HEC-RAS 模型在山區(qū)河道劃界中的應用

杜 麥，陳小威

（1.石家莊豐水工程咨詢有限公司，河北 石家莊 050000；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 引言

近年來，由于河道管理范圍不明確，四亂等行為時有發(fā)生，影響河道行洪及人民群眾生命財產(chǎn)安全[1］，為此對潮河四道河段河道管理范圍進行劃界對其具有重要意義。

依據(jù)《河北省河湖管理范圍復核及劃定技術指南》，無堤段河道管理范圍原則上按照歷史最高洪水位或設計洪水位確定。由于歷史最高洪水位難以確定，本次按照設計洪水位確定其管理范圍，故河道水面線推求是河道劃界的重要內(nèi)容和基礎，其推算結(jié)果將直接影響管理范圍的劃定。常規(guī)的逐段試算法，對于流態(tài)復雜的山區(qū)河道，極易出現(xiàn)不合理或無解現(xiàn)象[2］。HEC-RAS（Hydrologic Engineering Center’s River Analysis System）模型是由美國陸軍工程師團開發(fā)的一款模型，該模型在山區(qū)縱坡較陡的天然河道水面線推求中具有良好的模擬成果[3］，本文利用HEC-RAS 建立一維水力模型對潮河四道河段進行不同流態(tài)下設計洪水位推求。

2 計算原理

HEC-RAS 可進行一維恒定流、一維非恒定流模擬，可用于河道坡度不大于10%的天然河道的水面線推求，計算緩流、急流及混合流等多種流態(tài)[4］。

2.1 恒定流模擬

基于一維能量方程，通過直接步進方法推求水面線。計算公式如下：

式中：Zu、Zd分別為上、下游斷面水位；au、ad分別為上、下游斷面流速系數(shù)；vu、vd分別為上、下游斷面平均流速；hf、hj分別為上下游斷面之間的沿程水頭損失和局部水頭損失。

2.2 非恒定流模擬

基于一維連續(xù)性方程和動量方程，計算原理如下：

式中：ρw為水的密度；vi、vj為斷面流速；xi、xj為距離；p為壓力；fi為質(zhì)量力；v 為流體的運動粘滯系數(shù)。

3 模型構建

以河北省豐寧滿族自治縣潮河四道河段為研究對象，建立一維水力模型推求設計洪水水面線。

3.1 研究區(qū)域概況

潮河為潮白河支流，屬北三河水系，發(fā)源于豐寧滿族自治縣哈拉海灣村，于天橋鎮(zhèn)的前溝門村入灤平縣境內(nèi)，在古北口鎮(zhèn)入北京市密云縣，最終匯入密云水庫。潮河流域面積6920 km2，其中豐寧縣境內(nèi)流域面積3336.01 km2。潮河于四道河村建設有大閣水文站，建站時間為1956 年，控制流域面積為1850 km2。

根據(jù)豐寧大閣氣象站的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，流域內(nèi)多年平均氣溫6.4℃，一月份平均氣溫-11.7℃，七月份平均氣溫22.1℃；全面無霜期129 d，多年平均降水量為463 mm；多年平均凈流深60 mm；多年平均水面蒸發(fā)量為950 mm，多年平均陸面蒸發(fā)量為400 mm；年平均風速2.1 m／s；年平均日照時數(shù)為2802 h；多年平均凍土厚度約1.5 m。

本次研究區(qū)域為潮河四道河段，研究區(qū)域以上流域面積為1862 km2，該段河長約4.6 km，坡降約9.7‰。該段河道為天然河道，兩岸無堤防及護岸，現(xiàn)狀主槽寬15 m～45 m，左右岸為農(nóng)田或山體，于四道河處建有大閣水文站。

3.2 參數(shù)設置

潮河四道河段為山區(qū)河道，兩岸為農(nóng)田和村莊，防洪標準取10 年一遇（P=10%），依據(jù)《豐寧滿族自治縣潮河防洪整治規(guī)劃》，該段10 年一遇設計洪水為689 m3／s，計算采用一維恒定流，分別采用緩流流態(tài)和急流流態(tài)推算兩種工況的設計洪水位。

（1）河道斷面

采用2018 年實測斷面，該段共計28 個大斷面，間距約30 m～220 m。

（2）河道糙率

根據(jù)現(xiàn)場查勘的河道平面形態(tài)、橫斷面形態(tài)及河床質(zhì)粒徑，參考《水力計算手冊》和以往工程，結(jié)合水力學參數(shù)綜合比選，河道灘地糙率采用0.05，河道主槽糙率采用0.035。

（3）起推斷面

急流工況下，通過敏感性分析，起推斷面位于樁號0+000斷面上游約1 km 處時，對該段水位影響較小，故起推斷面位于樁號0+000 斷面上游約1 km 處，則終點斷面為樁號4+605斷面；同理，緩流工況下，起推斷面位于樁號4+605 斷面下游約2 km 處，終點斷面為樁號0+000 斷面。

（4）起推水位

起推水位根據(jù)明渠均勻流計算。

4 計算成果與分析

4.1 計算成果

根據(jù)以上參數(shù)對四道河段10 年一遇洪水位進行推求，推求成果如表1 所示。由模擬成果可知，急流工況下水位較低，流速較大，緩流工況計算的水位較高而流速較小。

表1 潮河四道河段10 年一遇水面線

續(xù)表1

4.2 合理性分析

該河段建有大閣水文站，于1998 年和2011 年發(fā)生較大洪水。

為驗證一維水力模型的合理性，采用1998 年、2011 年實測洪水，利用建立的一維模型模擬驗證，將模擬成果與實測成果進行對比，見圖1 和圖2。

圖1 1998 年洪水實測水位與模擬水位對比

圖2 2011 年洪水實測水位與模擬水位對比

由圖可知，兩種工況下模擬成果與實測成果趨勢相同，模擬水位均大于實測水位，但急流工況成果更加接近實測水位，主要原因為該段河道為山區(qū)河道，坡度較陡，采用急流流態(tài)模擬更加符合實際情況[5］。

1998 年洪水條件下，模擬成果略大于實測水位，流量越大，差距越大；2011 年洪水條件下，流量較小時，兩種工況下模擬成果均與實測成果相近，流量較大時，緩流工況下模擬成果較實測水位增幅較大，急流工況下較實測值有所增加。原因主要有以下兩點：其一，模型采用2018 年實測斷面，相比1998 年和2011 年，河道產(chǎn)生了淤積，導致模擬成果與實測成果相比偏大；其二，流量較大時，洪水出槽，由于本次測量斷面偏窄，使模擬結(jié)果產(chǎn)生誤差，相比實測成果有所增大。

綜上，通過建立的一維水動力模型模擬結(jié)果可知，與緩流工況相比，急流工況成果更加符合實際，雖在流量較大時急流工況計算成果與實際成果相比偏大，但為確保兩岸農(nóng)田及村莊安全，為河道管理留足余地，同時考慮近年河道淤積影響，采用該模型急流工況成果進行河道劃界是合適的。

5 管理范圍劃定

根據(jù)《河北省河湖管理范圍復核及劃定技術指南》，無堤段劃定原則如下：

無堤防行洪河道，其管理范圍原則上按照歷史最高洪水位或設計洪水位確定。寬淺式、無明顯河型、出山口、過村莊等河段，以滿足河道行洪能力、保護對象防洪安全為原則確定，具體經(jīng)過有資質(zhì)的單位分析論證。對于已批復河道防洪整治規(guī)劃、實施方案，且河道治理工程正在實施的，按批復的管理范圍劃定。

本次潮河四道河段兩岸均無堤防，河道管理范圍按現(xiàn)狀10 年一遇淹沒范圍劃定，依據(jù)沿河道實測的1∶2000 地形圖和10 年一遇洪水位推算成果，最終得到潮河四道河段管理范圍（由于篇幅限制，成果不在計列）。

6 結(jié)論

（1）利用HEC-RAS 軟件建立潮河四道河一維水力模型，對該河段進行急流和緩流兩種工況下洪水位推算，由模擬成果知，急流工況水位較低，流速較大，緩流工況水位較高而流速較小。

（2）將建立的一維模型通過1998 年和2011 年實測洪水進行驗證，發(fā)現(xiàn)山區(qū)河道推求水面線時，采用急流工況即從上而下推求成果更加符合實際。

（3）急流工況下模擬水位較實際水位成果偏大，但可形象的反映洪水過程特性，同時可確保兩岸農(nóng)田和村莊安全，保障河道行洪安全，為河道管理留下充足空間，考慮近年河道淤積影響，故采用該模擬成果可作為山區(qū)河道管理范圍劃定的依據(jù)。

（4）依據(jù)實測地形圖和急流工況模擬成果，最終可得到潮河四道河段管理范圍。