兴洲河路南营段治理工程中HEC-RAS软件的运用分析
兴洲河路南营段治理工程中 HEC-RAS 软件的
运用分析
摘要： 在河道生态治理中, 充分认识河道治理前后河床断面及河道植被等对水流、水位的
影响, 有利于更合理地进行河道生态治理综合措施的配置。以滦平县兴洲河路南营段河道治理
为例, 参照水面线计算公式, 采用 HEC-RAS 软件对该段河道治理前后的水面线进行了分析计算,
然后根据治理前后河底糙率系数的差异及不同断面的水位变化分析了河道治理效果。采用
HEC-RAS 软件进行水面线计算的结果显示:治理前随着河底纵坡的变化, 水面线变化不平稳, 水
流流速在不同断面间发生变化;与治理前相比较, 治理后的水面线 (设计值) 变化平缓, 水深变化
平稳。在河道治理中, 采用河道清淤、设置护堤坝和生态护岸等措施, 同时进行湿地恢复、河岸
绿化等工程的建设可以达到生态治理目的, 即使在遇到 10 年一遇洪水时也能够防治或者消除洪
水对两岸的威胁。参考不同河段通过 HEC-RAS 推求的河道水面线成果, 提出了在河道治理过程
中滨水植物的选择和配置方案。
随着现代化进程的加快, 人们对环境的重视程度越来越高, 河道治理也开始向近自然方向发展。
为了更有效、迅速地了解在河道生态治理过程中工程措施对水位抬高的影响和河滩植被、河床
情况、河道治理前后的断面结构等因素对水流的影响, 以及不同水位条件下河道植被的配置, 我
们以滦平县兴洲河路南营段河道为例, 参照水面线计算公式并采用 HEC-RAS 软件对该段河道治
理前后进行了水面线分析计算, 然后根据治理前后河底不同部位糙率系数的差异及各断面的水
位变化分析了河道治理的效果, 以期为今后同类河道的生态治理工程提供设计参考。
1 、 软件功能简介
HEC-RAS 是一款美国水文研究中心开发的河川分析软件, 其实为一个一维恒定流或非恒定流的
水力模型, 主要用于河道流动分析和洪泛平原区域的确定。系统主要由图表使用界面、资料记
忆管理装置、水文分析工具及输出设备等组成。模型所得结果可以用于洪水区域管理及洪水安
全研究分析, 以及评价洪水淹没区域的范围及危害程度[1]。HEC-RAS 软件在国外河道水面线推
算中已经得到广泛的应用[2]。例如在进行河道整治的时候, 就要分析考虑河道壅水高度、流速
变化、桥涵冲刷等因素对河流输水的影响[1]。
目前推求水面线的方法较多。在推算山区天然河道水面线时, 如果水位对工程影响较大, 采用
HEC-RAS 进行推算比较适宜[3]。还有学者将HEC-RAS 用于防洪规划工程中的水面线计算, 以
直观判断现状河道的防洪能力[4]。
2 、 工程概况
兴洲河路南营段治理工程位于河北省承德市滦平县境内滦河一级支流兴洲河上。工程区范围为
滦平县大屯乡路南营村西北侧 (滦平县与丰宁县的交界处) , 长度3.41 km。涉及1个行政村, 即
大屯乡路南营村。
本次工程治理的兴洲河属于自然河道, 河道上开口宽度85~130 m, 目前本工程治理段还没有规模
性水利工程。几十年来, 除21 世纪项目区下游两岸实施了少部分浆砌石堤防外, 项目区目前仅
有当地百姓自发修筑的干砌石河堤, 其防御标准低、稳定性差, 且因年久失修, 大多已经损毁。
工程治理内容包括河道清淤、修建跌水、修筑护堤坝和生态护岸、河岸绿化、湿地工程等。治
理目标是通过工程治理, 使该项目所治理的河道达到防洪标准, 改善水质, 美化周边环境。
3 、 计算条件
3.1 、 设计洪水流量
本工程治理原则上不改变河流现状走向, 设计河道中心线与现状河道中心线基本一致, 现状河道
上开口基本不变。
根据历史洪水资料, 采用频率分析法计算波罗诺水文站设计洪水, 并采用水文比拟法计算本工程
的设计洪峰流量, 最后得到兴洲河不同重现期的洪峰流量(表1) 。项目所在河段的设计标准是
10 年一遇洪水不漫堤, 5 年一遇为设计常水位。
表1 流域河流设计洪水成果
3.2 、 河道糙率值选取
河道糙率是反映河道阻力的一个综合系数[2], 也是衡量河流能量损失大小的一个特征值。河道
糙率是水流与河槽相互作用的产物, 影响河道糙率的因素既有河槽方面的, 也有水流方面的。例
如河道内半分解和未分解的枯落物可直接增大河道粗糙度, 使径流流速降低[5]。河滩内植物本
身的形状、长势、密度、高矮, 以及流速、水深等水流因素[6]均可能对河道糙率的大小产生影
响。天然河道的糙率一般宜根据实测水位流量资料进行推求, 或者根据实测水面线或洪水调查
水迹反推糙率[2]。
本工程河道内有常流水, 河床主要由细砂和砾石组成, 河底有稀疏水草, 两岸岸壁为砂土和岩石,
滩地部分由卵石、块石组成, 长有稀疏杂草和灌木, 有一部分水流以较低的流速通过这些植物。
经综合考虑, 河道糙率值选择 0.022 5, 滩地及出河槽部分糙率值选择 0.05。
3.3 、起推水位确定
采用美国陆军工程兵团 HEC-RAS 河流分析系统计算程序进行计算, 按分段恒定非均匀流推求水
面线, 每隔 100 m 一个横断面。起始水位采用工程末端桩号 K4+200 往下游1~2 km 处的正常水
位。河道纵坡比降为1.99‰。
3.4 、 水面线计算
本次 HEC-RAS 河流分析系统计算程序采用分段求和进行水面线计算, 基本公式为
式中:z1 为上游断面的水位高程, m;z2 为下游断面的水位高程, m;hj 为沿程水头损失, m;hf 为局部
水头损失, m;v1 为上游断面的平均流速, m/s;v2 为下游断面的平均流速, m/s;g 取9.8, m3/s;a1、a2
均为动能矫正系数。
局部水头损失计算公式为
式中:ζ 表示局部水头损失系数, 其余符号意义同上。
4 、 结果分析
4.1 、HEC-RAS 河道水面线计算成果
根据水面线计算结果 (见表2、表 3) , 治理前, 河道 10 年一遇洪水的流速为 1.47~7.07 m/s, 平均
水深约为2.88 m;河道 20 年一遇洪水的流速为 1.78~8.01m/s, 平均水深约为3.27 m 。治理后 (设
计值, 下同) , 河道 10 年一遇洪水的流速为 1.62~6.87 m/s, 平均水深约为3.18 m;河道 20 年一遇洪
水的流速为 1.87~8.01 m/s, 平均水深约为3.67 m。治理后, 河道相应标准下的水面线降低, 河道
水深比治理前大, 究其原因可能是因为河道清淤后, 河底高程变低造成的。
此外, 根据图 1及表 2、表 3可以发现, 治理后, 10 年一遇标准下的水流流速与治理前相比更趋于
一致(治理前平均流速为 4.55±1.40 m/s, 治理后为 4.65±1.28 m/s) , 最高流速 6.87 m/s 也比治理前
的7.07 m/s 小。
图1 10 年一遇和 20 年一遇河道治理前后平均流速对比
4.2 、 河道治理前后的水位模拟
采用 HEC-RAS 软件模拟河道治理前后水位变化情况, 能够为河道治理方案的制订及后续河道管
理决策提供参考依据。图 2—4 显示, 治理前, 随着河底纵坡的变化, 水深忽高忽低, 水面线变化
不平稳, 水流流速急剧变化。与治理前相比, 治理后的水面线更加平缓, 水深变化平稳。在 20 年
一遇洪水条件下, 治理前的平均水深为 3.30 m, 治理后的平均水深为 3.67 m, 治理后的最大水深
(5.57 m) 比治理前的最大水深 (5.96 m) 小了0.39 m。
表2 兴洲河路南营段河道治理前水面线复核结果
表3 兴洲河路南营段河道设计治理后 (设计值) 水面线成果
摘要：
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兴洲河路南营段治理工程中HEC-RAS软件的运用分析摘 要： 在河道生态治理中, 充分认识河道治理前后河床断面及河道植被等对水流、水位的影响, 有利于更合理地进行河道生态治理综合措施的配置。以滦平县兴洲河路南营段河道治理为例, 参照水面线计算公式, 采用HEC-RAS软件对该段河道治理前后的水面线进行了分析计算, 然后根据治理前后河底糙率系数的差异及不同断面的水位变化分析了河道治理效果。采用HEC-RAS软件进行水面线计算的结果显示:治理前随着河底纵坡的变化, 水面线变化不平稳, 水流流速在不同断面间发生变化;与治理前相比较, 治理后的水面线(设计值) 变化平缓, 水深变化平稳。在河道...
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作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
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时间：2024-05-10
