周伍光，馬悅，譚唯薇

(1.四川省都江堰東風(fēng)渠管理處，成都，610051；2.中水君信工程勘察設(shè)計有限公司，成都，610074)

根據(jù)《成都市實施“東進(jìn)”戰(zhàn)略水資源保障專項規(guī)劃》，東風(fēng)渠總干渠輸供水能力直接影響“東進(jìn)”[1-3]各城市用水保障，對總干渠輸供水承載力進(jìn)行分析研究是非常必要和迫切的。多數(shù)研究渠道的供水能力是通過公式直接計算過流量[4-7]，僅選取其中有代表性的渠段進(jìn)行研究，無法反映整個工程的運(yùn)作情況。對于實際工程中長渠道的輸供水能力研究計算繁復(fù)、工作量大。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學(xué)模型被越來越多地應(yīng)用于實際工程中。其中HEC-RAS被廣泛應(yīng)用于模擬河流、渠道以及其他水體的一維水面線推算，均能獲得較好的計算成果[8-11]。以東風(fēng)渠總干渠的輸供水能力計算為例，介紹HEC-RAS模型在渠道運(yùn)行狀況評價中的應(yīng)用，從而較直觀地確立渠道的整治重點，為渠道的整治提供切實可行的解決方案。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

東風(fēng)渠總干灌區(qū)為東風(fēng)渠1-4期，主要干渠包括以輸水為主的總干渠和新南干渠以及以灌溉供水為主的北干渠、東干渠、老南干渠和眉彭干渠。設(shè)計灌溉面積7.38萬hm2，其中田5.27萬hm2，土2.05萬hm2，涉及成都市郫都區(qū)、新都區(qū)、金牛區(qū)、成華區(qū)、龍泉驛區(qū)、雙流區(qū)以及眉山市彭山區(qū)、東坡區(qū)和仁壽縣。

東風(fēng)渠總干渠承擔(dān)了向龍泉山及黑龍灘灌區(qū)的輸供水任務(wù)。作為東風(fēng)渠管理處的重要輸供水通道，輸供水承載力直接影響著東風(fēng)渠五期和六期灌區(qū)用水保障。結(jié)合東風(fēng)渠管理處實際需求，確定研究范圍為東風(fēng)渠總干渠，總長54.3km。其取水樞紐在進(jìn)水樞紐閘(府河閘)左岸取水，始建于1956年10月，至1957年一季度建成通水，原進(jìn)口設(shè)計流量30m3/s。1972年對東風(fēng)渠總干渠進(jìn)行了擴(kuò)建，進(jìn)口設(shè)計流量80m3/s。總干渠沿渠共有分干渠4條，支渠10條，渡槽2座，涵洞61座，泄水閘9座。東風(fēng)渠總干渠在末端羅家河壩年均向龍泉山灌區(qū)輸水約3.0億m3。

2 計算模型

渠道水面線的推求是河道規(guī)劃與設(shè)計中非常重要的基礎(chǔ)工作，目前經(jīng)常使用的水面線計算軟件包括MIKE[12-14]、FLUENT[15-17]、HEC-RAS等。HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的水面線計算軟件包，適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定流一維水力計算，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)式河道三維斷面圖等各種分析圖表，使用起來十分便捷。文章采用HEC-RAS來進(jìn)行分析。

2.1 HEC-RAS模型介紹

HEC-RAS的全稱是Hydrologic Engineering Center-River Analysis System，是針對一維恒定及非恒定流的水力模型，其主要用于明渠河道流動分析[18]以及洪泛平原區(qū)域[19-20]的確定。模型的主要功能有恒定與非恒定流的模擬[21-22]、可動邊界的泥沙輸移計算[23]。

(1)河道水面線采用河道恒定非均勻流水面線方程式，公式為：

(1)

式中：Z1、Z2分別為上、下斷面的水位(m)；L為上、下斷面間的河段長度(m)；V1、V2分別為上、下斷面的平均水流速度(m/s)；R1、R2分別為上、下斷面的水力半徑；ξ為河道擴(kuò)散及收縮的水頭損失系數(shù)；g為重力加速度。

(2)橋墩的壅水高度計算[24]是應(yīng)用寬頂堰淹沒流變換公式來計算的：

(2)

式中：ξ為側(cè)限收縮系數(shù)，a為斷面流速的不均勻系數(shù)；W0為天然斷面面積(m2)；W為橋涵凈過水面積(m2)；Q為過水流量(m3/s)；△Z為橋上游、下游水位落差(m)。

2.2 地形與斷面

為計算東風(fēng)渠總干渠設(shè)計水面線，我單位實測了1∶2000河道帶狀地形圖和1∶1000縱橫斷面圖。其中布設(shè)271個斷面，渠道長54.3km，平均間距200m。各實測大斷面包括了明渠和渡槽、暗涵和隧洞測量進(jìn)出口斷面控制。水下地形采用充氣船安裝水下測深儀測量，涉河建筑物測量立視圖，反應(yīng)墩柱尺寸、拱肋形態(tài)及橋底板高程等要素。

2.3 計算工況

根據(jù)調(diào)查，東風(fēng)渠總干進(jìn)口近兩年來實際最大輸供水流量均在65m3/s左右，均發(fā)生在8月，該時期內(nèi)總干渠灌區(qū)用水量較小，主要功能為向下游供區(qū)輸水，渠道流量相對穩(wěn)定，可以認(rèn)為渠道兩岸的水痕即為進(jìn)口段65m3/s下的水面線。龍泉第二水廠在麻石橋樞紐取水，已成設(shè)計規(guī)模為25萬m3/d，最大取水流量為3.4m3/s。麻石橋位于總干39km處，除龍泉第二水廠取水之外，麻石橋以上考慮10%的零星取水及輸水損失，則麻石橋以下渠段水痕對應(yīng)流量可以概化為55m3/s，麻石橋以上概化為65m3/s。以此流量分段進(jìn)行總干渠設(shè)計水面線的模擬，通過逐斷面調(diào)整糙率以擬合設(shè)計水面線和實測水痕，對于擬合后的各斷面糙率即可認(rèn)為是天然情況下的合理糙率，據(jù)此再計算總干渠設(shè)計工況和校核工況下的設(shè)計水面線。綜上，本次水面線計算工況可分為如下2種：

第1種工況(設(shè)計工況)：總干渠全段按設(shè)計流量輸入，即進(jìn)口段-南北閘為80m3/s，南北閘-麻石橋70m3/s，麻石橋-團(tuán)結(jié)閘65m3/s，團(tuán)結(jié)閘-羅家河壩60m3/s。

第2種工況(校核工況)：總干渠全段按校核流量輸入，即進(jìn)口段-南北閘為90m3/s，南北閘-麻石橋80m3/s，麻石橋-團(tuán)結(jié)閘75m3/s，團(tuán)結(jié)閘-羅家河壩70m3/s。

2.4 糙率的選擇

根據(jù)東風(fēng)渠管理處提供資料記載，總干渠續(xù)建配套設(shè)計時計算采用的糙率值為0.018。東風(fēng)渠總干渠是人工渠道，且渠堤已硬化，歷年運(yùn)行水位相對穩(wěn)定，在渠岸上有明顯的水痕。本次在計算第一種工況時，初始采用糙率值為0.018，根據(jù)初算結(jié)果與各斷面實測水痕對比分析，調(diào)整各斷面糙率以擬合實測水痕，循環(huán)試算，最終確定合適的糙率[25]，以此進(jìn)行第二種工況水面線計算。根據(jù)最終擬合后結(jié)果，各斷面糙率值在0.016～0.021之間，該值是反映了斷面現(xiàn)狀情況下渠道淤積后的綜合糙率值。

3 渠道水面線分析

根據(jù)東風(fēng)渠管理處提供資料記載，東風(fēng)渠總干設(shè)計時有設(shè)計流量和加大流量，總干渠續(xù)建配套設(shè)計時渠頂超高為0.95m。本次分析將總干渠設(shè)計流量下的工況稱作“設(shè)計工況”，加大流量下的工況稱作“校核工況”。由水面線計算成果得知，兩種不同工況下，水面線高程均未超過渠頂高程，但均有不同程度的渠頂超高不足的現(xiàn)象。

3.1 設(shè)計工況計算結(jié)果

根據(jù)水面線計算成果，總干渠設(shè)計工況下渠頂高程均高于水位高程，僅存在襯砌渠坎至設(shè)計水面部分超高不足的問題。271個斷面中，143個斷面超高不足，其中左岸118個，右岸110個，合計渠道長度約28km，超高不足在金豐高架橋上游體現(xiàn)較為明顯。點繪總干設(shè)計工況下左、右岸各斷面所需增加超高變化曲線(見圖1所示)?？梢钥闯鲎蟀冻卟蛔愣温渲饕性?2km以前、16km～19km、20km～26km、29km～30km以及35km～39km；右岸超高不足段落主要集中在13km以前、16km～19km、21km～31km以及35km～39km。左右岸超高不足段落重疊較高，分析主要原因為歷年運(yùn)行以來的泥沙淤積所致。由于近年來為保障龍泉驛水廠取水需要，麻石橋(39km)以上幾乎未進(jìn)行有效的歲修和清淤，泥沙淤積非常嚴(yán)重，導(dǎo)致過流斷面減少，渠道糙率增加，設(shè)計水面線進(jìn)一步抬高，渠道過流能力下降，渠頂超高不足。

圖1 設(shè)計工況下總干渠左/右岸所需增加超高統(tǒng)計

東風(fēng)渠總干渠則可以正常進(jìn)行歲修和清淤，在實施有效清淤工程后，總干渠設(shè)計水面線將會有所下降，可以認(rèn)為僅從渠頂高程來看，總干渠設(shè)計工況下輸供水承載力基本滿足要求。

3.2 校核工況計算結(jié)果

校核工況下，271個斷面中有76個斷面路面高程不滿足超高要求，其中左岸47個，右岸54個，合計渠道長度約15km。點繪總干校核工況下左、右岸以路面高程為控制各斷面所需增加超高變化曲線(見圖2所示)?？梢钥闯鲎蟀冻卟蛔愣温渲饕性?km～8km、29km～31km以及13km～25km中間的零星段落和羅家河壩以上；右岸超高不足段落主要集中在3km～10km、21km～23km、34km～36km以及45km～47km和羅家河壩以上段落。

圖2 校核工況下總干渠左/右岸所需增加超高統(tǒng)計

總體來看東風(fēng)渠總干校核工況下的設(shè)計水面線成果，渠頂普遍不滿足超高要求。雖然隨著總干渠有效的清淤工程的實施，可以有效降低渠道設(shè)計水面線，但考慮總干渠校核工況下大部分段落高程不滿足要求，且差值較大，校核工況下渠道有較大的漫頂風(fēng)險。因此，本次認(rèn)為校核工況下總干渠輸供水承載能力不滿足要求。

4 結(jié)論

采用HEC-RAS計算軟件進(jìn)行渠道水面線分析成效顯著，特別是在渠道糙率的擬合、斷面的尺寸確定及護(hù)砌的選擇設(shè)計中起到事半功倍的作用，軟件計算方法對斷面資料有較高要求，在條件允許的情況下應(yīng)盡可能多設(shè)置斷面，從而提高計算精度。通過軟件構(gòu)建了研究區(qū)域不同工況下水面線的數(shù)值模型，明確了超高不足的渠段，使得東風(fēng)渠總干渠的整治工作更加有的放矢。同時在計算水面線的過程中，糙率的選取嚴(yán)重影響水面線的計算結(jié)果，因此在實際工程中要注重渠底及渠坡的襯砌并且及時清淤，以免造成水流擁堵導(dǎo)致渠水漫頂。