HEC- RAS 模型在河流治理工程方案论证中的应用

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论证中的应用

彭小波
（株洲水文站 株洲市 412000）

一维河道水力学模型HEC-RAS可以准确、直观地模拟各种阻水建筑物的壅水影响相应河道水面线变化。为分析攸县盘陂江河道整治方案的可行性和合理性，尽可能减少交叉建筑物、河岸洲滩对河道行洪能力的影响，利用HEC-RAS模型对盘陂江整治前和整治后的河道水面线进行分析计算，为河道整治方案优化设计提供了决策参考。

HECRAS模型 水力计算 水面线 河道整治

前言

HEC-RAS是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水面线计算模型和专用软件包，适用于河道稳定和非稳定一维水力计算，其功能强大，可进行各种涉水建筑物（如桥梁、涵洞、防洪堤、堰、水库、块状阻水建筑物等）的水面线分析计算，同时可生成横断面形态图、流量及水位过程曲线、复式河道三维断面等各种分析图表，使用方便[1，2]。本文以湖南省攸县盘陂江河道整治工程为例，运用该软件中的稳定一维水力学模型对河道整治方案进行分析。

1 计算方法

HEC-RAS水面线计算软件包方法把桥涵等阻水水工建筑物引起的能量损失分为三部分：第一部分为阻水水工建筑物占用过流断面使上游侧水流收缩引起的能量损失；第二部分为收缩的水流经过阻水水工建筑物后再扩散所引起的能量损失；第三部分为各种形状水工建筑物本身造成的能量损失。该方法既根据糙率的纵横向分布考虑了滩、槽的流量分配，又考虑了糙率随水位变化的因素，还结合各种形状水工建筑物的阻水机理考虑了其引起的局部阻力，方法成熟，应用较广。其基本方程是根据河道内两断面间应满足能量守恒定律导得的，即：

式中 Ws1、V1、α1和Ws2、V2、α2——分别为计算河段下游、上游断面的水位、平均流速和流速系数；

he——河段能量水头损失；

Sf——河段摩阻坡度；

g——重力加速度；

C——断面扩散或收缩系数，其取值如表l。

表1 断面扩散与收缩系数C值

L——按流量加权的河段长度，可按下式计算：

式中 Lf1、Lf2、Lm和 Qf1、Qf2、Qm——为河段内左、右滩、主槽的河段长度和过水流量。

流量系数可采用河段平均系数，计算公式为：

式中 Af1、Af2、Am、A和 Kf1、Kf2、Km、K——为河段内左、右滩、主槽及 全断面的过水断面积和流量模数;

n——为滩地或主槽糙率系数；

A、R——为各部分过水断面面积和水力半径。

水面计算的平均摩阻坡度方程如下：

2 应用实例

2.1 基本情况

（1）流域概况。项目区位于攸水支流珠丽江的一级支流——盘陂江中下游河段。盘陂江河口位于酒埠江水库下游，发源于攸县紫薇峰，流经攸县草田、大坪、王铺、响石、大阪桥和早山洲，最后在界江汇入珠丽江。盘陂江干流长度29 km，干流平均坡降4.52‰，控制流域面积101 km2，占整个攸水流域的8.5%。

（2）治理方案。对严重淤积长1.723 km的河段进行清淤疏浚处理，对顶流当冲或岸坡较陡的河段长2.207 km（左岸0.744 km，右岸1.463 km）采用仰斜式浆砌石挡墙护岸，对岸坡长13.512 km（右岸6.803 km，左岸6.709 km）的河段采用格宾护脚+雷诺护垫护坡。

2.2 计算条件

（1）防洪标准。依据 《防洪标准》（GB 50201-94）[3]，保护对象为农村，保护区人口小于20万人，保护农田面积小于5万亩。考虑本工程的实际情况，防洪标准为5年一遇。

（2）设计洪水。该流域无实测水文资料，设计洪水计算采用附近的攸水干流的黄丰桥水文站作为比拟流域采用水文比拟法计算，并以小流域设计暴雨洪水法作为对比，综合确定流域设计洪水流量，计算结果见表2。

（3）河槽糙率。河槽糙率是反映河流阻力的一个综合性系数，也是衡量河流能量损失大小的一个特征值。计算参考相关资料中关于糙率的界定方法，对糙率进行综合分析确定，一并列入表2。

表2 河段水面线计算参数表

2.3 成果分析

以盘陂江河口的水位作为控制水位，利用实测断面，同时考虑河道内桥梁与陂坝的影响，利用HECRAS软件分别求得工程前后5年一遇水面线成果，计算结果列入表3。

表3 盘陂江干流水面线计算成果表（P=20%）

表3（续）

由水面线计算成果表可以看出：

（1）盘陂江治理工程，通过河道清淤疏浚、拆除河道阻水建筑物，对河道岸坡进行整治后，5年一遇河道水面线降低了（0～0.42）m。

（2）盘陂江工程前断面流速介于（0.89～3.24）m/s之间，整治后河道流速介于 （0.93～3.26）m/s之间，即河道整治后，由于糙率降低，流速普遍加大，流速增幅为（0～0.44）m/s，对河道的冲刷普遍加剧。因此工程方案应考虑对河道冲刷的影响。

3 结 语

利用 HEC-RAS模型和软件包建立的盘陂江河道水力计算数学模型，对河道整治前后盘陂江河道的水面线进行了计算。实践证明，HEC-RAS具备在较复杂水力条件下分析多种结构类型涉水建筑物壅水影响的能力，方法合理，成果可靠，为类似分析和工程设计计算开辟了新的途径。

[1]方园皓，张行南，夏达忠.HEC-RAS系列模型在洪水演进模拟中的应用研究[J].三峡大学学报（自然科学版），2011，33（2）:12-15.

[2]杨扬，郝敏，史源，等.HEC-RAS分析多种结构类型桥梁壅水相互影响的应用 [J].山西水利，2010，（8）:37-38.

[3]GB 50201-2014.防洪标准[S].北京：中国计划出版社，2013.

2016-05-27）

彭小波（1975-），男，大学本科，工程师，主要从事水文监测工作。