王 宁

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088)

HEC-RAS模型是由美国工程兵团水文工程中心编制的河道分析系统,可以进行恒定流和非恒定流计算。HEC-RAS在降雨径流分析、河流水动力、水库群模拟、洪水过程分析、洪水预报等方面都有诸多应用。原文林等[1]等结合GIS,构建了HEC-HMS模型,模拟确定精准化降雨径流过程及临界雨量,探讨了HMS模型适用性和准确性,为山洪预报提供技术支撑;张世宝等[2]等利用HEC-RAS构建一维水动力水质模型,研究了水环境治理与生态修复措施对鹿溪河流域水环境的治理效应;李晓刚[3]等采用HEC-RAS模型,结合地质分析方法,构建了无定河万年尺度的洪水模型,采用全新的角度解释了无定河流域水文过程对全球变化响应规律。

河道疏浚是河道整治中的一种常见工程措施,而采用HEC-RAS在河道疏浚整治中的功能性应用较少,本文以寿县中心沟为例,着重介绍“河道设计与改造工具”在中心沟断面疏浚处理中的应用,并采用HEC-RAS一维恒定流模式进行水面推算,分析、讨论模型计算成果及模型适用性。

1 研究区概况及数据处理

1.1 研究区概况

本次研究的中心沟属于天然河道,位于淮南市寿县中部,淠东干渠东侧,上自安丰镇毕圩泄水渠开始,沿淠东干渠东侧至安丰塘东南,经安丰塘东侧至老庙泄水闸,入陡涧河。中心沟(含陡涧河)全长42.5 km,汇入瓦埠湖,集水范围为西至淠东干渠,南至石集航道,东至瓦西干渠、保义分干渠至堰口沿寿六路至瓦埠湖,流域面积829 km2(含安丰塘390 km2)。区域多年平均降水量922 mm,多年平均气温14.9 ℃,多年平均蒸发量1 577 mm。中心沟流域如图1,沿途有较多小流量排水沟汇流入中心沟,本次以杨仙大桥、竹滩、安丰塘东南拐、老庙泄水闸、刘家桥等为控制节点进行水文分析与规划设计。本文均采用1985国家高程基准。

图1 中心沟流域图

1.2 HEC-RAS模型简介

HEC-RAS模型用于实现天然河道、人工渠道等的河网一维水动力计算[4、5、6]。其中恒定流计算模式基于一维能量方程:

(1)

式中:Z1、Z2为河道高程;h1、h2为断面水深;v1、v2为断面平均流速;a1、a2为流速系数;f为水头损失;g为重力加速度。

1.3 模型输入及边界

1.3.1 河道断面的处理

采用HEC-RAS中GIS工具输入中心沟的河道中心线,得出河道初步形状,添加测量断面,此时断面为天然河道状态,经初步分析,河道上游泄流能力严重不足,需要对河道作疏浚整治。首先确定疏浚标准断面,根据勘探测量资料,河道经过长期冲淤,最终汇入瓦埠湖,现状河底高程属于稳定状态,故以控制节点现状河底高程作为规划底高程,见表1。边坡采用1:2,疏浚底宽由上游至下游逐渐加大,桩号0+030～5+263为15 m、桩号5+263～12+881为20 m、桩号12+881～23+542为25 m。杨仙大桥以上段,流域汇水面积、流量较小,不进行疏浚,老庙泄水闸以下段汛期经常受瓦埠湖顶托、淹没影响,暂不进行疏浚。

表1 标准断面规划底高程

疏浚断面处理采用HEC-RAS模型中的“河道设计与改造工具(Channel Design/Modification)”,定义规划断面,将其切入现状断面从而生成新的河道断面,适用于河道疏浚、清障等。在规划断面设计中,可采用两种方式创建断面(Template Design):一种是用户输入表法(User Entered Table),需要对规划断面左、右岸分别输入x方向、y方向增量,边坡,糙率n值;一种方式是简单梯形法(Simple Trapezoid),需要输入水深,底宽,边坡(左、右岸只能设定同一数值),糙率n值。之后在河道设计修改方案(Channel Design/Modification Alternative)中调整规划断面位置,设置规划断面上、下游坡度等。左岸间距(LOB Length)、中心距(Channel Length)、右岸间距(ROB Length)为初始建模时输入的断面间距,此处不需要再次输入;中心位置(Center Station)为规划断面中心点摆放位置;断面为断面创建(Template Design)中定义规划的断面;规划河底高程(Fixed Elev.)为规划断面底部高程;断面上游坡度(Slope US)为该断面与上游相邻断面高差与间距比值;断面下游坡度(Slope DS)为该断面与下游相邻断面高差与间距比值;插值间距(Interp.Dist.)为在该断面与下游断面间插值的最大距离,不设置即默认不插值;疏浚面积(Cut Area)为规划断面疏浚切掉原断面的面积,疏浚面积与中心距乘积即为疏浚方量。

1.3.2 跨河建筑物

根据测量资料,治理段现状具有跨河建筑物32座,种类包含桥、涵、闸、渡槽等。跨河建筑物较多,阻水严重,结合河道疏浚,保留部分标准较高、泄洪影响较小的建筑物,其余进行合并、重建、新建,规划后沿线疏浚段跨河建筑物见表2,并添加至HEC-RAS模型中。

表2 规划后沿线疏浚段跨河建筑物

1.3.3 河床糙率及边界条件

河道糙率是反应河道表面粗糙程度的重要参数,是河道整治、水利建设中推求河道水位的重要参数[7]。糙率选取根据《水力计算手册(第二版)》[8],以及工程地质勘测成果,河道疏浚后平整、顺直,疏浚后河道糙率采用0.025。上游边界以节点5年一遇流量为控制边界,下游采用调算后的瓦埠湖5年一遇水位22.0m为控制边界,由于瓦埠湖5年一遇淹没线达到陡涧河刘家桥节点,故下游起推断面从刘家桥节点计算,边界条件详见表3。

表3 HEC-RAS推算河道水位边界条件

2 模型计算成果及分析

采用HEC-RAS一维恒定流模式进行中心沟水位推算,结果如图2所示。整体来看,经过河道疏浚,河底更为顺畅,为洪水下泄创造了有利条件。中心沟上游段杨仙大桥～安丰塘东南拐洪水比降略大于疏浚后的河道比降,结合图1,安丰塘东南拐下游河岸附近地面高程略高于安丰塘东南拐上游地面高程,存在下游地面顶托上游洪水下泄现象;中游段安丰塘东南拐～老庙泄水闸段水位比降明显缓于河底比降,下游段老庙泄水闸～刘家桥段水位比降与河底比降大致相同,呈“平行”状,这与下游瓦埠湖顶托上游中心沟、阻碍其洪水下泄的事实相符合。由此,HEC-RAS模型推求河道疏浚后的水位成果符合客观规律。

图2 HEC-RAS推算中心沟水位结果

3 结 论

本次以寿县中心沟疏浚整治为例,着重介绍采用HEC-RAS模型“河道设计与改造工具”在断面疏浚处理中的应用,通过河道糙率率定、边界条件设置、建筑物的添加,采用一维恒定流模式进行分析计算,得出的模拟成果与实际相符合,HEC-RAS 模型在河道疏浚中具有较好适用性。采用HEC-RAS模型中的“河道设计与改造工具”既改善了河道疏浚整治工作中的可视化程度,又显著提高了工作效率,为今后河道规划整治工作提供了有利保障。