基于HEC—RAS对城市河道枯水期补水方案的应用研究

陈相威　孙大伟　王京　粟一帆

摘要：城市河道枯水期缺水现象日益显著，为解决城市河道枯水期生态水位和景观水位不足的问题，以深圳观澜河流域长坑水河为例，采用HEC-RAS一维水动力模型计算水面线。以长坑水50年一遇洪水工况下的水面线对HEC-RAS进行率定验证，分析该模型模拟河道水面线的合理性。再对城市河道枯水期不同补水方案进行模拟对比分析，从而确定河道补水最佳方案，来满足长坑水河道生态景观等需求用水，也可给其他城市河道生态景观设计提供参考。

Abstract： The phenomenon of water shortage in urban rivers during dry season is becoming more and more obvious. In order to solve the problem of insufficient ecological water level and landscape water level in urban rivers during dry season， the Changkeng River in Guanlan River Basin of Shenzhen is taken as an example to calculate the water surface line by HEC-RAS one-dimensional hydrodynamic model. The HEC-RAS was validated by the water surface line under the 50-year flood condition of Changkeng Water， and the rationality of the model to simulate the river surface line was analyzed. Then， the simulation and comparative analysis of different water replenishment schemes in urban rivers during the dry season will be carried out to determine the best scheme for river hydration to meet the demand water of Changkeng waterway ecological landscape， and also provide reference for river ecological landscape design in other cities.

关键词：城市河道；HEC-RAS；生态补水；模拟验证

Key words： urban river channel；HEC-RAS；ecological hydration；simulation verification

中图分类号：TV76 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）32-0185-04

0 引言

随着城市化进程的加快，城市水环境问题越来越严重，推进流域水环境综合治理，是落实生态文明建设的重要举措，对我国转型发展和绿色发展具有重要推动作用[1]。我国水环境综合治理形势十分严峻，面临的矛盾非常突出，水环境综合治理的难度也较大，应按照生态文明和绿色发展的要求，加强水环境综合，治理力度[2]。随着人们对美好生态环境的需求与日俱增和城市旅游业的快速发展，河道景观与娱乐用水日益成为河道综合治理的一项重要内容[3]。但是在保障水域周边居民的正常生活，重点考虑河道的雨洪调蓄能力时，往往会忽略城市河道不可或缺的景观功能[4]。由于城市河道多属于雨源型河流，所以河道整治工作除了汛期對洪涝灾害以及水污染的治理，还有河道在枯水期为了保证河道生态、景观等需水量进行的补水工程计算。

长坑水位于深圳市区内，除行洪外景观为其第二重要职能，在不影响行洪功能条件下应保持长坑水河道内的水景观优美，提升深圳市整体形象。而枯水期时，长坑水作为雨源型河流几乎无径流，需通过补水来保持一定深度的水体，从而形成水景观。本文以长坑水为例，通过HEC-RAS建模比较两种不同补水方案，选取最佳补水方案给长坑水河道内实施清水补给工程来满足生态景观等需求用水，也可给其他城市河道生态景观设计提供参考。

1 应用实例与方法

1.1 流域概况

长坑水位于深圳市观澜河流域中游，龙华区环观南路以南、机荷高速以北，主要承担流域区间内地面汇流和排水。主干河道发源于高山岭，于五和大道西侧形成河道，往东流经长坑村，穿过清湖立交后通过箱涵折向西北。长坑水原河道在福民社区大和村汇入观澜河，现经大和路西侧改道，于招商澜园北侧明渠流入观澜河。长坑水集雨面积约3.97km2，干流河长2.84km，河道平均比降12‰，支流整治河长0.75m。长坑水上游目前无蓄水调蓄工程。长坑水现状下垫面多为混凝土、沥青路面，径流主要由降雨形成。径流的年内变化情况与流域降雨的时空变化较为一致，其主要特点为汛期（4～9月）的径流量较大，约占全年径流总量的80%，10～翌年3月的径流量相对较少，仅为全年径流总量的20%左右。

长坑水河道排污口截污工程建成后所有生活污水、工业废水均被管道收集，河道无污染水体进入。长坑水位于深圳市区，除行洪外景观为其第二重要职能，在不影响行洪功能条件下应保持长坑水河道内的水景观优美，提升深圳市整体形象。而枯水期时，长坑水作为雨源型河流几乎无径流，需通过补水来保持一定深度的水体，从而形成水景观，因此考虑在长坑水河道内实施清水补给工程。

1.2 模型介绍

HEC-RAS是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水面线计算软件包，主要应用于河道一维恒定流和非恒定流水力分析计算，以其强大的模拟能力而著称，在国外得到了广泛的赞誉和应用[5]。HEC-RAS水面线计算采用河道水面线伯努利能量方程，考虑流速水头损失，采用试算法求解，其计算公式如下：

1.3 补水方案

由于长坑水是雨源型河流，旱季河道内无水流，需补充河道的蒸发量与入渗水量。目前水环境治理工程中河道补水量一般根据生态需水量、水质稀释补水量和景观需水量三种方法进行计算。考虑到截污后无污染物入河，因此根据生态需水量、景观需水量两种方法进行计算，各方法均有一定限制性因素。

长坑水河长2.84km，计划修建一条干渠，景观补水方案从河道视觉效果考虑，确保河道中有水流动和一定的水深从而形成景观。考虑到长坑水地形情况复杂，暗涵与明渠结合，结合后期运营及维护成本，并且长坑水流域内可供给水源非常有限，为确保景观效果、达到补水目的，计划在河道内修建梯级景观堰，形成景观跌水，增加水动力。考虑到行洪要求及河道情况，各河段景观堰高度为0.4至0.5m，经实地查勘，选定人口较稠密处及具有景观需求处修建景观堰，共9处。对河道补水一个周期需满足全部堰体水体更换，即5385m3。另考虑蒸发及渗漏损失221m3，由此，确定长坑水日补水量按5650m3进行设计。为保证水体清洁，达到景观要求，水流量为0.101m3/s。本工程对旱季生态需水量进行计算，取10%平均流量作为生态需水量结果，为0.012m3/s。清水补给方案在满足行洪安全的前提下要满足生态景观需水量。

①方案一：长坑水附近没有水库，但在观澜河上游距离长坑水河道出口仅1公里处有一污水处理厂——龙华污水处理厂，龙华污水处理厂日处理能力40万吨，方案一以龙华污水处理厂处理后的再生水作为补水水源。龙华污水厂观澜河补水管，日供水量13万吨，该管道沿观澜河铺设与长坑水河道相距1km左右，与长坑水河道较近，可通过输水管道运送到长坑水干流上游源头处，对长坑水河道进行补水，补水干管示意图见图1。

②方案二：长坑水附近没有水库，在长坑水中上游部位设置临时污水处理设施，位置处于桩号0+600空旷绿地附近。同时，对周边的污水管网进行改造，将周边生活及工业污水引至临时污水处理设施，处理后作为长坑水补水水源。长坑水日补水量为5650m3/d，因此，临时污水处理设施采用一级强化处理设施+二级处理，一级强化处理设施采用高效沉淀池，二级处理采用生物滤池工艺，总的处理工艺为高效沉淀池+生物滤池。

2 HEC-RAS建模分析

由于枯水期时，长坑水作为雨源型河流几乎无径流，因此本文计算仅选取长坑水干流部分进行建模，综合考虑各河道实际断面情况进行确定。长坑水现状渠道岸坡为浆砌石，综合糙率取0.025。本模型将河道分为0+000～0+156、0+256～0+756、0+856～0+2056、2+141～2+800四段，共计41个断面，计算断面为实测横断面，断面布设间距不超过100m，对河道转折、暗涵进出口、断面尺寸变化处加设断面。如图2所示。

2.1 模型率定结果

由于枯水期时，长坑水作为雨源型河流几乎无径流，则长坑水河道水面线起推水位采用2014年《深圳市防洪潮规划修编及河道整治规划（2014～2020）》观澜河干流长坑水汇入口50年设计洪水位，50年水位42.88m，进行率定，模拟结果如图3所示，可见数值模拟水位与河道现状水位基本吻合，桩号0+656至0+756段河道、干流桩号1+1560至1+356均受下游箱涵壅水影响，导致河道水位较高，但基本接近实测值，具有良好的模拟效果。

2.2 补水方案模拟结果

由于两种方案补水量相同，但是补水形式及位置不同，导致补水效果存在差异。本模型将河道分为0+000～0+156、0+256～0+756、0+856～0+2056、2+141～2+800四段，上游边界分别取生态需水量，景观需水量以及实际补水量。综合糙率取0.025，考虑9个景观堰进行模拟，分别通过HEC-RAS模拟得到生态需水位、景观需水位以及方案补水水位的结果进行对比，数值模拟如图4-图5。

3 补水方案比选分析

根据模型数据分析水，以及长坑水周边环境、施工难度、补水效果、经济性等因素进行考虑，对以上两个补水方案比选如下：

①补水方案一和方案二均可满足生态景观需水量，但是由于方案二补水点位于中上游部位，枯水期0+000—0+600河段几乎没有径流，并且补水效果对比，不如方案一效果理想。

②方案一以龙华污水处理厂中水作為补水水源为永久工程，方案二以临时污水处理设施处理后的水为补水水源为临时工程。临时污水处理设施达到寿命周期后（4年左右），仍需新建补水管道，从龙华污水处理厂引再生水补充河道。因此，方案二存在重复建设的问题。

③方案二临时污水处理设施处理后的污水水质仅为V类，无法满足河道IV补水，V类达标的补水水质的要求，且补水水量需视周边污水排放情况而定，水量不稳定，无法有效补给。

综上所述，方案一能保证长坑水的有效清水补给，水质满足要求，且无需对已规划的污水主管重新设计；方案二存在工程量增加大、水质不满足要求、水量不稳定、重复建设等一系列问题，因此方案一较优。

4 总结

①本文通过运通HEC-RAS软件模型，以长坑水补水工程不同的方案为实例进行数值模拟，通过模型数据、补水效果、施工难度以及经济型多方面比较比较，选取了方案一为最佳方案。以龙华污水处理厂处理后的再生水作为补水水源。龙华污水厂观澜河补水管日供水量13万吨，长坑水日补水量为5650m3，本次长坑水补水主干管设计补水量按25650m3，补水流量为0.456m3/s。

②通过HEC-RAS建模可以发现，虽然方案一和方案二补水量是相同的，但是由于补水点位不同也会导致补水效果会有差异。方案一和方案二中生态需水位和景观需水位是相同的，通过对比可以看出，方案一补水效果较好。

③在进行模型验证率定的时候可以看出，HEC-RAS软件计算结果相对现状偏大，但是起始断面是一致的，相对与公式法计算，起始断面同样是通过曼尼公式试算得到。其中数值模拟水位与河道现状水位基本吻合，桩号0+656至0+756段河道、干流桩号1+1560至1+356均受下游箱涵壅水影响，导致河道水位较高。

参考文献：

[1]许映建，石磊.城市河道整治若干问题及对策探究[J].水利规划与设计，2017（2）：16-18.

[2]李新贵，孙亚月，黄美荣.城市水环境的修复与综合治理[J].上海城市管理，2017，26（04）：12-18.

[3]占润进.福州市南台岛东片区内河生态景观补水研究[J].水利科技，2010，31（1）：110-112.

[4]刘俊，陆剑峰，方正杰，等.对现代城市防洪的一些思考[J].自然灾害学报，2005，14（2）：136-139.

[5]李文辉，黄一帆.HEC-RAS软件在水面线计算中的应用[J].陕西水利，2017（06）：157-158，161.