彭小波（株洲水文站 株洲市 412000）

HEC- RAS 模型在河流治理工程方案論證中的應(yīng)用

彭小波
（株洲水文站 株洲市 412000）

一維河道水力學(xué)模型HEC-RAS可以準(zhǔn)確、直觀地模擬各種阻水建筑物的壅水影響相應(yīng)河道水面線變化。為分析攸縣盤陂江河道整治方案的可行性和合理性，盡可能減少交叉建筑物、河岸洲灘對河道行洪能力的影響，利用HEC-RAS模型對盤陂江整治前和整治后的河道水面線進(jìn)行分析計算，為河道整治方案優(yōu)化設(shè)計提供了決策參考。

HECRAS模型 水力計算 水面線 河道整治

前言

HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的水面線計算模型和專用軟件包，適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定一維水力計算，其功能強(qiáng)大，可進(jìn)行各種涉水建筑物（如橋梁、涵洞、防洪堤、堰、水庫、塊狀阻水建筑物等）的水面線分析計算，同時可生成橫斷面形態(tài)圖、流量及水位過程曲線、復(fù)式河道三維斷面等各種分析圖表，使用方便[1，2]。本文以湖南省攸縣盤陂江河道整治工程為例，運(yùn)用該軟件中的穩(wěn)定一維水力學(xué)模型對河道整治方案進(jìn)行分析。

1 計算方法

HEC-RAS水面線計算軟件包方法把橋涵等阻水水工建筑物引起的能量損失分為三部分：第一部分為阻水水工建筑物占用過流斷面使上游側(cè)水流收縮引起的能量損失；第二部分為收縮的水流經(jīng)過阻水水工建筑物后再擴(kuò)散所引起的能量損失；第三部分為各種形狀水工建筑物本身造成的能量損失。該方法既根據(jù)糙率的縱橫向分布考慮了灘、槽的流量分配，又考慮了糙率隨水位變化的因素，還結(jié)合各種形狀水工建筑物的阻水機(jī)理考慮了其引起的局部阻力，方法成熟，應(yīng)用較廣。其基本方程是根據(jù)河道內(nèi)兩斷面間應(yīng)滿足能量守恒定律導(dǎo)得的，即：

式中 Ws1、V1、α1和Ws2、V2、α2——分別為計算河段下游、上游斷面的水位、平均流速和流速系數(shù)；

he——河段能量水頭損失；

Sf——河段摩阻坡度；

g——重力加速度；

C——斷面擴(kuò)散或收縮系數(shù)，其取值如表l。

表1 斷面擴(kuò)散與收縮系數(shù)C值

L——按流量加權(quán)的河段長度，可按下式計算：

式中 Lf1、Lf2、Lm和 Qf1、Qf2、Qm——為河段內(nèi)左、右灘、主槽的河段長度和過水流量。

流量系數(shù)可采用河段平均系數(shù)，計算公式為：

式中 Af1、Af2、Am、A和 Kf1、Kf2、Km、K——為河段內(nèi)左、右灘、主槽及 全斷面的過水?dāng)嗝娣e和流量模數(shù);

n——為灘地或主槽糙率系數(shù)；

A、R——為各部分過水?dāng)嗝婷娣e和水力半徑。

水面計算的平均摩阻坡度方程如下：

2 應(yīng)用實例

2.1 基本情況

（1）流域概況。項目區(qū)位于攸水支流珠麗江的一級支流——盤陂江中下游河段。盤陂江河口位于酒埠江水庫下游，發(fā)源于攸縣紫薇峰，流經(jīng)攸縣草田、大坪、王鋪、響石、大阪橋和早山洲，最后在界江匯入珠麗江。盤陂江干流長度29 km，干流平均坡降4.52‰，控制流域面積101 km2，占整個攸水流域的8.5%。

（2）治理方案。對嚴(yán)重淤積長1.723 km的河段進(jìn)行清淤疏浚處理，對頂流當(dāng)沖或岸坡較陡的河段長2.207 km（左岸0.744 km，右岸1.463 km）采用仰斜式漿砌石擋墻護(hù)岸，對岸坡長13.512 km（右岸6.803 km，左岸6.709 km）的河段采用格賓護(hù)腳+雷諾護(hù)墊護(hù)坡。

2.2 計算條件

（1）防洪標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù) 《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-94）[3]，保護(hù)對象為農(nóng)村，保護(hù)區(qū)人口小于20萬人，保護(hù)農(nóng)田面積小于5萬畝?？紤]本工程的實際情況，防洪標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇。

（2）設(shè)計洪水。該流域無實測水文資料，設(shè)計洪水計算采用附近的攸水干流的黃豐橋水文站作為比擬流域采用水文比擬法計算，并以小流域設(shè)計暴雨洪水法作為對比，綜合確定流域設(shè)計洪水流量，計算結(jié)果見表2。

（3）河槽糙率。河槽糙率是反映河流阻力的一個綜合性系數(shù)，也是衡量河流能量損失大小的一個特征值。計算參考相關(guān)資料中關(guān)于糙率的界定方法，對糙率進(jìn)行綜合分析確定，一并列入表2。

表2 河段水面線計算參數(shù)表

2.3 成果分析

以盤陂江河口的水位作為控制水位，利用實測斷面，同時考慮河道內(nèi)橋梁與陂壩的影響，利用HECRAS軟件分別求得工程前后5年一遇水面線成果，計算結(jié)果列入表3。

表3 盤陂江干流水面線計算成果表（P=20%）

表3（續(xù)）

由水面線計算成果表可以看出：

（1）盤陂江治理工程，通過河道清淤疏浚、拆除河道阻水建筑物，對河道岸坡進(jìn)行整治后，5年一遇河道水面線降低了（0～0.42）m。

（2）盤陂江工程前斷面流速介于（0.89～3.24）m/s之間，整治后河道流速介于 （0.93～3.26）m/s之間，即河道整治后，由于糙率降低，流速普遍加大，流速增幅為（0～0.44）m/s，對河道的沖刷普遍加劇。因此工程方案應(yīng)考慮對河道沖刷的影響。

3 結(jié) 語

利用 HEC-RAS模型和軟件包建立的盤陂江河道水力計算數(shù)學(xué)模型，對河道整治前后盤陂江河道的水面線進(jìn)行了計算。實踐證明，HEC-RAS具備在較復(fù)雜水力條件下分析多種結(jié)構(gòu)類型涉水建筑物壅水影響的能力，方法合理，成果可靠，為類似分析和工程設(shè)計計算開辟了新的途徑。

[1]方園皓，張行南，夏達(dá)忠.HEC-RAS系列模型在洪水演進(jìn)模擬中的應(yīng)用研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，33（2）:12-15.

[2]楊揚(yáng)，郝敏，史源，等.HEC-RAS分析多種結(jié)構(gòu)類型橋梁壅水相互影響的應(yīng)用 [J].山西水利，2010，（8）:37-38.

[3]GB 50201-2014.防洪標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國計劃出版社，2013.

2016-05-27）

彭小波（1975-），男，大學(xué)本科，工程師，主要從事水文監(jiān)測工作。