基于HEC—RAS對城市河道枯水期補水方案的應(yīng)用研究

陳相威　孫大偉　王京　粟一帆

摘要：城市河道枯水期缺水現(xiàn)象日益顯著，為解決城市河道枯水期生態(tài)水位和景觀水位不足的問題，以深圳觀瀾河流域長坑水河為例，采用HEC-RAS一維水動力模型計算水面線。以長坑水50年一遇洪水工況下的水面線對HEC-RAS進行率定驗證，分析該模型模擬河道水面線的合理性。再對城市河道枯水期不同補水方案進行模擬對比分析，從而確定河道補水最佳方案，來滿足長坑水河道生態(tài)景觀等需求用水，也可給其他城市河道生態(tài)景觀設(shè)計提供參考。

Abstract： The phenomenon of water shortage in urban rivers during dry season is becoming more and more obvious. In order to solve the problem of insufficient ecological water level and landscape water level in urban rivers during dry season， the Changkeng River in Guanlan River Basin of Shenzhen is taken as an example to calculate the water surface line by HEC-RAS one-dimensional hydrodynamic model. The HEC-RAS was validated by the water surface line under the 50-year flood condition of Changkeng Water， and the rationality of the model to simulate the river surface line was analyzed. Then， the simulation and comparative analysis of different water replenishment schemes in urban rivers during the dry season will be carried out to determine the best scheme for river hydration to meet the demand water of Changkeng waterway ecological landscape， and also provide reference for river ecological landscape design in other cities.

關(guān)鍵詞：城市河道；HEC-RAS；生態(tài)補水；模擬驗證

Key words： urban river channel；HEC-RAS；ecological hydration；simulation verification

中圖分類號：TV76 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）32-0185-04

0 引言

隨著城市化進程的加快，城市水環(huán)境問題越來越嚴重，推進流域水環(huán)境綜合治理，是落實生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措，對我國轉(zhuǎn)型發(fā)展和綠色發(fā)展具有重要推動作用[1]。我國水環(huán)境綜合治理形勢十分嚴峻，面臨的矛盾非常突出，水環(huán)境綜合治理的難度也較大，應(yīng)按照生態(tài)文明和綠色發(fā)展的要求，加強水環(huán)境綜合，治理力度[2]。隨著人們對美好生態(tài)環(huán)境的需求與日俱增和城市旅游業(yè)的快速發(fā)展，河道景觀與娛樂用水日益成為河道綜合治理的一項重要內(nèi)容[3]。但是在保障水域周邊居民的正常生活，重點考慮河道的雨洪調(diào)蓄能力時，往往會忽略城市河道不可或缺的景觀功能[4]。由于城市河道多屬于雨源型河流，所以河道整治工作除了汛期對洪澇災(zāi)害以及水污染的治理，還有河道在枯水期為了保證河道生態(tài)、景觀等需水量進行的補水工程計算。

長坑水位于深圳市區(qū)內(nèi)，除行洪外景觀為其第二重要職能，在不影響行洪功能條件下應(yīng)保持長坑水河道內(nèi)的水景觀優(yōu)美，提升深圳市整體形象。而枯水期時，長坑水作為雨源型河流幾乎無徑流，需通過補水來保持一定深度的水體，從而形成水景觀。本文以長坑水為例，通過HEC-RAS建模比較兩種不同補水方案，選取最佳補水方案給長坑水河道內(nèi)實施清水補給工程來滿足生態(tài)景觀等需求用水，也可給其他城市河道生態(tài)景觀設(shè)計提供參考。

1 應(yīng)用實例與方法

1.1 流域概況

長坑水位于深圳市觀瀾河流域中游，龍華區(qū)環(huán)觀南路以南、機荷高速以北，主要承擔(dān)流域區(qū)間內(nèi)地面匯流和排水。主干河道發(fā)源于高山嶺，于五和大道西側(cè)形成河道，往東流經(jīng)長坑村，穿過清湖立交后通過箱涵折向西北。長坑水原河道在福民社區(qū)大和村匯入觀瀾河，現(xiàn)經(jīng)大和路西側(cè)改道，于招商瀾園北側(cè)明渠流入觀瀾河。長坑水集雨面積約3.97km2，干流河長2.84km，河道平均比降12‰，支流整治河長0.75m。長坑水上游目前無蓄水調(diào)蓄工程。長坑水現(xiàn)狀下墊面多為混凝土、瀝青路面，徑流主要由降雨形成。徑流的年內(nèi)變化情況與流域降雨的時空變化較為一致，其主要特點為汛期（4～9月）的徑流量較大，約占全年徑流總量的80%，10～翌年3月的徑流量相對較少，僅為全年徑流總量的20%左右。

長坑水河道排污口截污工程建成后所有生活污水、工業(yè)廢水均被管道收集，河道無污染水體進入。長坑水位于深圳市區(qū)，除行洪外景觀為其第二重要職能，在不影響行洪功能條件下應(yīng)保持長坑水河道內(nèi)的水景觀優(yōu)美，提升深圳市整體形象。而枯水期時，長坑水作為雨源型河流幾乎無徑流，需通過補水來保持一定深度的水體，從而形成水景觀，因此考慮在長坑水河道內(nèi)實施清水補給工程。

1.2 模型介紹

HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團水文工程中心開發(fā)的水面線計算軟件包，主要應(yīng)用于河道一維恒定流和非恒定流水力分析計算，以其強大的模擬能力而著稱，在國外得到了廣泛的贊譽和應(yīng)用[5]。HEC-RAS水面線計算采用河道水面線伯努利能量方程，考慮流速水頭損失，采用試算法求解，其計算公式如下：

1.3 補水方案

由于長坑水是雨源型河流，旱季河道內(nèi)無水流，需補充河道的蒸發(fā)量與入滲水量。目前水環(huán)境治理工程中河道補水量一般根據(jù)生態(tài)需水量、水質(zhì)稀釋補水量和景觀需水量三種方法進行計算?？紤]到截污后無污染物入河，因此根據(jù)生態(tài)需水量、景觀需水量兩種方法進行計算，各方法均有一定限制性因素。

長坑水河長2.84km，計劃修建一條干渠，景觀補水方案從河道視覺效果考慮，確保河道中有水流動和一定的水深從而形成景觀?？紤]到長坑水地形情況復(fù)雜，暗涵與明渠結(jié)合，結(jié)合后期運營及維護成本，并且長坑水流域內(nèi)可供給水源非常有限，為確保景觀效果、達到補水目的，計劃在河道內(nèi)修建梯級景觀堰，形成景觀跌水，增加水動力?？紤]到行洪要求及河道情況，各河段景觀堰高度為0.4至0.5m，經(jīng)實地查勘，選定人口較稠密處及具有景觀需求處修建景觀堰，共9處。對河道補水一個周期需滿足全部堰體水體更換，即5385m3。另考慮蒸發(fā)及滲漏損失221m3，由此，確定長坑水日補水量按5650m3進行設(shè)計。為保證水體清潔，達到景觀要求，水流量為0.101m3/s。本工程對旱季生態(tài)需水量進行計算，取10%平均流量作為生態(tài)需水量結(jié)果，為0.012m3/s。清水補給方案在滿足行洪安全的前提下要滿足生態(tài)景觀需水量。

①方案一：長坑水附近沒有水庫，但在觀瀾河上游距離長坑水河道出口僅1公里處有一污水處理廠——龍華污水處理廠，龍華污水處理廠日處理能力40萬噸，方案一以龍華污水處理廠處理后的再生水作為補水水源。龍華污水廠觀瀾河補水管，日供水量13萬噸，該管道沿觀瀾河鋪設(shè)與長坑水河道相距1km左右，與長坑水河道較近，可通過輸水管道運送到長坑水干流上游源頭處，對長坑水河道進行補水，補水干管示意圖見圖1。

②方案二：長坑水附近沒有水庫，在長坑水中上游部位設(shè)置臨時污水處理設(shè)施，位置處于樁號0+600空曠綠地附近。同時，對周邊的污水管網(wǎng)進行改造，將周邊生活及工業(yè)污水引至臨時污水處理設(shè)施，處理后作為長坑水補水水源。長坑水日補水量為5650m3/d，因此，臨時污水處理設(shè)施采用一級強化處理設(shè)施+二級處理，一級強化處理設(shè)施采用高效沉淀池，二級處理采用生物濾池工藝，總的處理工藝為高效沉淀池+生物濾池。

2 HEC-RAS建模分析

由于枯水期時，長坑水作為雨源型河流幾乎無徑流，因此本文計算僅選取長坑水干流部分進行建模，綜合考慮各河道實際斷面情況進行確定。長坑水現(xiàn)狀渠道岸坡為漿砌石，綜合糙率取0.025。本模型將河道分為0+000～0+156、0+256～0+756、0+856～0+2056、2+141～2+800四段，共計41個斷面，計算斷面為實測橫斷面，斷面布設(shè)間距不超過100m，對河道轉(zhuǎn)折、暗涵進出口、斷面尺寸變化處加設(shè)斷面。如圖2所示。

2.1 模型率定結(jié)果

由于枯水期時，長坑水作為雨源型河流幾乎無徑流，則長坑水河道水面線起推水位采用2014年《深圳市防洪潮規(guī)劃修編及河道整治規(guī)劃（2014～2020）》觀瀾河干流長坑水匯入口50年設(shè)計洪水位，50年水位42.88m，進行率定，模擬結(jié)果如圖3所示，可見數(shù)值模擬水位與河道現(xiàn)狀水位基本吻合，樁號0+656至0+756段河道、干流樁號1+1560至1+356均受下游箱涵壅水影響，導(dǎo)致河道水位較高，但基本接近實測值，具有良好的模擬效果。

2.2 補水方案模擬結(jié)果

由于兩種方案補水量相同，但是補水形式及位置不同，導(dǎo)致補水效果存在差異。本模型將河道分為0+000～0+156、0+256～0+756、0+856～0+2056、2+141～2+800四段，上游邊界分別取生態(tài)需水量，景觀需水量以及實際補水量。綜合糙率取0.025，考慮9個景觀堰進行模擬，分別通過HEC-RAS模擬得到生態(tài)需水位、景觀需水位以及方案補水水位的結(jié)果進行對比，數(shù)值模擬如圖4-圖5。

3 補水方案比選分析

根據(jù)模型數(shù)據(jù)分析水，以及長坑水周邊環(huán)境、施工難度、補水效果、經(jīng)濟性等因素進行考慮，對以上兩個補水方案比選如下：

①補水方案一和方案二均可滿足生態(tài)景觀需水量，但是由于方案二補水點位于中上游部位，枯水期0+000—0+600河段幾乎沒有徑流，并且補水效果對比，不如方案一效果理想。

②方案一以龍華污水處理廠中水作為補水水源為永久工程，方案二以臨時污水處理設(shè)施處理后的水為補水水源為臨時工程。臨時污水處理設(shè)施達到壽命周期后（4年左右），仍需新建補水管道，從龍華污水處理廠引再生水補充河道。因此，方案二存在重復(fù)建設(shè)的問題。

③方案二臨時污水處理設(shè)施處理后的污水水質(zhì)僅為V類，無法滿足河道IV補水，V類達標的補水水質(zhì)的要求，且補水水量需視周邊污水排放情況而定，水量不穩(wěn)定，無法有效補給。

綜上所述，方案一能保證長坑水的有效清水補給，水質(zhì)滿足要求，且無需對已規(guī)劃的污水主管重新設(shè)計；方案二存在工程量增加大、水質(zhì)不滿足要求、水量不穩(wěn)定、重復(fù)建設(shè)等一系列問題，因此方案一較優(yōu)。

4 總結(jié)

①本文通過運通HEC-RAS軟件模型，以長坑水補水工程不同的方案為實例進行數(shù)值模擬，通過模型數(shù)據(jù)、補水效果、施工難度以及經(jīng)濟型多方面比較比較，選取了方案一為最佳方案。以龍華污水處理廠處理后的再生水作為補水水源。龍華污水廠觀瀾河補水管日供水量13萬噸，長坑水日補水量為5650m3，本次長坑水補水主干管設(shè)計補水量按25650m3，補水流量為0.456m3/s。

②通過HEC-RAS建?？梢园l(fā)現(xiàn)，雖然方案一和方案二補水量是相同的，但是由于補水點位不同也會導(dǎo)致補水效果會有差異。方案一和方案二中生態(tài)需水位和景觀需水位是相同的，通過對比可以看出，方案一補水效果較好。

③在進行模型驗證率定的時候可以看出，HEC-RAS軟件計算結(jié)果相對現(xiàn)狀偏大，但是起始斷面是一致的，相對與公式法計算，起始斷面同樣是通過曼尼公式試算得到。其中數(shù)值模擬水位與河道現(xiàn)狀水位基本吻合，樁號0+656至0+756段河道、干流樁號1+1560至1+356均受下游箱涵壅水影響，導(dǎo)致河道水位較高。

參考文獻：

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