HEC—RAS軟件在黃河下游引黃灌區(qū)渠道水面線推求中的應(yīng)用

王鳳群，辛 然

(1.河南黃河勘測設(shè)計研究院，河南 鄭州 450003；2.鄭州市第四中學(xué)，河南 鄭州 450003)

1 基本情況

黃河下游承擔(dān)著向河南、山東兩省沿黃地區(qū)提供生產(chǎn)、生活和生態(tài)供水任務(wù)，以及引黃入冀、引黃濟滄、向天津市和南四湖應(yīng)急調(diào)水任務(wù)。隨著黃河小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙的運用，近年來，黃河下游河道由于河床下切、河勢變化、渠道淤積、灌溉工程不配套等因素影響，使引水條件與設(shè)計情況相比發(fā)生了變化，造成部分引黃灌區(qū)引水困難，特別是每年3、4月份，黃河來水量小，水位低，部分河段引黃涵閘出現(xiàn)了無法正常引水的情況，影響了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

水面線推求是引黃灌區(qū)渠道改擴建工程設(shè)計工作重要環(huán)節(jié)，其推求成果直接關(guān)系到渠道改擴建方案及跨渠建筑物布置形式，對工程規(guī)模及投資影響巨大。由于引黃灌區(qū)擴建工程所涉及渠道較長、建筑物較多、改擴建比選方案繁雜，有必要選用適當(dāng)?shù)乃τ嬎丬浖焖?、?zhǔn)確地推求多種改擴建方案的水面線成果。

2 工程概況

以黃河下游彭樓引黃灌區(qū)為例，該灌區(qū)是跨魯、豫兩省的大型引黃灌區(qū)，始建于1959年，干渠全長107.52km，設(shè)計灌溉面積230萬畝。隨著黃河小浪底水庫的調(diào)水調(diào)沙運用，樓穿堤閘閘前大河河槽下切嚴(yán)重，造成彭樓引黃灌區(qū)引水困難。因此，迫切需要對彭樓灌區(qū)進行改擴建，緩解彭樓灌區(qū)區(qū)域水資源缺乏狀況，為保障灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造條件。彭樓灌區(qū)改擴建工程從河南省范縣彭樓險工渠首閘取水，修建涵閘穿越黃河左岸大堤(樁號106+600)，而后經(jīng)濮西干渠進入山東省聊城市境內(nèi)。其中北金堤及以南(黃委管轄范圍內(nèi)黃河河道及滯洪區(qū)范圍內(nèi))工程建設(shè)內(nèi)容包括①渠首段：彭樓險工渠首閘1座，黃河河道內(nèi)新建引渠928m，彭樓穿堤閘1座；②干渠段：毛崗泵閘站1座，樞紐閘(辛楊、濮東)2座，節(jié)制閘(畢莊、文早、高莊、路莊)4座，穿金堤河倒虹吸1座，北金堤穿堤閘(高堤口閘)1座，改擴建渠道15.76km，跨渠橋梁28座。彭樓險工渠首閘自流引水穿黃河大堤后經(jīng)毛崗泵閘站揚水輸水至干渠段。

3 水面線推求過程

3.1 HEC—RAS軟件

HEC—RAS軟件是美國陸軍工程兵團開發(fā)的一款免費軟件，其整個系統(tǒng)由用戶～圖形交互界面(GUI)子系統(tǒng)、計算單元子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)輸入和管理子系統(tǒng)、圖形和報告輸出子系統(tǒng)組成，其界面簡潔功能強大，可計算渠道、橋、涵、堤、閘門、溢洪道等水工建筑物的復(fù)雜水力系統(tǒng)的多種水力因子[1]，在國內(nèi)外河道水面線推求中得到廣泛應(yīng)用。

基本原理為明渠恒定非均勻流水面線推求，渠道內(nèi)任意兩斷面間皆應(yīng)滿足能量守恒方程：

(1)

式中，Z2、Z1—上、下斷面渠底高程；Y2、Y1—上、下斷面水深；V2、V1—上、下斷面平均流速；α1、α2—動能校正系數(shù)；g—重力加速度；he—斷面間水頭損失，包括沿程水頭損失、跨渠建筑物(水閘、涵洞、倒虹吸、橋梁等)局部水頭損失。

3.2 推求思路

(1)渠首段(彭樓險工渠首閘～毛崗泵閘站前池)

擬定不同的渠道參數(shù)、閘底板高程、閘孔尺寸的情況下，選定毛崗泵閘站前池水位作為控制(初始)水位，而后在設(shè)計流量下根據(jù)能量守恒方程向上游推算渠首段渠道水面線，若彭樓險工渠首閘閘前水位與文獻[2]沖刷最大狀態(tài)時大河水位49.98m一致，則此刻水面線即為所求。

(2)干渠段(毛崗泵閘站出水池～路莊節(jié)制閘)

假設(shè)渠道參數(shù)、跨渠建筑尺寸，以干渠段下游末端高堤口穿北金堤閘涵洞出口處水位47.09m作為干渠段水面線推求控制水位，根據(jù)能量守恒方程向上游推算渠道水面線，而后根據(jù)該水面線布置渠堤以及跨渠建筑物，分析工程布置是否合理、工程投資是否經(jīng)濟。

水面線推求思路如圖1所示。

圖1 水面線推求思路

3.3 邊界條件

(1)渠首段邊界條件(見表1)。

表1 渠首段(彭樓險工渠首閘～毛崗泵閘站前池)渠道水面線推求邊界條件

(2)干渠段邊界條件(見表2)。

4 水面線推求成果

HEC—RAS軟件能夠提供每個斷面包括水位在內(nèi)諸多水利因子以及水面線圖示成果。計算成果見表3、4、圖2、3。

5 結(jié)語

渠系改擴建工程涉及建筑物較多，比選方案復(fù)雜多變，采用傳統(tǒng)意義上根據(jù)設(shè)計規(guī)范推薦公式推求水面線雖然能夠滿足工作，但效率相對低下，設(shè)計人員的精力更多損耗在重復(fù)的方案比選計算工作中。因此，將HEC—RAS軟件應(yīng)用渠系改擴建工程多方案水面線計算中是一種有意義的嘗試。軟件應(yīng)用表明：計算效率大幅提高且精度能夠設(shè)計規(guī)范要求；計算參數(shù)調(diào)整快捷、方便，能夠快速計算不同邊界條件下多種方案，將設(shè)計人員從重復(fù)的計算工作中解脫出來，將更多的精力用于方案優(yōu)化中。

隨著小浪底水庫的持續(xù)運用，黃河下游涵閘引水能力不足問題將更加突出，建議將該軟件更多應(yīng)用于黃河下游灌區(qū)渠系改擴建工程建設(shè)中。

表3 渠首段(彭樓險工渠首閘～毛崗泵閘站前池)典型斷面水力因子

表4 干渠段(泵站出水池—高堤口穿堤閘)典型斷面水力因子

圖2 渠首段(彭樓險工渠首閘～毛崗泵閘站前池)水面線推求成果

圖3 干渠段(泵站出水池—高堤口穿堤閘)水面線推求成果

本文僅按照恒定非均勻理論推求了某一時刻渠系水面線，建議利用HEC—RAS非恒定流計算功能推求渠系水面線，動態(tài)計算成果展示，從而為渠系設(shè)計提供更有意義的指導(dǎo)。

[1] US Army Corps of Engineers Hydrologic Engineering Center. HEC—RAS River Analysis System Hydraulic Reference Manual[M]. 2008.

[2] 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司. 黃河下游引黃涵閘改建工程可行性研究設(shè)計水位論證專題報告[R]. 2017.

[3] 楊揚, 韓鳳霞. 山區(qū)河道水面線和管涵漫水橋壅水計算探討[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2013, 35(01): 44- 47.

[4] 謝加球, 候凱, 王艷蘋, 等. HEC-RAS水文分析軟件在水利水電工程中的運用[J]. 人民珠江, 2013(04): 29- 32.

[5] 徐偉, 劉茂, 楊杰, 等. 基于HEC-RAS的淮河淮南段洪水漫頂風(fēng)險分析[J]. 長江科學(xué)院院報, 2011, 28(06).

[6] 于藝. 基于HEC-RAS和GIS的山區(qū)性中小河流洪水風(fēng)險圖編制研究[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2017, 25(04): 36- 37.

[7] 侯艷, 王龍. HEC-RAS在溢洪道水面線計算中的應(yīng)用[J]. 云南水力發(fā)電, 2012, 28(04).

[8] 李磊, 李月玉, 孫艷, 等. Hec-Ras軟件在橋梁防洪評價中的應(yīng)用[J]. 水力發(fā)電, 2008, 340(03).

[9] 鄧顯羽, 李文楓. HEC-RAS模型在密江特大橋防洪評價中的應(yīng)用[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2012, 10(02).