HEC-RAS软件在鸣翠谷景区水面线计算中的应用

全志淼，孙 辉，周 栋

(1.华北水利水电大学水利学院，河南郑州450046；2.湖北省咸宁市水文水资源勘测局，湖北咸宁437100)

0 引言

近些年来，随着计算机技术的迅速发展，数学模型越来越多的应用于实际工程的模型分析中，这也给涉河工程的防洪影响评价分析计算提供了可行的、有效且便捷的途径。本文以宜昌市鸣翠谷景区涉河工程为例，采用HEC-RAS软件计算其在设计洪水频率下工程前后的河道水面线，以保证工程建成后景区防洪要求达到20 a一遇[1]。

1 模型介绍

HEC-RAS软件是美国陆军工程兵团水文工程中心开发的一款河道水面线的计算软件，适用于一维、二维河道恒定流或非恒定流水面线的计算，可进行各种涉水建筑物(桥梁、涵洞、堤防、水库等)的计算模拟，是目前工程界应用最为广泛的流体动力学计算软件之一[2]。

本次计算采用天然河道一维恒定流方法进行建模，将计算河道划分为若干河段，上下相邻两断面间的水位采用下述方程求解[3]：

(1)

2 工程概况

鸣翠谷景区所涉河段位于宜昌市点军区紫阳河的上游，紫阳河是长江南岸的一级支流，属山区性河流。紫阳河总体流向由西北流向东南，流域面积11.04 km2，主河道长度8.6 km，河道坡降为34.0‰。流域内有三峡鸣翠谷旅游度假区，为国家AAA级景区。鸣翠谷景区在兴建规划时，河道上配套设计了一个拦水坝，拦截坝河，围水成湖，形成了一定的湖泊景观效果的金龟湖。景观建成运行以来，给人们带来了一种新的景观视觉，但也慢慢暴露出一些问题，造成了一定的负面作用。一是拦水坝阻碍了河水流动，把活水基本变为死水，加上两岸部分景区生活污水直排河道，长时间不开坝换水，水体富氧后，河水就变绿变臭，使水库成为一个新的污染源，直接影响市民锻炼休闲，影响景观应有的效果。二是汛期时，景区遭遇暴雨，由于地处山区，洪水集结十分迅速，而景区拦水坝缺乏有效的泄洪措施，库区水位容易雍高，引发安全事故，故此进行防洪评价[4]。

本次计算采用《鸣翠谷景区河堤整治工程》整治后设计断面，断面桩号自K0+000起至桥址下游K0+740止。主要建筑物参数见表1、表2。桩号的布置见表3，拦水坝处适当加密，整个河段共计划分为10个断面[5]。

表1 拦水景观坝参数 单位：m

表2 桥梁参数计算表

表3 计算断面桩号表

3 水面线计算结果

涉河段设计洪水标准采用20 a一遇，设计洪水水面线根据河道恒定非均匀流水面曲线基本方程式(水流能量方程式)从上游河段出口断面向下游进行推算，为对比分析，水面线推算考虑了两种状态，一是涉河工程现状水面线的成果，二是提出工程补救措施整改到位后的水面线情况，两种情况进行对比分析[6]。

该段河道较为平直，河道主槽较平整，两岸均采用挡土墙护砌，参考《水力计算手册》的糙率取值表，由于河道平均宽度不到30 m，且河道均被渠化，本次计算河道主槽、边滩的糙率统一取0.03[7]。

计算上游断面在5%设计频率下对应的下游水位，下游采用桩号K0+740河口为控制断面。计算成果见图1、图2、表3。

图1 计算断面的布设

图2 桥梁建模

从表3中可以看出，本次涉河工程的设计标准为20 a一遇，相应设计流量为79.2 m3/s，除#2桥周边区域不满足设计标准，在20 a一遇的设计洪水条件下，水面线高出堤防高程0.53 m，其余河段均满足20 a一遇洪水的设计标准。#2桥桥面高程较低，断面深泓高程为91.55 m，桥高1.2 m，桥面高程为92.75 m，20 a一遇洪水条件下水面线为92.83 m，堤防高程为92.30 m。20 a一遇洪水条件下，#2桥会出现漫水的现象，且此时桥边的堤防高程低于水面线0.53 m，所以现状河段不满足相应的防洪要求，故采取以下整改措施：对#2桥周边进行清淤，降低高程以疏通河道；同时对#2桥周边河道堤防进行加高，河道整治后水面线计算成果见表4。

表3 鸣翠谷景区河道整治工程前水面线计算成果表

表4 鸣翠谷景区河道整治工程后水面线计算成果表

从表4可以看出，河道整治后鸣翠谷景区在遭遇20 a一遇洪水时，#2桥处水面线92.66 m，而#2桥面高程92.75 m，求得的水面线低于桥面，而且此时堤防已经过加高，堤防高程为94.77 m，高于水面线2.11 m。故此可以得出结论：紫阳河鸣翠谷景区河段经过整治后，在遭遇20 a一遇洪水时，满足相应的过流要求。

4 结论

HEC-RAS软件在分析计算涉河工程河段的水面线时简便实用，工程的适用性较好，软件模拟结果较为直观，方法简单实用、成果也比较可靠，可作为防洪评价工作的工具之一。此外，软件的使用对工程河段的测量资料，尤其是横断面的测量资料精度要求较高。在条件允许的情况下，建议应尽可能地在涉河工程河段多设置测量大断面，并且将横断面间的测点距适当加密，以提高计算的精度。