運(yùn)行，除112m3/s通過機(jī)組發(fā)電下泄外，其余水量開啟攔河閘下泄。

（4）當(dāng)入庫流量大于295m3/s時(shí)，壩前水位降至38.158m運(yùn)行。

根據(jù)電站的水位～流量曲線（見圖5）插值，結(jié)合新新水電站的運(yùn)行調(diào)度原則，得出起推斷面施工期不同頻率洪峰對應(yīng)的水位，結(jié)果如圖5。

圖5 雙東水電站壩上水位～流量關(guān)系曲線圖

3.4 水面線推算結(jié)果

本工程測量段部分河段建有堤防工程，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇[6]，底坡尚均勻，但河段不夠順直，彎曲段較多，綜合考慮后糙率n取0.035，模型計(jì)算水面線結(jié)果見圖6，由此可得出跨河斷面施工期不同頻率洪峰流量對應(yīng)的水位，見表4。Hydrolab計(jì)算的水面線整體比HEC-RAS高0.11m，在突變點(diǎn)廢棄水電站斷面處，壩址上下游施工期50 年一遇、20年一遇、10年一遇洪水位差Hydrolab分別為0.54m、1.03m、1.49m，HEC-RAS分別為0.44m、0.87m、1.31m，HEC-RAS的計(jì)算結(jié)果水位過渡更加平順，這是由于HEC-RAS增加了對急流的計(jì)算[8]，使計(jì)算更加合理，而Hydrolab未考慮急流計(jì)算造成水位陡漲。突變斷面下游段Hydrolab的水位比HECRAS平均高0.06m、0.04m、0.02m，突變斷面上游段Hydrolab的水位比HEC-RAS平均高0.19m、0.22m、0.24m。由此可見，跨河斷面兩種方法的結(jié)果差異主要是由該突變斷面引起，跨河斷面洪水位Hydrolab比HEC-RAS高0.19m、0.2m、0.21m，從工程安全角度考慮，推薦采用Hydrolab的計(jì)算結(jié)果。

表4 跨河斷面施工期不同頻率洪峰流量和水位

圖6 施工期不同頻率水面線推算結(jié)果

3.5 合理性分析

3.5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)合理性分析

本次水面線推算采用最新的DE M數(shù)據(jù)和水文站長序列歷史實(shí)測數(shù)據(jù)，羅定古欖水文站離跨河斷面較近，且位于同一主干流上，中間無較大支流匯入，下墊面相似，豐枯遭遇相似，水文氣象特征相似，水文序列選取合理。水面線起推建筑物為新新水電站，運(yùn)行水位穩(wěn)定，水位～流量關(guān)系曲線數(shù)據(jù)為電站實(shí)測所得，來源可靠。各河道測量斷面間距300m左右，在支流匯入處及河道突變處增設(shè)測量斷面，有攔河、跨河建筑物增測剖面，由專業(yè)的測量公司測量，測量數(shù)據(jù)科學(xué)可靠。計(jì)算河段長約13km，滿足水力計(jì)算穩(wěn)定需要的長度。

3.5.2 結(jié)果合理性分析

本次推算的水面線曲線趨勢平穩(wěn)上升，與河床整體上升趨勢一致，在樁號8+284處水面線出現(xiàn)突變，這是由此處一廢棄水電站引起（橫截面見圖7），該廢棄水電站主要建筑物已拆除，水下建筑物僅剩攔水壩體未拆除，壩體占河道約一半的寬度，洪水來臨時(shí)壅水造成水位抬高。雖地方部門回應(yīng)，到本工程建設(shè)前，該廢棄水電站能完全拆除，但從工程最不利工況考慮，本次計(jì)算仍保留該廢棄水電站斷面。

圖7 廢棄水電站斷面橫截面示意圖

本工程跨河斷面橫截面示意圖見圖8，本次計(jì)算施工期不同頻率洪水對應(yīng)水位均未超過防洪堤壩，未對兩岸農(nóng)田和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成影響。本工程使用沉管方法跨越羅定江，施工圍堰堰頂高程需高于施工期洪水位，施工技術(shù)和成本符合項(xiàng)目要求，計(jì)算成果合理。

圖8 跨河斷面橫截面示意圖

4.結(jié)語

本次計(jì)算跨河斷面洪水位Hydrolab 比HEC-RAS 平均高0.19m～0.21m，洪峰流量越小差值越大，對于阻水作用較小的普通橋梁斷面，兩者計(jì)算差異較小。若計(jì)算斷面為簡單斷面的工程，推薦使用Hydrolab進(jìn)行計(jì)算，若計(jì)算斷面有復(fù)雜水工建筑物或者坡降較大的山區(qū)河流，緩流變急流，推薦使用HEC-RAS進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果更加穩(wěn)定合理。