馮琳偉，高 亮

（1.河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016；

2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450045）

HEC－RAS模型在惠濟(jì)河開封段河道治理中的應(yīng)用

馮琳偉1，高 亮2

（1.河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016；

2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450045）

以淮河流域的惠濟(jì)河開封段為例，采用HEC-RAS模型分別模擬了5年一遇和20年一遇設(shè)計(jì)頻率洪水下的演進(jìn)過程，并可視化顯示出水面線、流速、潰堤位置等信息。結(jié)果表明：該模型在分析計(jì)算平原地區(qū)河流水面線時(shí)有較好的適用性，為疏浚河道、防洪除澇、綜合治理等項(xiàng)目提供參數(shù)。

開封市；惠濟(jì)河；HEC-RAS模型；可視化分析；河道治理

0 引言

河道水力分析模型HEC-RAS（Ther Hydrologic Engineering Center developed the River Analysis System,簡稱HEC-RAS）是由美國陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的一個(gè)針對一維恒定和非恒定流的水面線計(jì)算軟件包，適用于河道水力計(jì)算、泥沙沉積物遷移模擬和水溫分析等。其基本原理為：一維恒定流分析控制方程采用能量方程，計(jì)算方法采用標(biāo)準(zhǔn)步推法；一維非恒定流分析控制方程采用能量方程式和動(dòng)量方程式，離散方法采用隱式有限差分法，計(jì)算方法采用Newton-Raphson迭代法。該模型軟件包括：圖形界面、水力分析模塊、資料存儲(chǔ)和管理模塊、圖像和報(bào)告工具等。HEC-RAS模型的最大優(yōu)點(diǎn)是，所有模型都使用同一個(gè)幾何數(shù)據(jù)，并且?guī)缀魏退τ?jì)算路徑也一致。因此，在計(jì)算基本水面線時(shí)，調(diào)用這些功能，可以節(jié)省工作量［1］。本文以河南省開封市惠濟(jì)河為研究對象，探討了HEC-RAS模型在平原河道治理中的應(yīng)用。

1 惠濟(jì)河開封段河道概況

惠濟(jì)河發(fā)源于開封市郊區(qū)的濟(jì)梁閘，屬淮河二級(jí)支流渦河水系，為豫東平原地區(qū)的一條主要防洪排澇骨干河道。本研究僅涉及惠濟(jì)河開封段，包括開封市的杞縣、蘭考縣、開封縣等3縣17個(gè)鄉(xiāng)，河長65.68 km。該流域內(nèi)人口稠密、土地肥沃，為河南省糧食主產(chǎn)區(qū)之一［2］。 由于惠濟(jì)河開封段存在防洪基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、河道淤積萎縮嚴(yán)重、治理投入不足等突出問題，致使中小河流洪澇災(zāi)害頻發(fā)。因此，本工程列入河南省淮河流域重點(diǎn)地區(qū)中小河流治理項(xiàng)目。

2 模型計(jì)算條件和步驟

2.1 計(jì)算條件

2.1.1 設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)

按照 《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000），根據(jù)堤防保護(hù)區(qū)重要性以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，惠濟(jì)河干流為三級(jí)河道，治理范圍內(nèi)按5年一遇除澇、20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)［3］。

2.1.2 設(shè)計(jì)洪峰流量

根據(jù)豫東平原地區(qū)排水河道的特征，設(shè)計(jì)洪水根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨，通過產(chǎn)流，采用排澇模數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算，即

式中：Q為設(shè)計(jì)流量；K為峰量系數(shù)，開封地區(qū)取0.023；R為設(shè)計(jì)徑流深；F為流域面積。

2.1.3 河道糙率

天然河道的糙率是衡量河床、岸壁形狀規(guī)則性和粗糙程度對水流阻力影響的一個(gè)綜合性系數(shù)，因河床、岸壁的粗糙程度，河道斷面形狀，床面、岸壁地質(zhì)特性，水流流態(tài)及含沙量等的不同而不同。糙率作為數(shù)值模擬計(jì)算中的重要靈敏參數(shù)，其取值是河道水流一維數(shù)值模擬的關(guān)鍵，取得合理與否對計(jì)算結(jié)果的正確性有直接的影響［4］。參考已往惠濟(jì)河治理成果中有關(guān)河床土質(zhì)、護(hù)面情況、維修養(yǎng)護(hù)和河道運(yùn)行情況，確定河道主槽糙率取值為0.025，灘地為0.030［5］。

2.1.4 下游起算水位

由于河道水面曲線的控制斷面一般多在下游，應(yīng)從下游向上游進(jìn)行推算。推算時(shí)，以固定邊界、恒定、非均勻、漸變流的能量方程為理論基礎(chǔ)。即，運(yùn)用水面線的基本方程式，從下游向上游（緩流）或從上游向下游（急流）逐段進(jìn)行試算。本研究以惠濟(jì)河濟(jì)瀆池為基準(zhǔn)向上游進(jìn)行推算。濟(jì)瀆池處5年一遇和20年一遇水位分別為47.31m和48.49m［6］。

2.2 所需資料

該模型所需基礎(chǔ)資料主要包括：幾何資料、恒定流資料、非恒定流資料、泥沙資料。其中，幾何資料是HEC-RAS進(jìn)行任何分析都必不可少的，其他資料則根據(jù)項(xiàng)目情況進(jìn)行相應(yīng)的取舍［7］。

2.3 計(jì)算步驟

（1）建立幾何數(shù)據(jù)模型。地形數(shù)據(jù)采用2012年開封市水利建筑勘察設(shè)計(jì)院的河道測量成果，其測量河道長度為64.95 km，測量斷面為178個(gè)，平均每400 m間距測量一個(gè)斷面，每個(gè)斷面平均測量25個(gè)高程數(shù)據(jù)點(diǎn)，遇到彎道河段和復(fù)雜斷面，則相應(yīng)加測，以保證河道實(shí)際精度要求。一般漸變河段收縮和擴(kuò)散系數(shù)分別為0.1和0.3，涉水建筑物處收縮和擴(kuò)散系數(shù)分別為0.3和0.5.

（2）確定模型計(jì)算范圍?；轁?jì)河干流開封段水力模型計(jì)算的上邊界為隴海鐵路橋（0+050）斷面，下邊界為商開邊界（65+000）斷面，全長64.95 km。在計(jì)算范圍內(nèi)，共劃分出10個(gè)水力計(jì)算段，其中最長河段為10.908 km，最短河段為1.1 km，平均河段長度為5.2 km。各河段劃分及設(shè)計(jì)流量如表1所示。

表1 惠濟(jì)河開封段區(qū)間河段設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Section design parameters of Huiji River Kaifeng section

（3）建立水力模型。計(jì)算2種重現(xiàn)期的河道水面線，在河段上游端設(shè)置上游來水洪峰流量，河段邊界條件選擇輸入下游端已知水位。本模型選擇緩流流態(tài)進(jìn)行恒定流分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 惠濟(jì)河開封段HEC-RAS模擬參數(shù)Fig.1 HEC-RAS simulation parameters of Huiji River Kaifeng section

3 惠濟(jì)河水力模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1 河道水位模擬分析

模擬結(jié)果表明，河道5年一遇水位為70.97～58.94m，20年一遇水位為71.58～59.77m，水位從上游到下游逐漸降低；從河道縱剖面圖（如圖2所示）可以得出，河道的水深和水量從上游至下游逐漸增大。這是因?yàn)閺漠厴颍?2+370）以下，河道漸次拓寬，主河槽由30～40拓展到60～70m，特別是到了平崗橋（52+362）以下，主河槽增大至70m以上。從上游至下游，隨著匯水面積的增大，水量逐漸增多，但河底高程卻和上游相差不大，導(dǎo)致水深也隨之增大，下游防洪排澇產(chǎn)生安全隱患。

圖2 惠濟(jì)河開封段河道水面縱剖面圖Fig.2 Longitudinal plan of Huiji River Kaifeng section water surface

3.2 河道險(xiǎn)工段模擬分析

模擬發(fā)現(xiàn)，河道有3處險(xiǎn)工段，即開封屠府墳右岸（3+308～3+608）、汪屯橋上游右岸（6+337～6+637）、汪屯橋下游左岸（6+800～7+100），每處長為300 m左右，且均為彎道。由河道三維圖（如圖3所示）可知，受彎道頂沖緣故，河道沖刷嚴(yán)重。模擬結(jié)果表明，在20年一遇洪水中，屠府墳段堤防完好，未受到較大影響，其余兩處均不能抵御20年一遇洪水。因此，在后期治理中應(yīng)注意加固汪屯橋上游右岸和下游左岸的堤防。

3.3 河道沖淤模擬分析

河道現(xiàn)狀排澇能力已不足3年一遇標(biāo)準(zhǔn)，主槽逐年萎縮，河床不斷淤積抬高，其影響集中表現(xiàn)為過流能力降低。特別是李崗閘（樁號(hào)54+092）以下，河口寬度縮窄為70～80m，河底淤積2～3 m，造成排澇不暢，漫灘決口幾率增大。因此，應(yīng)對該河段進(jìn)行綜合治理，從而提高現(xiàn)有河道的防洪排澇能力。治理方案是疏浚河道，加固堤防等。

4 惠濟(jì)河開封段河道綜合治理分析

根據(jù)HEC-RAS軟件模擬分析結(jié)果，惠濟(jì)河開封段河道綜合治理方案為：堤防加固長度64.64 km；右堤頂新建防汛道路1條，長32.32 km；新建彎道護(hù)砌3處，共0.9m；全斷面護(hù)砌11 km；規(guī)劃各類水工建筑物63座。

將河道治理工程斷面的設(shè)計(jì)邊坡、糙率、底寬，以及堤防高程輸入HEC-RAS河道水力分析模型中，構(gòu)建整治后河段的河槽和河漫灘模型，采用5年一遇除澇設(shè)計(jì)流量和20年一遇防洪設(shè)計(jì)流量，模擬計(jì)算不同流量下各斷面的水位。

用HEC-RAS軟件模擬惠濟(jì)河開封段河道整治前后水位和流量變化發(fā)現(xiàn)，5年一遇流量整治后水位降低0.6～1.91m，平均降低0.93m（如圖4所示），20年一遇流量整治后水位降低0.18～1.73m，平均降低0.60m （如圖5所示），5年一遇流量整治后流速增加了0.03～0.39m3／s，平均增加0.02m3／s，20年一遇流量整治后流量增加了0.01～0.52m3／s，平均增加0.22m3／s（如圖6所示）。 由此可知，本次綜合治理效果是較為明顯的。

圖3 惠濟(jì)河開封段險(xiǎn)工處三維透視圖Fig.3 3D perspective draw ing of dangerous section of Huiji River Kaifeng section

圖4 河道整治前后5年一遇水位對比圖Fig.4 W ater level comparison of five-year flood before and after channel regulation

圖5 河道整治前后20年一遇水位對比圖Fig.5 W ater level com parison of twenty-year flood before and after channel regulation

5 結(jié)語

利用HEC-RAS軟件建立的惠濟(jì)河河道水力計(jì)算模型對不同設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)下惠濟(jì)河河道的水面線進(jìn)行了模擬，計(jì)算結(jié)果合理。其不足之處在于，該軟件模擬計(jì)算數(shù)據(jù)無法通過自身進(jìn)行驗(yàn)證。因此，本文的模擬結(jié)果和綜合治理分析成果仍須工程運(yùn)行實(shí)踐的檢驗(yàn)。該模型較大減輕了工程人員在計(jì)算編程、數(shù)據(jù)處理等方面的工作，并提供了直觀可視化的優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省了大量科研成本，可為淮河流域重點(diǎn)平原洼地治理提供決策依據(jù)。

［1］Brunner G W，Stanford gibson，Goodell C R.HECRAS V4.1 User’s Manual［M］.Davis：HydrologicEngineering Center of US Army Corps of Engineers，2010：2-3.

［2］張小琴，包為民，梁文清，等.河道糙率問題研究進(jìn)展［J］.吉林水利，2005，（3）：25-26.

［3］閆瑞新，趙方，曹永帥，等.惠濟(jì)河重點(diǎn)河段治理工程可行性研究報(bào)告 ［R］.開封：開封市汴龍勘察設(shè)計(jì)中心，2012.

［4］高亮.基于HEC-RAS模型的惠濟(jì)河開封段防洪除澇研究 ［D］.太原：太原理工大學(xué)，2013.

［5］李煒.水力計(jì)算手冊［M］.2版.北京：中國水利水電出版社，2006：103.

［6］孫熙，黃秋風(fēng).HEC-RAS在河道治理工程中的應(yīng)用［J］.河南水利與南水北調(diào)，2013，（10）：21-22.

［7］蔡新明，董志勇，張永華.HEC系列水利軟件的應(yīng)用［J］.浙江水利科技，2005，（6）：20-23.

[責(zé)任編輯 楊明慶]

Application of HEC-RAS M odel to Huiji River Kaifeng Section River Channel Regulation Project

FENG Linwei1，GAO Liang2
（1.Henan Water and Power Engineering Consulting Corporation Limited,Zhengzhou 450016,Henan,China; 2.No.1 Institute of Geo-environment Survey of Geo-exploration and Mineral Development of Henan Province,Zhengzhou 450045,Henan,China）

Taking Kaifeng section of Huiji River in Huai River basin for an example,HEC-RAS model is applied to simulate the process of five-year and twenty-year flood.And the information of water surface profile,velocity and levee break position is visually displayed.The simulation results show that the model is applicable for the water surface profile in plain area,meets the needs of flood control and waterlogged elimination,and also provides technical support for river regulation project.

Kaifeng city;Huiji River;HEC-RAS model;visual analysis;river channel regulation

圖6 河道整治前后5年和20年一遇流量對比圖Fig.6 Flow com parison of five-year and twenty-year flood before and after channel regulation

TV122.5

A

1008-486X（2015）01-0001-05

2014-11-10

馮琳偉（1986-），女，河南焦作人，助理工程師，碩士，從事水利工程建筑設(shè)計(jì)及施工等工作。