(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 重慶 400000)

一、概述

隨著城市化的建設(shè)的快速發(fā)展，城市河道行洪能力顯得越發(fā)重要，為改善河道淤積，水位起伏波動(dòng)變化大的問(wèn)題，需對(duì)城市河道進(jìn)行整治。在河渠規(guī)劃治理工程中，水面線計(jì)算是河道整治工程中的工作基礎(chǔ)，水面線計(jì)算結(jié)果的合理性直接影響到工程規(guī)模的合理性[1]。目前比較常用的推算水面線的模型包括HEC-RAS、MIKE11等。葉楠[2]采用HEC-RAS模型計(jì)算了樺甸市某山洪溝急流水面線，證明了模型有較好的適用性；陳雪冬[3]通過(guò)比較HEC-RAS和MIKE11軟件在水面線計(jì)算中的差異性，得出HEC-RAS軟件在水面線推求中的優(yōu)越性，在保證同等計(jì)算精度的情況下，HEC-RAS操作更為簡(jiǎn)單，用戶界面更加友好。同時(shí)，在模型可通過(guò)HEC-GEORAS拓展模塊與ARCGIS建立數(shù)據(jù)接口，可以方便快捷的獲得所需河系的地形資料[4]。

二、模型介紹

HEC-RAS河流分析系統(tǒng)軟件由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)旗下所在的水文工程中心所研發(fā)，模型不僅可以用于建立河道斷面、描繪河網(wǎng)圖，還可對(duì)相關(guān)水利建筑物進(jìn)行水位線的分析及計(jì)算、生成斷面剖面圖和水位-流量關(guān)系曲線，模擬結(jié)果可為研究區(qū)域水資源分析提供有力數(shù)據(jù)支撐。

(一)恒定流

恒定流模塊主要模擬河道水流在急流、緩流以及臨界流三種不同水流狀態(tài)下的水面線?？刂乒饺缦拢?/p>

(1)

式中,Z1,Z3為斷面水深，m；Z2,Z4為主河道高程，m；α1，α2為流速水頭系數(shù),V1，V2為平均流速，m/s；hc為水頭損失，m；g為重力加速度，m/s2。

(二)非恒定流

非恒定流水動(dòng)力模型的控制方程為Saint-Venant方程組,控制公式如下：

(2)

式中，Q為流量，m3/s；ν為流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；z為水位，m；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；f為摩阻坡度。

三、工程實(shí)例

(一)工程概況

工程區(qū)地處重慶市都市發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)圈內(nèi)，交通便捷。雙河發(fā)源于王廟一帶，經(jīng)朱家灣、吳家橋、陳家壩一帶，在水竹林處與右岸支流聾耳河匯合，繼續(xù)向東流去，在水井坎處匯入石門河，后經(jīng)桐梓林等地，于大石門處注入御臨河。

圖3.1 雙河河段模型概化圖

(二)模型計(jì)算

1.輸入幾何數(shù)據(jù)。在HEC-RAS模型軟件中，使用River Reach工具繪制河道草圖，見(jiàn)圖3.1。在Cross Section中輸入研究區(qū)域內(nèi)實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)，運(yùn)用模型插值功能，共獲得計(jì)算斷面38個(gè)。

2.輸入邊界條件。本次計(jì)算河道地形隨高程變化平緩，計(jì)算水面線按恒定流進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，應(yīng)加安全修正值，研究區(qū)域?yàn)閮山聟^(qū)城市規(guī)劃區(qū)，城市化程度高，因此本次設(shè)計(jì)洪水在計(jì)算成果的基礎(chǔ)上加安全修正值20%。根據(jù)工程計(jì)算需要，在進(jìn)行水面線計(jì)算時(shí)，分別以具有代表性的P=0.5%和P=1%設(shè)計(jì)洪水流量作為邊界條件輸入模型。其中P=0.5%和P=1%設(shè)計(jì)洪水下的進(jìn)口端流量值分別為317m3/s和280m3/s，控制斷面對(duì)應(yīng)的斷面水位分別為4.7m和4.27m。

3.糙率的確定。本次設(shè)計(jì)驗(yàn)證斷面選取在《龍興工業(yè)園區(qū)航空產(chǎn)業(yè)園片區(qū)河道綜合治理工程(一期)—聾耳河、雙河下段初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中的水文控制斷面，水位驗(yàn)證斷面具體位置處于概化河段末端，斷面編號(hào)1.3，斷面位置見(jiàn)圖3.1，其中該斷面實(shí)測(cè)水位值見(jiàn)表3.1。

將P=0.5%下的流量水位值關(guān)系作為研究河道的糙率率定階段，通過(guò)假定河道糙率反復(fù)試算的方式，最終確定研究區(qū)域糙率率定值。將P=1%下的流量水位作為模型驗(yàn)證階段。通過(guò)計(jì)算河道綜合糙率為0.024～0.03之間，其中DM8、DM7、DM6、DM5、DM4、DM3、DM2、DM1糙率分別為0.0241、0.024、0.026、0.0241、0.03、0.024、0.0253，成果對(duì)比分析見(jiàn)表3.5。

表3.5 糙率率定水位與驗(yàn)證水位成果對(duì)比分析(P=0.5%)

4.不同斷面水面線計(jì)算結(jié)果。通過(guò)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，模型計(jì)算水位值與實(shí)測(cè)值水位差為0.03m，證明模型基本掌握了該地區(qū)的模擬規(guī)律，可在其基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行河道水面線研究。利用該模型分別計(jì)算不同設(shè)計(jì)洪水下控制斷面的水位高度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.6。

表3.6 不同設(shè)計(jì)洪水水位計(jì)算值

在HEC-RAS模型計(jì)算過(guò)程中，模型表現(xiàn)出良好的工作狀態(tài)，但在模型模擬初期，出現(xiàn)了計(jì)算不穩(wěn)定的情況，但隨著時(shí)間的向后推移，模型計(jì)算趨于穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果趨于合理。

四、結(jié)語(yǔ)

本次河道糙率確定以及水面線計(jì)算建立在實(shí)測(cè)地形資料的基礎(chǔ)上，同時(shí)用于率定驗(yàn)證的水位計(jì)算結(jié)果滿足精度要求，因此可認(rèn)為本次計(jì)算成果具有一定的合理性，為雙河段今后的水利工程建設(shè)，提供更可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。