HEC-RAS软件在生态化河道设计方案优化中的应用

2018-11-14丁亿凡

水利规划与设计 2018年10期

丁亿凡

(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061)

推求河道水面线是河道规划与设计中的重要基础性工作，传统的河道水面线推算方法，即逐段试算法，在实际应用中非常困难，一般均借助计算机软件进行计算。目前常用的水面线计算软件包括MIKE、HEC-RAS、FLUENT等，美国工程兵团编写的HEC-RAS软件因其功能强大、免费应用、安装简单、计算便捷等优势在欧美国家水利工程设计中广泛应用[1]。

HEC-RAS软件目前在国内一些大中型设计院也有应用，但基本上都集中在洪水位的计算上[2- 6]。随着生态水利的设计理念普及，越来越多的河道设计中迫切需要兼顾防洪安全与生态基流保障的生态化设计方案[7- 9]。本文以桐江河风光带景观工程及生态防洪工程的方案设计为例，通过应用HEC-RAS软件辅助河道设计。

1 HEC-RAS模型介绍

HEC-RAS(The Hydrologic Engineering Center-River Analysis System)是针对一维恒定/非恒定流的水力模型，主要用于明渠河道流动分析和洪泛平原区域的确定，模型主要有如下三大功能：恒定流模拟、非恒定流模拟、可动边界的泥沙输移计算。HEC-RAS计算模型采用逐断面直接步进法演进。

1.1 河道水面线采用河道恒定非均匀流水面曲线方程

方程式[10]如下：

(1)

式中，Z1、Z2—上、下断面的水位，m；L—上、下断面之间的河段长度，m；V1、V2—上、下断面的平均水流速度，m/s；R1、R2—上、下断面的水力半径；ζ—河道扩散、收缩的水头损失系数；g—重力加速度。

1.2 桥的壅高计算

1.2.1当桥墩壅水时，应用宽顶堰淹没流变换公式计算

(2)

1.2.2当桥面较低时，洪水漫桥，桥孔被淹没成压力孔流

(3)

式中，ψ—过流系数；ε—侧收缩系数，ε=1-0.2[(n-1)ξ0+ξk]H0/(nb);ξ0—闸墩系数;ξk—边墩系数；n—桥孔数;b—每孔宽度,m2；W—桥下净面积,m2；V0=Q/W，W0—桥前天然面积,m2；

桥面以上部分过水以宽顶堰自由流公式计算：

(4)

式中，H0—有效水头,m；M—流量系数。

过桥总流量：Q总=Q孔+Q面

1.2.3 过低坝水位差计算

采用宽顶堰流量公式：

(5)

(6)

按Hs/H0判别流态，Hs/H0>0.75为淹没流，反之为自由流。

式中，ε—侧收缩系数；σs—淹没系数；B—坝净宽,m；Hs—坝顶以上的下游水深,m；H0—坝上(包括引近流速水头的水深)总水头,m。

式中，P—坝前高,m；H—坝上水深,m。

2 实例研究

2.1 项目概况

桐江河是邵水的发源地，河流自东向西有两条支流大禾塘和槎江汇入，然后注入邵水和资江，最后入洞庭湖进入长江。桐江河风光带景观工程及生态防洪工程位于湖南省邵东县城，北起原黄陂桥乡政府，南至曹家坝，西至县污水处理厂，途经南湖、明镜湖、兴隆湖、昭候湖、大明湖，全长26.2km。总面积约1080hm2。

邵东县城沿河两岸地势低平、开阔，城区内的防洪设施尚未系统兴建，基本以土坡为主，仅有小段村镇自建挡墙，洪水来临，沿岸两岸河流漫滩，城区现状防洪能力约2—3年一遇。洪涝灾害频发。桐江河洪水陡涨陡落，非汛期大片滩地裸露，垃圾杂物较多，亲水条件不足，水景观差。

项目建成将使邵东县防洪能力提高至50年一遇，同时与滨水景观、亲水公园同步设计，构筑富有文化内涵的生态景观廊道，形成良好的生态本底，营造人水和谐的市民生活空间，充分发挥河流生态社会服务功能。

2.2 模型建立

2.2.1 河道概化

本次模拟桐江河干流河道以上游干流来水为主，区间来水主要为支流大禾塘、槎江。因此模型概化为1条干流，2个点源汇流。模型上游边界为黄陂桥乡政府，下游边界为曹家坝。测量单位对桐江河规划区内河道纵横断面进行测量，在桐江河干流、槎江、大禾塘支流河道中心线，共布设了50多个断面。测量断面布设图如图1所示。

图1 测量断面布设图

2.2.2 设计洪水

采用流域内茅坪水文站洪水成果水文比拟法结果，上边界、大禾塘汇入断面、槎江汇入断面50年一遇设计洪峰流量分别为849m3/s、902m3/s、1250m3/s。

2.2.3 非汛期径流

采用流域内茅坪水文站流量资料，采用面积比乘雨量相关计算各控制断面多年平均流量为：茅坪水文站37.9m3/s，邵东县11.1m3/s，大禾塘4.9m3/s。各断面多年平均最枯月(12月)月径流为：邵东县3.69m3/s，大禾塘1.63m3/s。

2.2.4 糟率选取

以洪调水面线、计算的洪水流量及本次实测的纵横断面资料，用HEC-RAS软件试算河道糙率，设定其糙率值为0.02～0.045，因大洪水已漫滩，故漫滩后综合糙率较大，漫滩前河道主槽糙率较小。

2.2.5 相关涉水建筑物

规划区内目前建有马家桥、小水桥、反帝桥、四新桥、和尚桥及纸厂桥共六座跨河桥梁，下游边界为曹家坝，坝高239.2m。分别在HEC-RAS桥梁模块、水坝模块中建模以统筹考虑其壅水影响。

2.3 现状水位模拟

桐江河现状汛期水位模拟如图2所示，图中从上往下分别为50年一遇、20年一遇、10年一遇设计洪水时桐江河水面线。对比现状两岸高程，发现均不能满足50年一遇防洪标准。

图2 桐江河现状汛期水位模拟

河流生态基流对于维持河流生态系统生态平衡、保持流域的整体性和连续性等特征具有重要的意义。生态基流不足，通常会造成河流纳污能力和稀释自净能力降低、地下水位下降、水土流失、水生生物栖息地环境恶化等一系列生态环境问题。采用R2CROSS法进行生态基流计算，桐江河枯期水深应达到0.5m。用HEC-RAS软件进行数值模拟如图3所示，现状河道枯水期断面水深为0.15～0.5m，难以取得良好的水景观效果，也不利于水生态系统的良性发展。

图3 桐江河现状非汛期水位模拟

2.4 初步设计方案

本项目设计理念中，水安全与水生态并重。根据现状水面和总体布局，规划南湖、明镜湖、兴隆湖、昭候湖、大明湖共5座湖泊，因此在防洪达标的基础上，考虑非汛期生态需水和湖泊景观需要，在4个湖的下游(最下游大明湖下已建曹家坝)设置拦水建筑物，抬高枯水期湖区的水位，满足枯水期生态需水量，营造良好的生态和景观效果。自上游至下游分别为1#、2#、3#和4#坝。初步设计方案HEC-RAS汛期水位模拟结果如图4所示，非汛期水位模拟结果如图5所示。

图4 初步设计方案汛期水位模拟

图5 初步设计方案非汛期水位模拟

2.5 设计方案优化

初步设计方案中，拦水建筑物可以明显提高非汛期水面线，并可保障5个景观湖的常水位，如图3所示，汛期3#、4#坝壅水影响较大，分别达1.0m、0.8m，坝前壅水长度分别达3km和4km，不利防洪安全；1#坝处流速过大，影响边坡及河底稳定、2#坝对洪水位几乎无影响，如图4所示。桐江河非汛期径流不足，不设拦水建筑物很难保证水位，但拦水建筑物不应影响行洪。通过HEC-RAS水位和流速模拟，提出水利优化设计方案：1#、3#、4#坝采用活动坝(或水闸)，非汛期拦蓄、抬高坝上水位以形成湖区水面，汛期开闸不影响行洪。2#坝汛期壅水高度及范围不大，在2#坝上节点规划人工湖景观，选用造型式溢流坝景观效果更合适。优化后的汛期水位较现状和初步方案均有所降低，有利于行洪，如图6所示。非汛期河道、湖泊水深基本都能保证在0.8米以上，水生态水景观效果较好，如图7所示。