HEC-RAS 模型在山区河道划界中的应用

杜 麦，陈小威

（1.石家庄丰水工程咨询有限公司，河北 石家庄 050000；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 引言

近年来，由于河道管理范围不明确，四乱等行为时有发生，影响河道行洪及人民群众生命财产安全[1］，为此对潮河四道河段河道管理范围进行划界对其具有重要意义。

依据《河北省河湖管理范围复核及划定技术指南》，无堤段河道管理范围原则上按照历史最高洪水位或设计洪水位确定。由于历史最高洪水位难以确定，本次按照设计洪水位确定其管理范围，故河道水面线推求是河道划界的重要内容和基础，其推算结果将直接影响管理范围的划定。常规的逐段试算法，对于流态复杂的山区河道，极易出现不合理或无解现象[2］。HEC-RAS（Hydrologic Engineering Center’s River Analysis System）模型是由美国陆军工程师团开发的一款模型，该模型在山区纵坡较陡的天然河道水面线推求中具有良好的模拟成果[3］，本文利用HEC-RAS 建立一维水力模型对潮河四道河段进行不同流态下设计洪水位推求。

2 计算原理

HEC-RAS 可进行一维恒定流、一维非恒定流模拟，可用于河道坡度不大于10%的天然河道的水面线推求，计算缓流、急流及混合流等多种流态[4］。

2.1 恒定流模拟

基于一维能量方程，通过直接步进方法推求水面线。计算公式如下：

式中：Zu、Zd分别为上、下游断面水位；au、ad分别为上、下游断面流速系数；vu、vd分别为上、下游断面平均流速；hf、hj分别为上下游断面之间的沿程水头损失和局部水头损失。

2.2 非恒定流模拟

基于一维连续性方程和动量方程，计算原理如下：

式中：ρw为水的密度；vi、vj为断面流速；xi、xj为距离；p为压力；fi为质量力；v 为流体的运动粘滞系数。

3 模型构建

以河北省丰宁满族自治县潮河四道河段为研究对象，建立一维水力模型推求设计洪水水面线。

3.1 研究区域概况

潮河为潮白河支流，属北三河水系，发源于丰宁满族自治县哈拉海湾村，于天桥镇的前沟门村入滦平县境内，在古北口镇入北京市密云县，最终汇入密云水库。潮河流域面积6920 km2，其中丰宁县境内流域面积3336.01 km2。潮河于四道河村建设有大阁水文站，建站时间为1956 年，控制流域面积为1850 km2。

根据丰宁大阁气象站的统计数据，流域内多年平均气温6.4℃，一月份平均气温-11.7℃，七月份平均气温22.1℃；全面无霜期129 d，多年平均降水量为463 mm；多年平均净流深60 mm；多年平均水面蒸发量为950 mm，多年平均陆面蒸发量为400 mm；年平均风速2.1 m／s；年平均日照时数为2802 h；多年平均冻土厚度约1.5 m。

本次研究区域为潮河四道河段，研究区域以上流域面积为1862 km2，该段河长约4.6 km，坡降约9.7‰。该段河道为天然河道，两岸无堤防及护岸，现状主槽宽15 m～45 m，左右岸为农田或山体，于四道河处建有大阁水文站。

3.2 参数设置

潮河四道河段为山区河道，两岸为农田和村庄，防洪标准取10 年一遇（P=10%），依据《丰宁满族自治县潮河防洪整治规划》，该段10 年一遇设计洪水为689 m3／s，计算采用一维恒定流，分别采用缓流流态和急流流态推算两种工况的设计洪水位。

（1）河道断面

采用2018 年实测断面，该段共计28 个大断面，间距约30 m～220 m。

（2）河道糙率

根据现场查勘的河道平面形态、横断面形态及河床质粒径，参考《水力计算手册》和以往工程，结合水力学参数综合比选，河道滩地糙率采用0.05，河道主槽糙率采用0.035。

（3）起推断面

急流工况下，通过敏感性分析，起推断面位于桩号0+000断面上游约1 km 处时，对该段水位影响较小，故起推断面位于桩号0+000 断面上游约1 km 处，则终点断面为桩号4+605断面；同理，缓流工况下，起推断面位于桩号4+605 断面下游约2 km 处，终点断面为桩号0+000 断面。

（4）起推水位

起推水位根据明渠均匀流计算。

4 计算成果与分析

4.1 计算成果

根据以上参数对四道河段10 年一遇洪水位进行推求，推求成果如表1 所示。由模拟成果可知，急流工况下水位较低，流速较大，缓流工况计算的水位较高而流速较小。

表1 潮河四道河段10 年一遇水面线

续表1

4.2 合理性分析

该河段建有大阁水文站，于1998 年和2011 年发生较大洪水。

为验证一维水力模型的合理性，采用1998 年、2011 年实测洪水，利用建立的一维模型模拟验证，将模拟成果与实测成果进行对比，见图1 和图2。

图1 1998 年洪水实测水位与模拟水位对比

图2 2011 年洪水实测水位与模拟水位对比

由图可知，两种工况下模拟成果与实测成果趋势相同，模拟水位均大于实测水位，但急流工况成果更加接近实测水位，主要原因为该段河道为山区河道，坡度较陡，采用急流流态模拟更加符合实际情况[5］。

1998 年洪水条件下，模拟成果略大于实测水位，流量越大，差距越大；2011 年洪水条件下，流量较小时，两种工况下模拟成果均与实测成果相近，流量较大时，缓流工况下模拟成果较实测水位增幅较大，急流工况下较实测值有所增加。原因主要有以下两点：其一，模型采用2018 年实测断面，相比1998 年和2011 年，河道产生了淤积，导致模拟成果与实测成果相比偏大；其二，流量较大时，洪水出槽，由于本次测量断面偏窄，使模拟结果产生误差，相比实测成果有所增大。

综上，通过建立的一维水动力模型模拟结果可知，与缓流工况相比，急流工况成果更加符合实际，虽在流量较大时急流工况计算成果与实际成果相比偏大，但为确保两岸农田及村庄安全，为河道管理留足余地，同时考虑近年河道淤积影响，采用该模型急流工况成果进行河道划界是合适的。

5 管理范围划定

根据《河北省河湖管理范围复核及划定技术指南》，无堤段划定原则如下：

无堤防行洪河道，其管理范围原则上按照历史最高洪水位或设计洪水位确定。宽浅式、无明显河型、出山口、过村庄等河段，以满足河道行洪能力、保护对象防洪安全为原则确定，具体经过有资质的单位分析论证。对于已批复河道防洪整治规划、实施方案，且河道治理工程正在实施的，按批复的管理范围划定。

本次潮河四道河段两岸均无堤防，河道管理范围按现状10 年一遇淹没范围划定，依据沿河道实测的1∶2000 地形图和10 年一遇洪水位推算成果，最终得到潮河四道河段管理范围（由于篇幅限制，成果不在计列）。

6 结论

（1）利用HEC-RAS 软件建立潮河四道河一维水力模型，对该河段进行急流和缓流两种工况下洪水位推算，由模拟成果知，急流工况水位较低，流速较大，缓流工况水位较高而流速较小。

（2）将建立的一维模型通过1998 年和2011 年实测洪水进行验证，发现山区河道推求水面线时，采用急流工况即从上而下推求成果更加符合实际。

（3）急流工况下模拟水位较实际水位成果偏大，但可形象的反映洪水过程特性，同时可确保两岸农田和村庄安全，保障河道行洪安全，为河道管理留下充足空间，考虑近年河道淤积影响，故采用该模拟成果可作为山区河道管理范围划定的依据。

（4）依据实测地形图和急流工况模拟成果，最终可得到潮河四道河段管理范围。