基于HEC-RAS的重慶市雙河段河道水面線分析

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院 重慶 400000)

一、概述

隨著城市化的建設(shè)的快速發(fā)展，城市河道行洪能力顯得越發(fā)重要，為改善河道淤積，水位起伏波動變化大的問題，需對城市河道進行整治。在河渠規(guī)劃治理工程中，水面線計算是河道整治工程中的工作基礎(chǔ)，水面線計算結(jié)果的合理性直接影響到工程規(guī)模的合理性[1]。目前比較常用的推算水面線的模型包括HEC-RAS、MIKE11等。葉楠[2]采用HEC-RAS模型計算了樺甸市某山洪溝急流水面線，證明了模型有較好的適用性；陳雪冬[3]通過比較HEC-RAS和MIKE11軟件在水面線計算中的差異性，得出HEC-RAS軟件在水面線推求中的優(yōu)越性，在保證同等計算精度的情況下，HEC-RAS操作更為簡單，用戶界面更加友好。同時，在模型可通過HEC-GEORAS拓展模塊與ARCGIS建立數(shù)據(jù)接口，可以方便快捷的獲得所需河系的地形資料[4]。

二、模型介紹

HEC-RAS河流分析系統(tǒng)軟件由美國陸軍工程兵團旗下所在的水文工程中心所研發(fā)，模型不僅可以用于建立河道斷面、描繪河網(wǎng)圖，還可對相關(guān)水利建筑物進行水位線的分析及計算、生成斷面剖面圖和水位-流量關(guān)系曲線，模擬結(jié)果可為研究區(qū)域水資源分析提供有力數(shù)據(jù)支撐。

(一)恒定流

恒定流模塊主要模擬河道水流在急流、緩流以及臨界流三種不同水流狀態(tài)下的水面線?？刂乒饺缦拢?/p>

(1)

式中,Z1,Z3為斷面水深，m；Z2,Z4為主河道高程，m；α1，α2為流速水頭系數(shù),V1，V2為平均流速，m/s；hc為水頭損失，m；g為重力加速度，m/s2。

(二)非恒定流

非恒定流水動力模型的控制方程為Saint-Venant方程組,控制公式如下：

(2)

式中，Q為流量，m3/s；ν為流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；z為水位，m；A為過水斷面面積，m2；f為摩阻坡度。

三、工程實例

(一)工程概況

工程區(qū)地處重慶市都市發(fā)達經(jīng)濟圈內(nèi)，交通便捷。雙河發(fā)源于王廟一帶，經(jīng)朱家灣、吳家橋、陳家壩一帶，在水竹林處與右岸支流聾耳河匯合，繼續(xù)向東流去，在水井坎處匯入石門河，后經(jīng)桐梓林等地，于大石門處注入御臨河。

圖3.1 雙河河段模型概化圖

(二)模型計算

1.輸入幾何數(shù)據(jù)。在HEC-RAS模型軟件中，使用River Reach工具繪制河道草圖，見圖3.1。在Cross Section中輸入研究區(qū)域內(nèi)實測地形數(shù)據(jù)，運用模型插值功能，共獲得計算斷面38個。

2.輸入邊界條件。本次計算河道地形隨高程變化平緩，計算水面線按恒定流進行計算。根據(jù)《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，應(yīng)加安全修正值，研究區(qū)域為兩江新區(qū)城市規(guī)劃區(qū)，城市化程度高，因此本次設(shè)計洪水在計算成果的基礎(chǔ)上加安全修正值20%。根據(jù)工程計算需要，在進行水面線計算時，分別以具有代表性的P=0.5%和P=1%設(shè)計洪水流量作為邊界條件輸入模型。其中P=0.5%和P=1%設(shè)計洪水下的進口端流量值分別為317m3/s和280m3/s，控制斷面對應(yīng)的斷面水位分別為4.7m和4.27m。

3.糙率的確定。本次設(shè)計驗證斷面選取在《龍興工業(yè)園區(qū)航空產(chǎn)業(yè)園片區(qū)河道綜合治理工程(一期)—聾耳河、雙河下段初步設(shè)計報告》中的水文控制斷面，水位驗證斷面具體位置處于概化河段末端，斷面編號1.3，斷面位置見圖3.1，其中該斷面實測水位值見表3.1。

將P=0.5%下的流量水位值關(guān)系作為研究河道的糙率率定階段，通過假定河道糙率反復(fù)試算的方式，最終確定研究區(qū)域糙率率定值。將P=1%下的流量水位作為模型驗證階段。通過計算河道綜合糙率為0.024～0.03之間，其中DM8、DM7、DM6、DM5、DM4、DM3、DM2、DM1糙率分別為0.0241、0.024、0.026、0.0241、0.03、0.024、0.0253，成果對比分析見表3.5。

表3.5 糙率率定水位與驗證水位成果對比分析(P=0.5%)

4.不同斷面水面線計算結(jié)果。通過計算結(jié)果來看，模型計算水位值與實測值水位差為0.03m，證明模型基本掌握了該地區(qū)的模擬規(guī)律，可在其基礎(chǔ)上繼續(xù)進行河道水面線研究。利用該模型分別計算不同設(shè)計洪水下控制斷面的水位高度，計算結(jié)果見表3.6。

表3.6 不同設(shè)計洪水水位計算值

在HEC-RAS模型計算過程中，模型表現(xiàn)出良好的工作狀態(tài)，但在模型模擬初期，出現(xiàn)了計算不穩(wěn)定的情況，但隨著時間的向后推移，模型計算趨于穩(wěn)定，計算結(jié)果趨于合理。

四、結(jié)語

本次河道糙率確定以及水面線計算建立在實測地形資料的基礎(chǔ)上，同時用于率定驗證的水位計算結(jié)果滿足精度要求，因此可認為本次計算成果具有一定的合理性，為雙河段今后的水利工程建設(shè)，提供更可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。