HEC-RAS模型在小流域山丘、平原复合型河道水面线推求应用与研究

2020-06-12宋永嘉王达桦

中国农村水利水电 2020年3期

宋永嘉，王达桦

(华北水利水电大学，郑州 450046)

0 引言

新中国成立以来，我国进行了大规模的防洪建设，经过 70 多年的综合治理，目前大江大河基本形成以流域大型防洪控制性水库、城市堤防、蓄滞洪区等工程措施为基础，洪水预警预报系统、防洪调度系统、防洪应急预案等非工程措施为补充的防洪体系，沿江沿河重要城市防洪能力显著提高。然而，长期以来，中小河流因其面广量大的特点，投入力度不足，防洪基础设施薄弱，河道淤积萎缩，山洪、泥石流等灾害频发，严重威胁沿河两岸居民生命财产安全。2010 年以后，国家出台了《国务院关于切实加强中小河流和山洪地质灾害防治的若干意见》、《全国中小河流治理项目和资金管理办法》等一系列政策文件，全国掀起了一场中小河流治理的高潮[1]。

河道水面线的推求在河道防洪治理工程设计中是关键的一环，也是确保防洪功能正常稳定发挥的重要保障基础。天然河道由于断面形式复杂，流态复杂，应用常规的逐段试算法，在计算全面性、准确性和合理性方面很难满足工程实际应用需求，往往耗费较多的时间进行试算却得不到较好效果[2]。Hydrologic Engineering Center’s River Analysis System,简称HEC-RAS,是由美国工程兵团开发的一个软件。该软件可用于一维恒定流和非恒定流的人工河道或天然河道的水面线的推求。

为了进一步优化小流域河道的水面线的推求精度。基于该软件的适用性，将该软件运用于小流域山丘、平原复合河道的水面线的推求研究中。本次研究采用划分河道的山丘区域与平原区域的方法来进行水面线的计算推求，结合传统方法即不对区域进行划分直接计算进行对比研究，得出两种方法之间的计算结果差异。

1 HEC-RAS模型算法原理

HEC-RAS 软件水面线推求原理[3]主要采用以下方法：

一维恒定流的计算。其计算的原理基于一维的能量方程：

(1)

式中：Y1、Y2分别为断面1和断面2的水深，m；Z1、Z2分别为断面1、2主河道高程，m；α1、α2分别为断面1、2流速系数；g为重力加速度，m/s2；he为水头损失，m。

非恒定流计算。其计算原理基于连续方程和能量方程，分别为：

(2)

(3)

式中：ρ为流体密度，g/cm3；u流速，m/s；f为质量力，m/s2；P为水压力，Pa；λ为黏性系数;下标遵循爱因斯坦求和约定。

2 实例工程

2.1 研究区域概况

某山丘、平原复合型河道是北方小流域境内河流，长9.7 km，总流域面积约28.6 km2，主要由山区与平原区组成，山区面积约占总流域的28%，平原地区约占20%，河道比降约为0.015～0.03之间。河道径流主要由雨洪组成，非汛期河道无基流，汛期流量较大，属于典型的北方山区、平原复合型河道。该河道的走势与断面如图1所示。

图1 河道走势与断面设置图Fig.1 River trend and section setting diagram

2.2 设计参数

该河道上游段为山区、下游段为居民区与农田，根据GB50201-2014《防洪标准》,农田作为保护对象，设计洪水按5年一遇计算。考虑到下游区域有部分居民区，为了居民的安全适当地提高设计标准，设计洪水按10年一遇计算。天然河道的横断面资料等地形资料，采用无人机航拍的形式获取。洪水水面线的推求，使用HEC-RAS恒定流的计算方法来推求。从无人机获取的断面资料共有20个，采用正常水深水位为起算条件，在HEC-RAS软件中建立河道断面模型，选取桩号9500典型断面如图2所示。

图2 桩号9500典型河道断面Fig.2 Typical river section of station 9500

2.3 洪水设计流量计算过程

河道属于小流域地区，该地区无水文站，无径流洪水的实测资料。针对该地区的特点，对于山区部分采用的是河南省中小流域设计暴雨洪水图集中的推理公式来进行洪水计算，对于平原区域采用的是河南省1977年平原区水文分析的平原排水模数公式进行洪水计算。推理基本公式为：

(4)

(5)

(6)

式中：Qm为设计洪峰流量，m3/s；Φ为洪峰径流系数；τ为洪峰汇流时间，h；F为流域面积，km2；L为河道长度，m；J为河道的平均坡度，S为设计最大1 h雨量平均强度；n为设计暴雨递减指数；u为平均入渗率；m为汇流系数。

平原排水模数公式为：

Q=αkRF0.75

(7)

式中：α为综合折减系数；k为峰量系数，R径流深度，m；F为流域面积，km2；Q为平原区设计洪峰，m3/s。若洪水超出设计标准时，将会出现漫滩，面上的积水有滞蓄的作用，在洪峰的消减起一定的作用，根据洪水的大小可选取综合折减系数见表1所示。本次取的折减系数为0.9。

该河道为天然山区河道，根据《水利计算手册》第二版[4]及现场河道情况，主河槽糙率n取 0.025，滩地糙率n取0.04。

表1 各种频率洪水综合折减系数Tab.1 Comprehensive frequency reduction factor for various frequencies

2.4 计算分析

对于复合型山丘、平原河道，首先就是对其进行区域划分。由于本次研究区域山丘区域占80%，平原占20%，对该流域面积按80%为山丘进行洪水流量计算，该区域采用的是河南省中小流域设计暴雨洪水图集中的推理公式来进行洪水计算，也即推理基本公式(4)、(5)、(6)。河南省中小流域暴雨洪水图集中的推理公式是由爱尔兰人摩尔凡尼于1851年提出[5,6]的洪峰流量推理公式经过当地进行适当的改进优化后从而满足当地实际情况使用的推理公式。

20%平原区域按平原排水模数公式进行流量的计算，然后对流域面积内流量进行累加。对于平原排水模数公式，教科书《水文分析与计算》[7]、《工程水文学》[8]，及《工程水文学》[9]、《排水手册》[10]、《水文学手册》[11]中，排水模数法及类似方法的介绍均无。部分文献[12-14]虽有涉猎，但语焉不详。

此法在20世纪50年代初期诞生于淮北平原, 随后逐步推广到黄淮海平原及全国平原地区[15]。

这两种计算方法，通常在适用条件内只单独使用。在单独使用时往往忽略了复合型河道的情况。推理公式运用在山丘、平原复合型区域河道时往往忽略了平原区域的调蓄作用，反之平原排水公式忽略了山丘区域洪水的特点。因而在山丘、平原复合型河道，先对其划分区域，再分别计算流量作为模型的输入边界更为合理。

山丘区域的推理公式中的各个参数的确定通过查河南省出版1984和2005的《河南省暴雨参数图集》。平原排水模数公式各参数的确定除了上述图集外还包括参考相关以治理河道的分析成果。

2.5 模型建立过程

(1) 河道几何数据的输入。HEC-RAS正常形式河道的输入方式是先依据河道走势，在新建项目中依据实践河道走势来描绘河道，再在断面界面输入断面参数。本次河道几何数据的输入采用无人机采集的数据，建立三维模型再提取河道的走势线以及河道断面。

(2) 边界条件的输入。以水文计算的结果为基准，在各河道断面处输入流量，设定流态对河道进行计算。模型建立流程如图3所示。

图3 模型建立流程Fig.3 Model building process

2.6 计算结果及分析

河道属于典型的山丘、平原复合性河流，处于山丘区域的河段洪峰流量大，流速快，河流曲折蜿蜒，局部区域流态变化明显，急流缓流频繁交替出现。根据支流的汇入情况，结合产雨面积，分不同河段设置不同的设计洪水流量。河底及水面线纵剖面示意图如图4所示。

图4 水面线纵剖面Fig.4 Longitudinal section of the water line

采用划分山丘、平原复合地区的计算方式定为方法1，采用按地形所占比例较高的计算方式定为方法2。计算结果见表2，由于数据较多本次仅整理出部分桩号断面数据的结果作为展示。

从计算结果可以看出，方法1与方法2主要区别在采用复合计算与地形所占比例较高两种计算方法中，界定为山丘与平原地区之后所处的地形区域流量有所不同。方法1中运用的是考虑到平原地形的复合计算，具有平原区域调蓄特点。因而较方法2中的流量少。两种方法中所计算的水位结果相差0.1～0.3 m。但方法1与已有实测结果相对比，误差为0.03～0.15 m，而方法2与实测结果的误差为0.2～0.3 m。考虑到平原区域具有调蓄作用，因而方法1比方法2所计算的流量大，从而促使方法1所计算的水位比方法2所计算的水位低，这说明方法1更为符合实际。方法1与方法2的水面宽度相差不超过0.3 m，流速不超0.5 m。

位于桩号5000与桩号5500的断面，弗劳德数分别为0.01与0.3，由于河底高程出现反坡现象，使水流速度降低，带有滞流与调速效果，因而使得弗劳德数较为正常情况低。计算的结果也符合这一特点，与实践情况吻合。

从弗劳德系数为1的情况可知，HEC-RAS软件在河流水面线计算过程中，若计算区域由一种流态过渡到另一种流态频繁交替出现时，如急流到缓流，使能量方程不收敛，若遇到能量方程不满足收敛条件时，在急流断面软件会把临界水深作为断面水深，在缓流断面计算水深会采用临界水深作为计算基础，从而防止错误情况的出现。