基于HEC-RAS的重庆市双河段河道水面线分析

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院 重庆 400000)

一、概述

随着城市化的建设的快速发展，城市河道行洪能力显得越发重要，为改善河道淤积，水位起伏波动变化大的问题，需对城市河道进行整治。在河渠规划治理工程中，水面线计算是河道整治工程中的工作基础，水面线计算结果的合理性直接影响到工程规模的合理性[1]。目前比较常用的推算水面线的模型包括HEC-RAS、MIKE11等。叶楠[2]采用HEC-RAS模型计算了桦甸市某山洪沟急流水面线，证明了模型有较好的适用性；陈雪冬[3]通过比较HEC-RAS和MIKE11软件在水面线计算中的差异性，得出HEC-RAS软件在水面线推求中的优越性，在保证同等计算精度的情况下，HEC-RAS操作更为简单，用户界面更加友好。同时，在模型可通过HEC-GEORAS拓展模块与ARCGIS建立数据接口，可以方便快捷的获得所需河系的地形资料[4]。

二、模型介绍

HEC-RAS河流分析系统软件由美国陆军工程兵团旗下所在的水文工程中心所研发，模型不仅可以用于建立河道断面、描绘河网图，还可对相关水利建筑物进行水位线的分析及计算、生成断面剖面图和水位-流量关系曲线，模拟结果可为研究区域水资源分析提供有力数据支撑。

(一)恒定流

恒定流模块主要模拟河道水流在急流、缓流以及临界流三种不同水流状态下的水面线。控制公式如下：

(1)

式中,Z1,Z3为断面水深，m；Z2,Z4为主河道高程，m；α1，α2为流速水头系数,V1，V2为平均流速，m/s；hc为水头损失，m；g为重力加速度，m/s2。

(二)非恒定流

非恒定流水动力模型的控制方程为Saint-Venant方程组,控制公式如下：

(2)

式中，Q为流量，m3/s；ν为流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；z为水位，m；A为过水断面面积，m2；f为摩阻坡度。

三、工程实例

(一)工程概况

工程区地处重庆市都市发达经济圈内，交通便捷。双河发源于王庙一带，经朱家湾、吴家桥、陈家坝一带，在水竹林处与右岸支流聋耳河汇合，继续向东流去，在水井坎处汇入石门河，后经桐梓林等地，于大石门处注入御临河。

图3.1 双河河段模型概化图

(二)模型计算

1.输入几何数据。在HEC-RAS模型软件中，使用River Reach工具绘制河道草图，见图3.1。在Cross Section中输入研究区域内实测地形数据，运用模型插值功能，共获得计算断面38个。

2.输入边界条件。本次计算河道地形随高程变化平缓，计算水面线按恒定流进行计算。根据《水利水电工程设计洪水计算规范》的有关规定，应加安全修正值，研究区域为两江新区城市规划区，城市化程度高，因此本次设计洪水在计算成果的基础上加安全修正值20%。根据工程计算需要，在进行水面线计算时，分别以具有代表性的P=0.5%和P=1%设计洪水流量作为边界条件输入模型。其中P=0.5%和P=1%设计洪水下的进口端流量值分别为317m3/s和280m3/s，控制断面对应的断面水位分别为4.7m和4.27m。

3.糙率的确定。本次设计验证断面选取在《龙兴工业园区航空产业园片区河道综合治理工程(一期)—聋耳河、双河下段初步设计报告》中的水文控制断面，水位验证断面具体位置处于概化河段末端，断面编号1.3，断面位置见图3.1，其中该断面实测水位值见表3.1。

将P=0.5%下的流量水位值关系作为研究河道的糙率率定阶段，通过假定河道糙率反复试算的方式，最终确定研究区域糙率率定值。将P=1%下的流量水位作为模型验证阶段。通过计算河道综合糙率为0.024～0.03之间，其中DM8、DM7、DM6、DM5、DM4、DM3、DM2、DM1糙率分别为0.0241、0.024、0.026、0.0241、0.03、0.024、0.0253，成果对比分析见表3.5。

表3.5 糙率率定水位与验证水位成果对比分析(P=0.5%)

4.不同断面水面线计算结果。通过计算结果来看，模型计算水位值与实测值水位差为0.03m，证明模型基本掌握了该地区的模拟规律，可在其基础上继续进行河道水面线研究。利用该模型分别计算不同设计洪水下控制断面的水位高度，计算结果见表3.6。

表3.6 不同设计洪水水位计算值

在HEC-RAS模型计算过程中，模型表现出良好的工作状态，但在模型模拟初期，出现了计算不稳定的情况，但随着时间的向后推移，模型计算趋于稳定，计算结果趋于合理。

四、结语

本次河道糙率确定以及水面线计算建立在实测地形资料的基础上，同时用于率定验证的水位计算结果满足精度要求，因此可认为本次计算成果具有一定的合理性，为双河段今后的水利工程建设，提供更可靠的基础数据。