云浮市水利水电勘测设计院 广东 云浮
摘要: 山区中小河流具有洪峰流量大，流速及水流流态变化均较大，河流曲折蜿蜒，局部区域变化明显，急缓流交替频繁出现、水工建筑物多的特点，在水面线推算难度较大。本文选定新兴县杬根河工程案例，建立HEC-RAS模型推算杬根河干流水面线，并从历史资料和历史洪痕对计算结果合理性进行分析验证，分析HEC-RAS模型在山区中小河流水面线推算中的合理性。
关键词: HEC-RAS模型；山区中小河流；水面线计算成果合理性
山区中小河流，局部暴雨强度大，洪水洪峰流量大、汇流时间短，水流流速快、冲击力大，破坏性强。每遇暴雨，极易暴发山洪，淹浸两岸村庄、农田，造洪涝灾害。山区中小河流的治理以水文水利计算为基础，其中水面线的合理性尤其重要。本文以新兴县杬根河治理工程[1]为例，对HEC-RAS模型计算山区中小河流水面线成果的合理性进行分析。
1 HEC-RAS程序简介
HEC-RAS为美国陆军工程兵团水文工程中心（US Army Corps of Engineers，Hydrologic Engineering Center，简称HEC）所开发的河流分析系统，于1995年7月正式公开发行，目前最新的版本为2010年1月发行的V4.1。[2]HEC-RAS程序包含四个一维水力分析单元，即恒定流水面线演算、非恒定流模拟、输砂/动床演算及水质分析，并提供多个不同水力设计功能，为一个整合性的水力分析程序。
2 HEC-RAS程序一维恒定流计算原理
2.1 一维恒定流计算能量方程原理
一维恒定流水面线可通过求解能量方程来获得，具体表达式如下：
式中：P1、P2分别为断面1和断面2上所受的水压力；Wx为水重力沿X轴分量；Ff为摩擦力；Q为流量；为水的密度；为流速变化沿X轴分量。
3 工程应用实例
3.1 工程概况
本文以云浮市新兴县杬根河治理工程为实例，介绍使用HEC-RAS程序软件推求山区河流水面线的方法。
杬根河小流域发源于新兴县境内的七星岗，是簕竹河的一级支流。杬根河流域内最高点七星岗海拔高程747m、最低点为河口高程35m，最大落差700多m。整个杬根河小流域面积42.95km2，主河道长度15.22km，主河道平均坡降1.67％。杬根河治理范围：起点位于杬根河汇入新兴江河口往上300米（桩号K0+300）处，终点位于榄根村（桩号K3+200）处。项目治理河道长度2.90km，合计护岸长度5.05km，河道疏浚长度2.90km。
1）杬根河属于山区中小河流，汛期水流急，洪水陡涨陡落，枯水期浅滩多；上游落差大，弯大水急，河床坡降较缓，逐年淤积严重，多年未进行整治，致使河道逐年萎缩，行洪能力逐步降低。
2）治理段河道内桥梁3座，存在阻水现象。杬根河干流测量断面33个，断面间距100m；簕竹河干流测量断面11个，断面间距300m，用于通过计算足够长的“起算误差调整段”来消除起推断面假设的起推水位所产生的误差。
3.2 建立HEC－RAS模型
1）建立项目，输入河道几何数据
建立数学模型包括簕竹河干流11个断面，杬根河干流33个断面，概化3 座桥梁。根据河道测量断面数据，输入河网及断面数据，并在断面文件中设定主河道及边滩位置、河床糙率。
桥梁概化。根据桥梁尺寸，输入桥路面宽度、厚度及形态；桥墩数据及桥孔类型；桥梁平距、高程、糙率、损失系数等参数。
2）建立边界条件
计算采用一维恒定流计算，根据河流支流汇入情况，输入按广东省综合单位线法分段计算设计洪水。由于本工程下游缺乏有确定水位特征条件的断面，选取临界水深作为下游边界水位，程序根据不同频率的洪水自动计算临界水深。
3）计算结果
计算得杬根河河干流10年、5年一遇水面线成果。本文主要通过对比桩号2+750附近历史洪痕与计算结果，分析HEC-RAS模型计算成果的合理性。
4 分析与结论
4.1 成果分析
由于本工程所在河流附近缺乏水文站，无法根据实测资料对计算结果合理性进行分析验证，故本次从历史资料和历史洪痕对计算结果合理性进行分析验证。根据《云浮市水务志》记载[3]，1957年新兴县遭遇强降雨，县城降雨量168.2mm。根据广东省暴雨参数等值线图[4]，新兴县县城最大24小时点雨量均值为120mm，最大24小时点雨量变差系数为0.42，查找CS=3.5CV皮尔逊Ⅲ型曲线KP值表[5]，重现期5年KP值为1.292，重现期10年KP值为1.56，计算可得新兴县城5年一遇降雨量为155.04mm，新兴县城10年一遇降雨量为187.2mm。结合山区河流集水面积较小，地面和河床坡降比较陡，河槽汇流快，河网调蓄能力低，形成急剧涨落的洪峰的特点分析，可推断1957年新兴县遭遇的洪水大约为大于5年一遇，小于10年一遇。
本工程距离新兴县城仅11km，可认为本工程1957年记录的历史洪水洪痕大约为大于5年一遇，小于10年一遇。根据表1和表2计算结果，桩号2+750附近5年一遇洪水位为45.98m，10年一遇洪水位为46.31m。根据2015年11月省三防办设立的杬根河历史洪痕铭牌，1957年杬根河洪水位为46.10m。综上分析可认为本次计算结果是合理的。
4.2 结论
由于山区中小河流洪峰流量大，流速及水流流态变化均较大，河流曲折蜿蜒，局部区域变化明显，急缓流交替频繁出现。且河道内往往修建水陂，水闸，桥梁等对河道行洪造成影响的阻水建筑，造成计算河道水面线困难。而HEC-RAS模型可进行各种涉水建筑物（如桥梁、涵洞、防洪堤、堰、水库、块状阻水建筑物等）的水面线分析计算，减少了计算水面线难度，同时提高成果准确度。
山区中小河流下游大多缺乏有确定水位特征条件的断面，起推断面水位计算存在较大误差。而HEC-RAS模型选取临界水深作为下游边界水位，程序根据不同频率的洪水自动计算临界水深，通过计算足够长的“起算误差调整段”来消除起推断面假设的起推水位所产生的误差。
在新兴县杬根河水面线计算的应用实例中，可以看出在山区中小河流水面线计算中HEC-RAS软件是稳定可靠的，HEC-RAS软件可解决山区中小河流急流、缓流频繁交替情况下的的水面线推算问题，适用面广，求解能力强，计算结果从历史洪水和工程安全角度来看是合理的，可作为设计依据。
参考文献:
[1]黄立，冯德新. 新兴县杬根河治理工程初步设计报告，云浮市水利水电勘测设计院，2017年10月.
[2]廖翊钧. 河川及区域排水水理计算实务演练讲义，2003年10月.
[3]云浮市水务志编辑组. 云浮市水务志，2015年.
[4]广东省水文局. 广东省暴雨参数等值线图，2003年.
[5]广东省水文总站. 广东省暴雨径流查算图表使用手册，1991年.
论文作者:冯德新
论文发表刊物:《防护工程》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/20
标签：根河论文; 断面论文; 河流论文; 新兴县论文; 云浮市论文; 水面论文; 山区论文; 《防护工程》2018年第20期论文;