HEC-RA S 软件在河道采砂规划中的应用

2015-12-12霍惠玉

江苏水利 2015年9期

伊鑫汤佳霍惠玉

（1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏扬州 225127；2.河北省水利科学研究院，河北石家庄 050051）

在河道采砂规划中，推求河道水面线可确定河道采砂范围以及确定河道采砂后对行洪产生的影响。确定规划范围主要是针对无治导线的河流，通过规划河道水面线的确定推求出河流的治导线，从而确定河道采砂范围，同时根据采砂规划前后水面线推算结果，可对采砂后河道行洪能力进行数据分析，确定是否会对河道行洪产生不利影响。因此，在河道采砂规划中对待水面线推求这项基础工作必须十分慎重。本次实例中，采砂规划河道属于平原河道，河道比降较缓且变化不大，但河道横断面宽度变化较大，河道两侧滩地内存在多种作物、树木以及村庄建筑物等，利用HEC-RAS软件既能推求平原河道水面线，又能推求山区河道水面线［1］，并且可针对阻碍物以及河道复杂断面进行优化，得到相对精确的水面线。

1 HEC-RAS 模型计算原理

HEC-RAS（The U.S.Army Corps of Engineers’River Analysis System）是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水面线计算软件包，适用于河道稳定和非稳定流一维水力计算，其功能强大，可进行各种涉水建筑物（如桥梁、涵洞、防洪堤、堰、水库、块状阻水建筑物等）的水面线分析计算，同时可生成横断面形态图、流量及水位过程曲线、复式河道三维断面图等各种分析图表，为可视化操作界面，使用起来十分方便简捷［2］。

（1）恒定流水面线计算

可对河网、树枝状河系或单个河段的急流（Fr＞1）、缓流（Fr＜1）和临界流（Fr=1）进行水面线计算。计算原理是基于一维能量方程，逐断面采用直接步进法推求水面线。

能量方程：

式中：

Y1、Z1—断面水深；

Y2、Z2—主河道高程；

a1、a2—流速系数；

g—重力加速度；

he—水头损失。

恒定流的模拟可应用于洪泛区管理和洪水保险研究，其特点是：多项目分析、多曲线计算、多桥涵分析以及实现分流最优化［3］。

（2）非恒定流水面线计算

基于一维连续性方程和动量方程：

①连续性方程：

式中：

Qc—流量；

Ac—过水断面面积；

qf—侧向流量（qf＞0 为入流，qf＜0为分流）；

xc—沿流程坐标；

t—时间。

②动量方程：

式中：

g—重力加速度；

Sf—摩阻坡度；

V—流速。

2 规划河道概况

本次规划河道为白沟河，白沟河是河北省境内大清河北支的主要行洪河道，主要由北拒马河东行在东茨村以上纳小清河、琉璃河后形成。规划河道起始位置为上游二龙坑，起经涿州、固安和高碑店等三市县终止于白沟镇大桥，全长53 km。河道为复式河槽，主槽宽200 m 左右，两堤距在代屯以上为270～540 m，代屯至白沟为540～2840 m，最窄处在东茨村不足300 m，其次是东务和代屯村均为520 m，河底纵坡约1/4000。

3 计算条件

3.1 设计洪水

根据堤防设计标准，本次水面线主要采用20年一遇洪水流量，该设计标准主要作为河道行洪能力是否满足防洪安全要求的控制标准。根据2008年国务院对《海河流域防洪规划》的批复情况，本次工作设计洪水仍采用1990年成果。根据1990年《大清河流域设计洪水分析报告》，20年一遇洪水标准时，东茨村站洪峰流量为3200 m3/s。

3.2 糙率

河道糙率是反映河流阻力的一个综合性系数，也是衡量河流能量损失大小的一个特征量。白沟河河道糙率参考《大清河流域防洪规划报告（河北省部分）》，但该规划编制时间为2006年，目前河道滩地已种植大量农业作物与树木，并且河道滩地内建构筑也增加较多，因此，相对于原来的自然河道，目前河道综合糙率应有所增大。经综合分析，对糙率确定如下：对于设计河道断面，河道主槽糙率取0.035，滩地糙率取0.05～0.08。