HEC-RAS模型在河道疏浚中的應(yīng)用分析

王 寧

(安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

HEC-RAS模型是由美國工程兵團水文工程中心編制的河道分析系統(tǒng),可以進行恒定流和非恒定流計算。HEC-RAS在降雨徑流分析、河流水動力、水庫群模擬、洪水過程分析、洪水預(yù)報等方面都有諸多應(yīng)用。原文林等[1]等結(jié)合GIS,構(gòu)建了HEC-HMS模型,模擬確定精準(zhǔn)化降雨徑流過程及臨界雨量,探討了HMS模型適用性和準(zhǔn)確性,為山洪預(yù)報提供技術(shù)支撐;張世寶等[2]等利用HEC-RAS構(gòu)建一維水動力水質(zhì)模型,研究了水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施對鹿溪河流域水環(huán)境的治理效應(yīng);李曉剛[3]等采用HEC-RAS模型,結(jié)合地質(zhì)分析方法,構(gòu)建了無定河萬年尺度的洪水模型,采用全新的角度解釋了無定河流域水文過程對全球變化響應(yīng)規(guī)律。

河道疏浚是河道整治中的一種常見工程措施,而采用HEC-RAS在河道疏浚整治中的功能性應(yīng)用較少,本文以壽縣中心溝為例,著重介紹“河道設(shè)計與改造工具”在中心溝斷面疏浚處理中的應(yīng)用,并采用HEC-RAS一維恒定流模式進行水面推算,分析、討論模型計算成果及模型適用性。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

本次研究的中心溝屬于天然河道,位于淮南市壽縣中部,淠東干渠東側(cè),上自安豐鎮(zhèn)畢圩泄水渠開始,沿淠東干渠東側(cè)至安豐塘東南,經(jīng)安豐塘東側(cè)至老廟泄水閘,入陡澗河。中心溝(含陡澗河)全長42.5 km,匯入瓦埠湖,集水范圍為西至淠東干渠,南至石集航道,東至瓦西干渠、保義分干渠至堰口沿壽六路至瓦埠湖,流域面積829 km2(含安豐塘390 km2)。區(qū)域多年平均降水量922 mm,多年平均氣溫14.9 ℃,多年平均蒸發(fā)量1 577 mm。中心溝流域如圖1,沿途有較多小流量排水溝匯流入中心溝,本次以楊仙大橋、竹灘、安豐塘東南拐、老廟泄水閘、劉家橋等為控制節(jié)點進行水文分析與規(guī)劃設(shè)計。本文均采用1985國家高程基準(zhǔn)。

圖1 中心溝流域圖

1.2 HEC-RAS模型簡介

HEC-RAS模型用于實現(xiàn)天然河道、人工渠道等的河網(wǎng)一維水動力計算[4、5、6]。其中恒定流計算模式基于一維能量方程:

(1)

式中:Z1、Z2為河道高程;h1、h2為斷面水深;v1、v2為斷面平均流速;a1、a2為流速系數(shù);f為水頭損失;g為重力加速度。

1.3 模型輸入及邊界

1.3.1 河道斷面的處理

采用HEC-RAS中GIS工具輸入中心溝的河道中心線,得出河道初步形狀,添加測量斷面,此時斷面為天然河道狀態(tài),經(jīng)初步分析,河道上游泄流能力嚴(yán)重不足,需要對河道作疏浚整治。首先確定疏浚標(biāo)準(zhǔn)斷面,根據(jù)勘探測量資料,河道經(jīng)過長期沖淤,最終匯入瓦埠湖,現(xiàn)狀河底高程屬于穩(wěn)定狀態(tài),故以控制節(jié)點現(xiàn)狀河底高程作為規(guī)劃底高程,見表1。邊坡采用1:2,疏浚底寬由上游至下游逐漸加大,樁號0+030～5+263為15 m、樁號5+263～12+881為20 m、樁號12+881～23+542為25 m。楊仙大橋以上段,流域匯水面積、流量較小,不進行疏浚,老廟泄水閘以下段汛期經(jīng)常受瓦埠湖頂托、淹沒影響,暫不進行疏浚。

表1 標(biāo)準(zhǔn)斷面規(guī)劃底高程

疏浚斷面處理采用HEC-RAS模型中的“河道設(shè)計與改造工具(Channel Design/Modification)”,定義規(guī)劃斷面,將其切入現(xiàn)狀斷面從而生成新的河道斷面,適用于河道疏浚、清障等。在規(guī)劃斷面設(shè)計中,可采用兩種方式創(chuàng)建斷面(Template Design):一種是用戶輸入表法(User Entered Table),需要對規(guī)劃斷面左、右岸分別輸入x方向、y方向增量,邊坡,糙率n值;一種方式是簡單梯形法(Simple Trapezoid),需要輸入水深,底寬,邊坡(左、右岸只能設(shè)定同一數(shù)值),糙率n值。之后在河道設(shè)計修改方案(Channel Design/Modification Alternative)中調(diào)整規(guī)劃斷面位置,設(shè)置規(guī)劃斷面上、下游坡度等。左岸間距(LOB Length)、中心距(Channel Length)、右岸間距(ROB Length)為初始建模時輸入的斷面間距,此處不需要再次輸入;中心位置(Center Station)為規(guī)劃斷面中心點擺放位置;斷面為斷面創(chuàng)建(Template Design)中定義規(guī)劃的斷面;規(guī)劃河底高程(Fixed Elev.)為規(guī)劃斷面底部高程;斷面上游坡度(Slope US)為該斷面與上游相鄰斷面高差與間距比值;斷面下游坡度(Slope DS)為該斷面與下游相鄰斷面高差與間距比值;插值間距(Interp.Dist.)為在該斷面與下游斷面間插值的最大距離,不設(shè)置即默認不插值;疏浚面積(Cut Area)為規(guī)劃斷面疏浚切掉原斷面的面積,疏浚面積與中心距乘積即為疏浚方量。

1.3.2 跨河建筑物

根據(jù)測量資料,治理段現(xiàn)狀具有跨河建筑物32座,種類包含橋、涵、閘、渡槽等?？绾咏ㄖ镙^多,阻水嚴(yán)重,結(jié)合河道疏浚,保留部分標(biāo)準(zhǔn)較高、泄洪影響較小的建筑物,其余進行合并、重建、新建,規(guī)劃后沿線疏浚段跨河建筑物見表2,并添加至HEC-RAS模型中。

表2 規(guī)劃后沿線疏浚段跨河建筑物

1.3.3 河床糙率及邊界條件

河道糙率是反應(yīng)河道表面粗糙程度的重要參數(shù),是河道整治、水利建設(shè)中推求河道水位的重要參數(shù)[7]。糙率選取根據(jù)《水力計算手冊(第二版)》[8],以及工程地質(zhì)勘測成果,河道疏浚后平整、順直,疏浚后河道糙率采用0.025。上游邊界以節(jié)點5年一遇流量為控制邊界,下游采用調(diào)算后的瓦埠湖5年一遇水位22.0m為控制邊界,由于瓦埠湖5年一遇淹沒線達到陡澗河劉家橋節(jié)點,故下游起推斷面從劉家橋節(jié)點計算,邊界條件詳見表3。

表3 HEC-RAS推算河道水位邊界條件

2 模型計算成果及分析

采用HEC-RAS一維恒定流模式進行中心溝水位推算,結(jié)果如圖2所示。整體來看,經(jīng)過河道疏浚,河底更為順暢,為洪水下泄創(chuàng)造了有利條件。中心溝上游段楊仙大橋～安豐塘東南拐洪水比降略大于疏浚后的河道比降,結(jié)合圖1,安豐塘東南拐下游河岸附近地面高程略高于安豐塘東南拐上游地面高程,存在下游地面頂托上游洪水下泄現(xiàn)象;中游段安豐塘東南拐～老廟泄水閘段水位比降明顯緩于河底比降,下游段老廟泄水閘～劉家橋段水位比降與河底比降大致相同,呈“平行”狀,這與下游瓦埠湖頂托上游中心溝、阻礙其洪水下泄的事實相符合。由此,HEC-RAS模型推求河道疏浚后的水位成果符合客觀規(guī)律。

圖2 HEC-RAS推算中心溝水位結(jié)果

3 結(jié) 論

本次以壽縣中心溝疏浚整治為例,著重介紹采用HEC-RAS模型“河道設(shè)計與改造工具”在斷面疏浚處理中的應(yīng)用,通過河道糙率率定、邊界條件設(shè)置、建筑物的添加,采用一維恒定流模式進行分析計算,得出的模擬成果與實際相符合,HEC-RAS 模型在河道疏浚中具有較好適用性。采用HEC-RAS模型中的“河道設(shè)計與改造工具”既改善了河道疏浚整治工作中的可視化程度,又顯著提高了工作效率,為今后河道規(guī)劃整治工作提供了有利保障。