基于HEC-RAS模型的西安浐河河道水面线计算

王瑞科

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

洪水灾害是自然灾害中最为常见和破坏性最大的一种灾害类型,会导致河流水位升高、河道淤积、堤防决口等问题,威胁到河道行洪安全[1]。特别是近年来全球极端降水事件频发,引发国内外城市洪涝事件多发且造成城市经济损失严重,如西安市暴雨洪涝灾害事件呈现频发,造成交通瘫痪、经济损失、水环境等问题[2-3]。浐河是陕西省西安市的母亲河,担负着重要的水源供应和生态系统维护功能。根据历史洪水资料[4],结合浐河流域地势平坦、降水集中和城市化进程加速等因素,浐河河段多次发生洪水灾害且频繁受到洪水威胁,故凸显了洪水管理的迫切需求。为确保城市社会安全、生态平衡和经济稳定,浐河河段急需有效的洪水管理和预防措施,其中洪水风险评估、防洪工程设计以及紧急响应计划制定都是流域洪水管理的不可或缺的组成部分[5]。河道水面线的推求计算对于河道治理、堤防设计、防洪规划等起着重要的作用[6]。因此,开展浐河河道水面线计算对浐河防洪规划具有重要的指导意义和实际应用价值,也对西安市水安全和地区经济可持续发展至关紧要。

河道水面线的推求计算方法多采用曼宁公式和HEC-RAS模型。曼宁公式能用于推算具有实测资料的断面水位流量,但在无资料地区河段的断面水位流量计算存在局限性。HEC-RAS模型[7-8]可适用于无资料地区河段的断面水位流量计算,可较好地模拟一维河流、水库、河口等水体的水动力过程、河道整治分析等,能够提供全面的水文分析和洪水风险评估,为强化河道洪水快速预报和洪水风险管理提供了技术支持[9]。

本文旨在采用HEC-RAS模型推求计算浐河河道水面线,模拟浐河干流及其支流库峪河的水面线,计算堤防工程标准下各个断面设计洪水的洪水水位、流速,分析断面洪水水位变化规律,为全域河道综合治理、水系连通及农村水系综合整治工程提供科学支持,以减少潜在的灾害风险,促进区域的安全和可持续发展。

1 研究方法

根据《西安市实用水文手册》资料,采用无资料地区设计洪水的地区经验公式法和水文比拟方法计算河道洪峰流量;基于计算的流量和水文水力数据,采用HEC-RAS模型计算浐河河段水面线,具体计算原理如下具体详述。

(1) 设计暴雨洪水

本次设计暴雨洪水计算采用地区经验公式法和水文比拟法推求浐河干流及支流河段的设计洪水,通过对两种设计洪水方法进行比较分析,选取合理的设计洪水流量。

由于研究河段的农防段工程设计洪水标准为20年一遇,以该设计标准为例进行设计洪水计算,故根据《西安市实用水文手册》,当流域面积在50～1 000 km2,20年一遇洪水洪峰流量计算的经验公式为:

Q20=25.06F0.465

(1)

式中:Q20为20年一遇设计洪水流量,m3/s;F为流域面积,km2。

水文比拟法采用以下公式计算:

Qm1/Qm2Q20=(Fm1、Fm2)n

(2)

式中:Qm1、Qm2分别表示设计断面及参证站的洪峰流量,m3/s;Fm1、Fm2分别表示设计断面及参证站控制的集水面积,km2。n为洪峰面积指数,参考以往资料取值为0.667。

(2) HEC-RAS模型简介

HEC-RAS 模型是由美国陆军工程兵团水文工程中心所研发,主要用于河道/网水动力-水质模拟,能对河流的洪水水位进行可靠的预测,该模型在开展河道水面线模拟计算方面具有较好的优势[10-11]。本文采用HEC-RAS模型的水动力模块模拟浐河水面线过程,计算河道断面的洪水水位。

一维非恒定流模拟的控制方程的计算原理是基于动量守恒方程,如下所示:

(3)

(4)

式中:Q为断面洪水流量,m3/s;v为流速,m/s;g为重力加速度,m/s2;z为断面洪水水位,m;q为沿程入流流量,m2/s;A为过水断面面积,m2;Sf为河床摩阻坡度。

河道水面线计算原理采用明渠恒定非均匀流水面线的计算方法,计算公式如下[8]:

(5)

式中:α1、α2分别表示动能修正系数;Z1、Z2分别表示上、下断面的河床底高,m;Y1、Y2分别表示上、下断面的水深,m;V1、V2分别表示上、下断面的平均流速,m/s;hw表示水头损失,m。

2 研究区域及计算参数

2.1 研究区域

本研究区域位于陕西省西安市,涉及浐河及其支流库峪河,浐河属于灞河的最大一级支流,库峪河是浐河左岸最大的一级支流,发源于秦岭北麓蓝田县汤峪镇。浐河流域面积约为760 km2,河道最大汇流长度64.6 km,河槽平均比降8.9‰。浐河流域水系图如图1所示,浐河在峪口以外的主要支流有岱峪河、库峪河和荆峪沟,汤峪河为其源流。库峪河为浐河左岸最大的一级支流,发源于长安区东南部秦岭主脊北坡。库峪河河长38.5 km,主河道比降21.2‰,流域面积166 km2。浐河河道水文地质条件复杂,河道外侧多为耕地,河道以砂卵石及粉质黏土层为主的地层特性。研究区气候类型属于暖温带半湿润大陆性季风气候区,具有四季分明的气候特征。冬季干燥寒冷,春季温暖,夏季炎热多雨,秋季温和湿润。多年平均气温为13.5℃,多年平均降雨量为657.5 mm。

图1 浐河流域水系

2.2 断面计算参数选取

(1)断面情况

整个浐河河道断面的资料来源于2020年4月浐河干支流实测纵横断面成果,浐河干流断面共计182个,主要为天然复式断面,其中一级支流库峪河断面共计151个,主要为天然复式断面。设计断面的宽度是按设计堤距控制,堤防两侧受限、不能向两岸扩宽的河段,采用陡堤坡设计,坡比从直立式至1∶1.5,断面型式为预制装配式护坡;可向两岸扩宽的河段,采用1∶3的缓堤坡,坡脚防护结构采用格宾护垫防护,坡面种植植物进行防护。

(2)河段控制断面自然地理参数

本研究浐河河段主要为农防段,浐河及其支流防洪标准为20年一遇,浐河干流及其支流库峪河控制断面自然地理参数详见表1,干流河道比降范围在9.1‰～19.1‰。

表1 浐河干流及支流库峪河河段控制断面自然地理参数表

(3)河床糙率

本研究选取浐河干流和库峪河支流河段无实测水文观测资料,据现场查勘河道分析,现状河床主要为天然河床,河床质主要为卵砾石及细砂,粒径自上游至下游逐渐变细。结合干流及支流河段实际的地形、地貌、河床质、河床植被等条件,参考《水力计算手册》资料,确定浐河干流河段糙率为0.038～0.040,库峪河河段糙率为0.038～0.042。

3 结果与分析

3.1 设计洪水计算

采用水文比拟方法计算河道洪峰流量计算浐河及其支流的设计洪水,需要选取浐河及其支流库峪河的参证站,根据流域内各水文测站的分布情况,选取灞河流域马渡王水文站及潏河流域大峪站为设计参证站推求设计洪水。采用地区经验公式法和水文比拟法计算浐河干支流设计洪水结果见表2和表3,通过比较分析,显然水文比拟法计算各个断面的20年一遇洪峰流量结果大于经验公式法计算的结果。水文比拟法以马渡王及大峪站为参证站,推算浐河干支流设计洪水结果,相较于经验公式法及推理公式法,其成果更加有代表性。结合浐河河段实际地形地貌及河道防洪工程情况,其中干流岱峪河下游河段及支流以大峪站为参证站,大峪站的集雨区域大部分为山区,水文比拟法计算结果更可靠,对于浐河防洪工程建设更安全。综合分析,选用水文比拟法计算浐河干支流设计洪水的洪峰流量结果作为本研究设计的20年一遇洪峰流量,基于此结果进一步计算河道水面线。

表2 浐河干支流设计洪水成果(经验公式法)

表3 浐河干支流设计洪水成果(水文比拟法)

3.2 水面线计算

3.2.1浐河干流20年一遇设计水面线计算分析

根据前节计算的设计洪水成果,采用HEC-RAS模型计算河道设计水面线。浐河干流(库峪河口至雁长交界)20年一遇设计水面线成果见表4及图2。

表4 浐河干流水面线成果(P=5%)

图2 浐河干流(库峪河口至雁长交界)水面线(P=5%)

由表4可知,河道从上游至下游整体水面线趋势变化表现趋于平滑,水面线和深泓线变化趋势相近,河道深泓高程变化范围为468.08～432.94 m,整体落差为35.14 m,水位随着河道深泓高程的降低而降低,变化范围为472.88～437.24 m,整体落差为35.64 m,落差差距较小。根据图2可得,没有出现明显的雍水或跌水现象,由于河道清淤深度不同,河道不同断面的水位降低高度也存在差异。

由浐河干流水面线成果表分析,整个浐河干流在C85-C130断面之间坡度较陡,C130-C140断面之间较缓,在C140断面后河道呈现较陡变化,坡度小于C85-C130断面间坡度变化。在C130断面后河道水流从陡坡到缓坡会发生水跃现象,流速变化表现为从快到慢的过程。在C131断面时,流速减小至1.79 m3/s;在C140断面后,坡度变化较小且流速提升不显著。下游处最高流速出现在C148断面,流速为4.38 m3/s。在整个河段的各个断面中,C130断面的深泓高程均小于较临近的前后断面的深泓高程,故导致在该断面处的水深较大,达到6.09 m ,并在该断面衔接陡坡和缓坡的地方会发生水跃现象,在实际河道治理时需要优先治理。根据水面线计算结果绘制典型C105和C150断面河道立体模型及水位分布及断面形状与水面线图(见图3),断面C150可能会产生局部流速过快,和水深较深情况发生,需要针对此类型断面进行清淤工作。

图3 河道立体模型及水位分布

3.2.2支流库峪河20年一遇设计水面线计算分析

结合表5和图4,支流库峪河段河道深泓高程变化范围为640.65～477.86 m,整体落差为162.79 m。显然,水位随着河道深泓高程的降低而降低,变化范围为643.55～480.24 m,整体落差为163.31 m。水位变化规律通干流规律一致,河道清淤深度不同,河道不同断面的水位降低高度也存在差异。由库峪河水面线成果表分析,整个库峪河在K1-K30断面之间坡度较缓,在K30断面之后坡度呈现变陡趋势,河道水流在该断面缓坡到陡坡变化处可能会发生水跌现象。

表5 库峪河水面线成果(P=5%)

由表5分析,K28断面的流速为1.95 m3/s,远小于前后断面的流速,可对该点前后临近断面进行清淤处理。根据水面线计算结果绘制典型K6和K10断面河道立体模型及水位分布及断面形状与水面线图(见图5),对比发现K10处断面可能会产生局部流速过快和水深较深情况发生,需要针对此类断面进行清淤工作。

图5 库峪河水面线(P=5%)

河道立体模型及水位分布见图6,断面形状与水面线见图7。结合浐河干流和支流库峪河20年一遇设计水面线计算分析和实践证明,整体水面线并未超出20年一遇的设计防洪标准,表明水面线计算结果是安全可靠的。建议在清淤时结合断面形状进行重点清淤工作,保证河道底部平顺,防止出现局部水流流速过快或者水深较大的情况发生,对部分河道建筑物产生不利影响。结合河道防洪设计标准要求,局部放坡条件不足的区域可适当调整堤坡坡度,设计堤顶高程按设计洪水位加堤顶超高确定,同时考虑跨河建筑物的壅水高度叠加到设计水面线,提高沿线堤防能力和保障河道行洪安全。

图6 河道立体模型及水位分布

图7 断面形状与水面线

4 结 论

本研究采用HEC-RAS模型推算浐河干流及其支流库峪河的水面线,结果表明HEC-RAS模型能有效地实现无资料地区河道不同断面洪水水位、流速的预测计算,整体水面线计算满足堤防工程的设计防洪标准,其水面线计算结果是安全可靠的,结果为浐河河道防洪设计标准及其他河道水面线计算提供技术支撑和设计依据。主要结论如下:

(1) 浐河干支流计算水面线和深泓线变化趋势相近,干支流水位变化趋势的规律基本相同。干流河道深泓高程和水位变化范围分别为468.08～432.94 m、472.88～437.24 m,支流库峪河段河道深泓高程和水位变化范围为640.65～477.86 m、643.55～480.24 m,基于20年一遇设计洪水水面线计算分析,干支流河道水面线设计满足防洪设计要求。

(2) 根据浐河干支流断面的水位结果分析,C130断面的深泓高程均小于较临近的前后断面的深泓高程,该断面水深较大且达到6.09 m,表明该断面衔接陡坡和缓坡的地方易发生水跃现象;支流库峪河河道K30断面后坡度呈现变陡趋势,表明在该断面缓坡到陡坡变化处可能会发生水跌现象,在实际河道治理时需要优先治理此类断面。

(3) 基于典型断面河道立体模型及水位分布及断面形状与水面线图分析,浐河干流断面C150和支流库峪河K10处断面可能会产生局部流速过快,需要对此类型断面进行清淤工作。