HEC－RAS模型在惠济河开封段河道治理中的应用

冯琳伟，高 亮

（1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016；

2.河南省地质矿产勘查开发局 第一地质环境调查院，河南 郑州 450045）

HEC－RAS模型在惠济河开封段河道治理中的应用

冯琳伟1，高 亮2

（1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016；

2.河南省地质矿产勘查开发局 第一地质环境调查院，河南 郑州 450045）

以淮河流域的惠济河开封段为例，采用HEC-RAS模型分别模拟了5年一遇和20年一遇设计频率洪水下的演进过程，并可视化显示出水面线、流速、溃堤位置等信息。结果表明：该模型在分析计算平原地区河流水面线时有较好的适用性，为疏浚河道、防洪除涝、综合治理等项目提供参数。

开封市；惠济河；HEC-RAS模型；可视化分析；河道治理

0 引言

河道水力分析模型HEC-RAS（Ther Hydrologic Engineering Center developed the River Analysis System,简称HEC-RAS）是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的一个针对一维恒定和非恒定流的水面线计算软件包，适用于河道水力计算、泥沙沉积物迁移模拟和水温分析等。其基本原理为：一维恒定流分析控制方程采用能量方程，计算方法采用标准步推法；一维非恒定流分析控制方程采用能量方程式和动量方程式，离散方法采用隐式有限差分法，计算方法采用Newton-Raphson迭代法。该模型软件包括：图形界面、水力分析模块、资料存储和管理模块、图像和报告工具等。HEC-RAS模型的最大优点是，所有模型都使用同一个几何数据，并且几何和水力计算路径也一致。因此，在计算基本水面线时，调用这些功能，可以节省工作量［1］。本文以河南省开封市惠济河为研究对象，探讨了HEC-RAS模型在平原河道治理中的应用。

1 惠济河开封段河道概况

惠济河发源于开封市郊区的济梁闸，属淮河二级支流涡河水系，为豫东平原地区的一条主要防洪排涝骨干河道。本研究仅涉及惠济河开封段，包括开封市的杞县、兰考县、开封县等3县17个乡，河长65.68 km。该流域内人口稠密、土地肥沃，为河南省粮食主产区之一［2］。 由于惠济河开封段存在防洪基础设施薄弱、河道淤积萎缩严重、治理投入不足等突出问题，致使中小河流洪涝灾害频发。因此，本工程列入河南省淮河流域重点地区中小河流治理项目。

2 模型计算条件和步骤

2.1 计算条件

2.1.1 设计洪水标准

按照 《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），根据堤防保护区重要性以及社会经济发展状况，惠济河干流为三级河道，治理范围内按5年一遇除涝、20年一遇防洪标准［3］。

2.1.2 设计洪峰流量

根据豫东平原地区排水河道的特征，设计洪水根据设计暴雨，通过产流，采用排涝模数公式进行计算，即

式中：Q为设计流量；K为峰量系数，开封地区取0.023；R为设计径流深；F为流域面积。

2.1.3 河道糙率

天然河道的糙率是衡量河床、岸壁形状规则性和粗糙程度对水流阻力影响的一个综合性系数，因河床、岸壁的粗糙程度，河道断面形状，床面、岸壁地质特性，水流流态及含沙量等的不同而不同。糙率作为数值模拟计算中的重要灵敏参数，其取值是河道水流一维数值模拟的关键，取得合理与否对计算结果的正确性有直接的影响［4］。参考已往惠济河治理成果中有关河床土质、护面情况、维修养护和河道运行情况，确定河道主槽糙率取值为0.025，滩地为0.030［5］。

2.1.4 下游起算水位

由于河道水面曲线的控制断面一般多在下游，应从下游向上游进行推算。推算时，以固定边界、恒定、非均匀、渐变流的能量方程为理论基础。即，运用水面线的基本方程式，从下游向上游（缓流）或从上游向下游（急流）逐段进行试算。本研究以惠济河济渎池为基准向上游进行推算。济渎池处5年一遇和20年一遇水位分别为47.31m和48.49m［6］。

2.2 所需资料

该模型所需基础资料主要包括：几何资料、恒定流资料、非恒定流资料、泥沙资料。其中，几何资料是HEC-RAS进行任何分析都必不可少的，其他资料则根据项目情况进行相应的取舍［7］。

2.3 计算步骤

（1）建立几何数据模型。地形数据采用2012年开封市水利建筑勘察设计院的河道测量成果，其测量河道长度为64.95 km，测量断面为178个，平均每400 m间距测量一个断面，每个断面平均测量25个高程数据点，遇到弯道河段和复杂断面，则相应加测，以保证河道实际精度要求。一般渐变河段收缩和扩散系数分别为0.1和0.3，涉水建筑物处收缩和扩散系数分别为0.3和0.5.

（2）确定模型计算范围。惠济河干流开封段水力模型计算的上边界为陇海铁路桥（0+050）断面，下边界为商开边界（65+000）断面，全长64.95 km。在计算范围内，共划分出10个水力计算段，其中最长河段为10.908 km，最短河段为1.1 km，平均河段长度为5.2 km。各河段划分及设计流量如表1所示。

表1 惠济河开封段区间河段设计参数Table 1 Section design parameters of Huiji River Kaifeng section

（3）建立水力模型。计算2种重现期的河道水面线，在河段上游端设置上游来水洪峰流量，河段边界条件选择输入下游端已知水位。本模型选择缓流流态进行恒定流分析，结果如图1所示。

图1 惠济河开封段HEC-RAS模拟参数Fig.1 HEC-RAS simulation parameters of Huiji River Kaifeng section

3 惠济河水力模拟计算结果分析

3.1 河道水位模拟分析

模拟结果表明，河道5年一遇水位为70.97～58.94m，20年一遇水位为71.58～59.77m，水位从上游到下游逐渐降低；从河道纵剖面图（如图2所示）可以得出，河道的水深和水量从上游至下游逐渐增大。这是因为从毕桥（32+370）以下，河道渐次拓宽，主河槽由30～40拓展到60～70m，特别是到了平岗桥（52+362）以下，主河槽增大至70m以上。从上游至下游，随着汇水面积的增大，水量逐渐增多，但河底高程却和上游相差不大，导致水深也随之增大，下游防洪排涝产生安全隐患。

图2 惠济河开封段河道水面纵剖面图Fig.2 Longitudinal plan of Huiji River Kaifeng section water surface

3.2 河道险工段模拟分析

模拟发现，河道有3处险工段，即开封屠府坟右岸（3+308～3+608）、汪屯桥上游右岸（6+337～6+637）、汪屯桥下游左岸（6+800～7+100），每处长为300 m左右，且均为弯道。由河道三维图（如图3所示）可知，受弯道顶冲缘故，河道冲刷严重。模拟结果表明，在20年一遇洪水中，屠府坟段堤防完好，未受到较大影响，其余两处均不能抵御20年一遇洪水。因此，在后期治理中应注意加固汪屯桥上游右岸和下游左岸的堤防。

3.3 河道冲淤模拟分析

河道现状排涝能力已不足3年一遇标准，主槽逐年萎缩，河床不断淤积抬高，其影响集中表现为过流能力降低。特别是李岗闸（桩号54+092）以下，河口宽度缩窄为70～80m，河底淤积2～3 m，造成排涝不畅，漫滩决口几率增大。因此，应对该河段进行综合治理，从而提高现有河道的防洪排涝能力。治理方案是疏浚河道，加固堤防等。

4 惠济河开封段河道综合治理分析

根据HEC-RAS软件模拟分析结果，惠济河开封段河道综合治理方案为：堤防加固长度64.64 km；右堤顶新建防汛道路1条，长32.32 km；新建弯道护砌3处，共0.9m；全断面护砌11 km；规划各类水工建筑物63座。

将河道治理工程断面的设计边坡、糙率、底宽，以及堤防高程输入HEC-RAS河道水力分析模型中，构建整治后河段的河槽和河漫滩模型，采用5年一遇除涝设计流量和20年一遇防洪设计流量，模拟计算不同流量下各断面的水位。

用HEC-RAS软件模拟惠济河开封段河道整治前后水位和流量变化发现，5年一遇流量整治后水位降低0.6～1.91m，平均降低0.93m（如图4所示），20年一遇流量整治后水位降低0.18～1.73m，平均降低0.60m （如图5所示），5年一遇流量整治后流速增加了0.03～0.39m3／s，平均增加0.02m3／s，20年一遇流量整治后流量增加了0.01～0.52m3／s，平均增加0.22m3／s（如图6所示）。 由此可知，本次综合治理效果是较为明显的。

图3 惠济河开封段险工处三维透视图Fig.3 3D perspective draw ing of dangerous section of Huiji River Kaifeng section

图4 河道整治前后5年一遇水位对比图Fig.4 W ater level comparison of five-year flood before and after channel regulation

图5 河道整治前后20年一遇水位对比图Fig.5 W ater level com parison of twenty-year flood before and after channel regulation

5 结语

利用HEC-RAS软件建立的惠济河河道水力计算模型对不同设计洪水标准下惠济河河道的水面线进行了模拟，计算结果合理。其不足之处在于，该软件模拟计算数据无法通过自身进行验证。因此，本文的模拟结果和综合治理分析成果仍须工程运行实践的检验。该模型较大减轻了工程人员在计算编程、数据处理等方面的工作，并提供了直观可视化的优化设计，节省了大量科研成本，可为淮河流域重点平原洼地治理提供决策依据。

［1］Brunner G W，Stanford gibson，Goodell C R.HECRAS V4.1 User’s Manual［M］.Davis：HydrologicEngineering Center of US Army Corps of Engineers，2010：2-3.

［2］张小琴，包为民，梁文清，等.河道糙率问题研究进展［J］.吉林水利，2005，（3）：25-26.

［3］闫瑞新，赵方，曹永帅，等.惠济河重点河段治理工程可行性研究报告 ［R］.开封：开封市汴龙勘察设计中心，2012.

［4］高亮.基于HEC-RAS模型的惠济河开封段防洪除涝研究 ［D］.太原：太原理工大学，2013.

［5］李炜.水力计算手册［M］.2版.北京：中国水利水电出版社，2006：103.

［6］孙熙，黄秋风.HEC-RAS在河道治理工程中的应用［J］.河南水利与南水北调，2013，（10）：21-22.

［7］蔡新明，董志勇，张永华.HEC系列水利软件的应用［J］.浙江水利科技，2005，（6）：20-23.

[责任编辑 杨明庆]

Application of HEC-RAS M odel to Huiji River Kaifeng Section River Channel Regulation Project

FENG Linwei1，GAO Liang2
（1.Henan Water and Power Engineering Consulting Corporation Limited,Zhengzhou 450016,Henan,China; 2.No.1 Institute of Geo-environment Survey of Geo-exploration and Mineral Development of Henan Province,Zhengzhou 450045,Henan,China）

Taking Kaifeng section of Huiji River in Huai River basin for an example,HEC-RAS model is applied to simulate the process of five-year and twenty-year flood.And the information of water surface profile,velocity and levee break position is visually displayed.The simulation results show that the model is applicable for the water surface profile in plain area,meets the needs of flood control and waterlogged elimination,and also provides technical support for river regulation project.

Kaifeng city;Huiji River;HEC-RAS model;visual analysis;river channel regulation

图6 河道整治前后5年和20年一遇流量对比图Fig.6 Flow com parison of five-year and twenty-year flood before and after channel regulation

TV122.5

A

1008-486X（2015）01-0001-05

2014-11-10

冯琳伟（1986-），女，河南焦作人，助理工程师，硕士，从事水利工程建筑设计及施工等工作。