1、 軟件功能簡介
HEC-RAS是壹款美國水文研究中心開發的河川分析軟件, 其實為壹個壹維恒定流或非恒定流的水力模型, 主要用於河道流動分析和洪泛平原區域的確定。系統主要由圖表使用界面、資料記憶管理裝置、水文分析工具及輸出設備等組成。模型所得結果可以用於洪水區域管理及洪水安全研究分析, 以及評價洪水淹沒區域的範圍及危害程度[1]。HEC-RAS軟件在國外河道水面線推算中已經得到廣泛的應用[2]。例如在進行河道整治的時候, 就要分析考慮河道壅水高度、流速變化、橋涵沖刷等因素對河流輸水的影響[1]。目前推求水面線的方法較多。在推算山區天然河道水面線時, 如果水位對工程影響較大, 采用HEC-RAS進行推算比較適宜[3]。還有學者將HEC-RAS用於防洪規劃工程中的水面線計算, 以直觀判斷現狀河道的防洪能力[4]。
2、 工程概況
興洲河路南營段治理工程位於河北省承德市灤平縣境內灤河壹級支流興洲河上。工程區範圍為灤平縣大屯鄉路南營村西北側 (灤平縣與豐寧縣的交界處) , 長度3.41 km。涉及1個行政村, 即大屯鄉路南營村。本次工程治理的興洲河屬於自然河道, 河道上開口寬度85~130 m, 目前本工程治理段還沒有規模性水利工程。幾十年來, 除21世紀項目區下遊兩岸實施了少部分漿砌石堤防外, 項目區目前僅有當地百姓自發修築的幹砌石河堤, 其防禦標準低、穩定性差, 且因年久失修, 大多已經損毀。工程治理內容包括河道清淤、修建跌水、修築護堤壩和生態護岸、河岸綠化、濕地工程等。治理目標是通過工程治理, 使該項目所治理的河道達到防洪標準, 改善水質, 美化周邊環境。
3、 計算條件
3.1、 設計洪水流量本工程治理原則上不改變河流現狀走向, 設計河道中心線與現狀河道中心線基本壹致, 現狀河道上開口基本不變。根據歷史洪水資料, 采用頻率分析法計算波羅諾水文站設計洪水, 並采用水文比擬法計算本工程的設計洪峰流量, 最後得到興洲河不同重現期的洪峰流量 (表1) 。項目所在河段的設計標準是10年壹遇洪水不漫堤, 5年壹遇為設計常水位。
3.2、 河道糙率值選取河道糙率是反映河道阻力的壹個綜合系數[2], 也是衡量河流能量損失大小的壹個特征值。河道糙率是水流與河槽相互作用的產物, 影響河道糙率的因素既有河槽方面的, 也有水流方面的。例如河道內半分解和未分解的枯落物可直接增大河道粗糙度, 使徑流流速降低[5]。河灘內植物本身的形狀、長勢、密度、高矮, 以及流速、水深等水流因素[6]均可能對河道糙率的大小產生影響。天然河道的糙率壹般宜根據實測水位流量資料進行推求, 或者根據實測水面線或洪水調查水跡反推糙率[2]。本工程河道內有常流水, 河床主要由細砂和礫石組成, 河底有稀疏水草, 兩岸岸壁為砂土和巖石, 灘地部分由卵石、塊石組成, 長有稀疏雜草和灌木, 有壹部分水流以較低的流速通過這些植物。經綜合考慮, 河道糙率值選擇0.022 5, 灘地及出河槽部分糙率值選擇0.05。3.3、 起推水位確定采用美國陸軍工程兵團HEC-RAS河流分析系統計算程序進行計算, 按分段恒定非均勻流推求水面線, 每隔100 m壹個橫斷面。起始水位采用工程末端樁號K4+200往下遊1~2 km處的正常水位。河道縱坡比降為1.99‰。3.4、 水面線計算本次HEC-RAS河流分析系統計算程序采用分段求和進行水面線計算, 基本公式為式中:z1為上遊斷面的水位高程, m;z2為下遊斷面的水位高程, m;hj為沿程水頭損失, m;hf為局部水頭損失, m;v1為上遊斷面的平均流速, m/s;v2為下遊斷面的平均流速, m/s;g取9.8, m3/s;a1、a2均為動能矯正系數。局部水頭損失計算公式為式中:ζ表示局部水頭損失系數, 其余符號意義同上。
4、 結果分析
4.1、 HEC-RAS河道水面線計算成果根據水面線計算結果 (見表2、表3) , 治理前, 河道10年壹遇洪水的流速為1.47~7.07 m/s, 平均水深約為2.88 m;河道20年壹遇洪水的流速為1.78~8.01m/s, 平均水深約為3.27 m。治理後 (設計值, 下同) , 河道10年壹遇洪水的流速為1.62~6.87 m/s, 平均水深約為3.18 m;河道20年壹遇洪水的流速為1.87~8.01 m/s, 平均水深約為3.67 m。治理後, 河道相應標準下的水面線降低, 河道水深比治理前大, 究其原因可能是因為河道清淤後, 河底高程變低造成的。此外, 根據圖1及表2、表3可以發現, 治理後, 10年壹遇標準下的水流流速與治理前相比更趨於壹致 (治理前平均流速為4.55±1.40 m/s, 治理後為4.65±1.28 m/s) , 最高流速6.87 m/s也比治理前的7.07 m/s小。圖1 10年壹遇和20年壹遇河道治理前後平均流速對比
4.2、 河道治理前後的水位模擬采用HEC-RAS軟件模擬河道治理前後水位變化情況, 能夠為河道治理方案的制訂及後續河道管理決策提供參考依據。圖2—4顯示, 治理前, 隨著河底縱坡的變化, 水深忽高忽低, 水面線變化不平穩, 水流流速急劇變化。與治理前相比, 治理後的水面線更加平緩, 水深變化平穩。在20年壹遇洪水條件下, 治理前的平均水深為3.30 m, 治理後的平均水深為3.67 m, 治理後的最大水深 (5.57 m) 比治理前的最大水深 (5.96 m) 小了0.39 m。表2 興洲河路南營段河道治理前水面線復核結果
表3 興洲河路南營段河道設計治理後 (設計值) 水面線成果
4.3、 不同水位條件下河道植物配置通過HEC-RAS河道水面線計算, 能夠為河道治理過程中不同水位條件下的植物搭配提供設計參考。不同的水位深度, 植物群落配置會有所區別。例如, 垂柳 (Salix babylonica) 、山桃 (Amygdalus davidiana) 、水蔥 (Scirpus validus) 等見於常水位以上, 構成濱水植物群落;在水深0.3~0.9 m區域常見荷花 (Nelumbo nucifera) 、鳶尾 (Iris tectorum) 、莕菜 (Nymphoides peltatum) 、蘆葦 (Phragmites australis) 等淺水區挺水及浮葉和沈水植物群落;水深0.9~2.5 m區域常見眼子菜 (Potamogeton distinctus) 、黑藻 (Hydrilla verticillata) 、浮萍 (Lemna minor) 、莕菜等深水區沈水植物及漂浮植物群落[7]。不同水深條件下水生植物配置不同是水生植物與自然界長期適應的結果。挺水植物對水深的適應性壹般與其植株高度有關, 植株高大的適應水深的能力較強, 例如蘆葦、旱金草 (Cyperus alternifolius) 等[8]。有研究表明, 挺水植物的根莖淹水深度越深, 受水深脅迫越大, 水生植物根狀莖的生長速率越小[9]。千屈菜 (Lythrum salicaria) 扡插苗適合生長於0~10 cm的淺水環境, 最適水深為10 cm, 在20 cm水深梯度下生長明顯受到抑制, 在40 cm水深梯度下, 千屈菜扡插苗和實生苗均不能存活[10]。有人通過實驗得到茭草 (Zizania caduciflora) 和香蒲 (Typha orientalis) 的最適宜生長水深為30 cm, 水蔥的最適宜生長水深為0 cm, 菖蒲 (Acorus calamus) 在0~30 cm的水深均適宜生長[9]。因此, 根據不同條件下HEC-RAS推求的河道水面線成果, 建議在河道治理過程中常水位以下不同水深區域配置不同的水生植物群落, 常水位以上的河漫灘部分可以適當栽植耐水濕的灌木及部分水陸兩棲植物, 臨河道岸邊可零星栽植垂柳等常見濱水喬木。
5、 結論和建議
治理前興洲河路南營段河道局部淤積嚴重, 大部分河段會發生洪水漫堤的現象;采用河道清淤、設置護堤壩和生態護岸措施, 同時進行濕地恢復、河岸綠化等工程的建設, 能夠達到河道生態治理的良好效果。采用HEC-RAS軟件進行水面線計算的結果顯示, 治理前, 隨著河底縱坡的變化, 水深忽高忽低, 水面線變化不平穩, 水流流速急劇變化;與治理前比較, 治理後的水面線更加平緩, 水深變化平穩。采用河道清淤、生態護岸等措施進行河道生態治理後, 在10年壹遇洪水條件下, 能夠防治或者緩解洪水對兩岸的威脅。在河道治理過程中濱水植物的選擇和配置, 建議參考不同條件下HEC-RAS推求的河道水面線成果, 做到常水位以下不同水深區域栽植不同的水生植物群落, 如30 cm以內水深區域栽植菖蒲、30~90 cm水深區域栽植蘆葦和莕菜等, 常水位以上的河漫灘部分適當栽植耐水濕的灌木及部分水陸兩棲植物, 如水蔥、千屈菜、女貞 (Ligustrum lucidum) 等, 臨河道岸邊零星栽植常見濱水喬木, 如垂柳等。
相信經過以上的介紹，大家對興洲河路南營段治理工程中HEC-RAS軟件的運用分析也是有了壹定的認識。歡迎登陸中達咨詢，查詢更多相關信息。
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