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HEC-RAS在贵州山区中小河流治理工程方案优化中的应用

2024-06-23 146 上传者：管理员

摘要：HEC-RAS具备简洁的操作界面,简单的模型设置方式,处理复杂河流及涉河建筑物的强大能力以及准确的模拟计算结果 ,在河道治理工程分析计算中应用广泛。以贵州省小黄泥河树嘎村段河道治理工程为例,利用HEC-RAS模型对研究区建立一维恒定流模型,进行多方案的分析计算,可为优化工程治理方案布置提供决策参考。计算结果表明,HEC-RAS模型模拟计算简便,水面线成果精度较高,可为中小河流治理方案设计和优化提供决策参考,满足贵州山区中小河流治理工程的精度要求。

关键词：
HEC-RAS模型
方案优化
水文水利计算
水面线
河道治理
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贵州省山区中小河流多属山区雨源性河流,流域大多地形起伏大,河流坡降变化大,河谷切割较深,河谷呈典型的“U”字型峡谷。加之受大气环流影响,极易发生强度及量级大而历时短的灾害性暴雨,暴雨时汇流时间短,流速快,洪水破坏力极大,严重威胁沿河两岸居民生命财产安全。贵州省中小河流面广量大,防洪治理任务艰巨而繁重。自2009年水利部、财政部启动中小河流治理以来,贵州省积极推进建设项目,重点中小河流重要河段防洪能力得到明显提升,中小河流治理取得了明显成效和阶段性成果,但还存在治理不系统、不平衡、不充分等问题。

河道水面线是中小河流治理方案布置的重要依据,其计算成果的合理性及精确度直接影响着工程方案的选择及治理效果。贵州省中小河流流域地形变化起伏大,城镇、村庄沿程分布变化大且分散,使得治理工程方案布置加大难度。此外,20世纪80～90年代中小河流开发利用过程中兴建了大量灌溉引水堰坝、跨河桥梁等涉河建筑物；为充分开发利用水能,多数中小河流干流还兴建了大量梯级小水电,这使得贵州省中小河流水面线计算变得十分复杂[1],模拟过程较为繁琐,模拟精度也深受影响。HEC-RAS可对天然河流进行一维恒定流和非恒定流水面线的推求[2],不仅可以对各种流态的模拟和计算,同时可对各种涉水建筑物（如桥梁、涵洞、堤防、拦河堰、滚水坝等）进行模拟计算,处理能力强大,模拟计算精度高,在河道治理工程中应用广泛[3,4]。本文以贵州省小黄泥河威舍镇树嘎村段河道治理工程为例,利用HEC-RAS模型建立一维恒定流模型,进行多方案的分析计算。

1、模型计算原理

对于山区中小河流河道水面线的推求,HEC-RAS一维恒定流模型采用步进法求解一维能量方程,根据实测纵横断面资料、计算河段设计洪峰流量、河道糙率、下游断面起算水位等边界条件,自下游往上游逐断面推求水面线,其基本方程式如下：

式中：Z1、Z2为计算河段断面1、断面2处的水位,m；ν1、ν2为断面平均流速,m/s;α1、α2为动能修正系数；hf为河段水头损失；g为重力加速度,9.8m/s；∆L为断面间距,m;Sf为河段水头损失平均坡度；C为断面扩散或收缩系数。

2、贵州山区中小河流治理实例应用

2.1研究区概况

小黄泥河是黄泥河左岸一级支流,因河水常年浑浊而得名。发源于贵州省盘州市下寨村,自河源由西向东南流,流经云南省富源县、兴义市威舍镇,于兴义市乌沙镇岔江村汇入黄泥河干流,河道全长98km,河流比降3.64‰,流域集水面积1448 km2。

本研究区为小黄泥河威舍镇树嘎村段,位于威舍电站及先锋电站之间,处于先锋电站回水范围内。先锋电站为径流式电站,开发方式为坝后式,设置混凝土河床拦水坝,坝顶高程为1286.16 m,坝上加设自动翻板坝,坝高1.5 m,坝顶高程为1287.66 m,翻板坝溢流宽度33 m。

研究区河段范围为威舍电站坝下至先锋电站坝址河段,全长3140 m,终点以上流域集水面积为1012 km2,沿线分布农田及村庄,且现状高程普遍偏低,尤其临河而建的农房所处位置较低,常年受淹。根据洪涝灾害调查,每逢发生洪水,洪水淹没两岸农田,严重时淹没周边农房。2012年～2014年、2016年、2020年～2022年期间均遭受不同程度的洪涝灾害。其中2014年洪涝灾害最为严重,沿线农房均受淹,严重威胁沿线人民生命财产安全。

2.2模型计算边界条件及参数取值

2.2.1河道断面

模型计算采用2023年6月实测横断面数据,全长3181.4 m,共布设33个测量断面（包含历史洪痕所在河道断面4个）断面平均间距约为100 m。采用横断面数据资料为大地2000坐标系,高程系统为1985国家高程基准。实测横断面布置图见图1。

图1研究区河道断面布置示意图

2.2.2设计洪峰流量

治理河段保护人口小于20万人,保护区域为集镇及农村地区,防护等级为Ⅳ级,根据《防洪标准》（GB 50201-2014）,确定其防洪标准为10年一遇。治理河段起点、终点以上流域面积分别为1003 km2、1012 km2,本次采用“水文比拟法”计算设计洪峰流量,根据本流域及邻近多个水文站的洪水统计成果分析,采用幂回归计算洪峰流量均值的面积影响指数为0.67。经计算,治理河段起点、终点10年一遇设计洪峰流量分别为693 m3/s、697 m3/s。

2.2.3河道糙率

历史洪水水面线是率定各断面水力参数的基础,也是推求设计洪水水面线[2]的重要参考依据。本次洪水调查到2014年7月21日洪水的洪痕较多,群众反映最为强烈,该场洪水发生时间较近,河道断面形态基本和测量时期一致,发生时间距今较近,可靠性较高,因此,选择该场洪水进行历史洪水水面线计算,推求各控制断面的河床糙率参数。经分析该场洪水重现期约为10年一遇,经率定,治理河段综合糙率为0.045～0.05。

2.2.4起算水位

治理终点先锋电站为径流式电站,库容极小,基本无调蓄作用,因此,河道下游起算水位以先锋电站堰上水位为基准,根据《水力计算手册》[5],采用堰流公式计算10年一遇水位为1290.32 m。

2.3现状水面线计算结果

根据上述计算边界条件及参数取值,计算治理河段现状水面线成果见表1。

表1治理河段现状水面线成果

现状居民点主要分布于HN06～HN21、HN23～HN29,HN06～HN21断面两岸农房高程1291.60 m～1293.6 m,HN23～HN29断面两岸农房高程为1290.80 m～1291.60 m,现状两岸村庄地面高程低于10年一遇设计洪水位,不满足防洪要求。HN23～HN29断面距先锋电站坝址较近,水位壅高较为明显,结合洪涝灾害调查,此段受灾情况也最为严重。

2.4设计方案分析及优化

2.4.1基本方案

全段新建堤防及清淤疏浚。全段堤防采用重力式挡墙形式,保证防洪工程全闭合,则需建设堤防长度约2462 m,防洪堤高出现状沿河公路面0.6 m～1.2 m,高出村庄地面约0.5 m～1.0 m。根据治理后断面布置,建立HEC-RAS一维恒定流模型进行计算（参数取值见表2）,治理后与现状水面线成果变化不大（见表3）,堤防建设后能基本满足10年一遇防洪要求。但当堤防建设后,洪水期间河道水位高,防洪堤挡水,村庄内涝水不能顺利排入河道,极易形成内涝。此外,河段覆盖层较厚,重力式挡墙施工难度较大,投资较高。

2.4.2优化方案

基本方案实施难度大,投资高且易引起内涝,由此,可采用优化方案为改造先锋电站大坝及岸坡治理。在满足防洪要求的同时,尽可能保证电站的正常发电功能不受影响,因此,改造先锋电站现状拦河坝改造为液压启动式翻板坝,降低坝顶高程至1282.90 m,坝长不变,洪水期间开启翻板闸门,保障洪水行泄,枯水期期间可关闸蓄水,满足上游灌溉及电站正常发电需求。

同样,将改造后的堤坝及治理后河道断面输入模型中,起算水位仍采用堰流公式计算堰上水位,经计算,先锋电站10年一遇堰上水位为1287.94 m（模型参数取值见表2）,优化方案水面线计算结果见表3。

表2各方案模型边界条件及参数取值

表3各方案治理后河道水面线成果

根据表2结果表明,优化方案改造电站大坝后河道水位降低0.19 m～2.38 m,坝址上游水位降幅最大,降幅为0.70 m～2.38 m,治理后10年一遇洪水位基本低于现状沿线农房地面高程,配合岸坡整治,可使两岸基本满足10年一遇防洪要求治理效果明显,水位降幅大,不仅投资较全段新建堤防更省而且避免了内涝问题的发生。因此,优化方案较基本方案更优,更具备可行性和合理性。

3、结语

通过HEC-RAS软件对贵州省小黄泥河树嘎村段建立一维恒定流模型,并在较短的时间精准地完成不同方案的水面线推求,并进行合理参数优化提供详实的参考数据,为中小河流治理方案提供了较为充分的设计依据,降低工程实施难度,减少了工程投资,使工程布置更具可行性和合理性。

参考文献:

[1]林劲松,巨江,张宽地,等.复杂地形条件下天然河道水面线计算研究[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2010,38(9):187-191.

[3]谢加球,侯凯,王艳萍,等.HEC—RAS水文分析软件在水利水电工程中的运用[J].人民珠江,2013,34(4):29-32.

[4]蒋正兴.HEC-RAS在中小河流治理中的应用[J].中国水运(下半月),2018,18(8):140-141,168.

[5]李炜.水利计算手册[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

文章来源:汤飞飞,张侨,蒙天易.HEC-RAS在贵州山区中小河流治理工程方案优化中的应用[J].陕西水利,2024(06):11-14.