HEC-RAS软件在重庆山区复杂地形条件下中小河道治理的应用分析

HEC-RAS软件在重庆山区复杂地形条件下中小河道治理的应用分析

王进1,2，王文华1,2

（1．中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200090；2．上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心，上海 200090）

[摘要]重庆山区中小河道属雨源性河道，其径流随季节性变化显著，地理环境特殊，汛期山洪频发极易造成重大损失。山区中小河道治理作为民生项目因其特殊性往往在工程建设阶段受到诸多限制，本文使用HEC-RAS软件对研究段建立一维恒定流模型，在复杂地形及跨河构筑物条件下精准计算河流洪水水面线，为工程设计和建设提供重要依据，使工程方案更具精准性、科学性、经济性。

[关键词]山区河道；水利计算；河道治理；HEC-RAS软件；

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重庆山区中小河道属雨源性河道，其径流随季节性变化显著，地理环境特殊，河道位于峡谷处断面深而窄，平面曲折河床比降大，汇水时间短，在汛期水位暴涨，山洪频发极易造成人员伤亡及重大财产损失，并且由于山洪洪峰下泄，威胁下游城区安全[1]。近年来，极端气候事件频发，汛期内重庆市屡次受到极端暴雨天气影响，降雨量突破历史极值，水文站水位逼近保证水位，IV级防汛应急响应频发。重庆市綦江及其流域多发山洪预警，如何进行山区河道整治，满足新形势下防洪调蓄作用，是亟待解决的基本民生问题。

在河道治理工程中，不同设计重现期下的河流水面线推求是关键问题。而面对复杂河道问题，经典的手工推求方法求解困难，不具备实操性。HEC-RAS软件是由美国开发的一款强大的水文模拟计算软件，广泛应用于河流工程、水资源管理、洪水预测等研究领域，能较好模拟山区水文条件，满足工程设计需求[2]。本文针对重庆綦江流域河道的的降雨、产汇流、地形等参数进行在地化、精确化模拟，将綦江区双坝河段的地形高程dat文件转化为可识别的csv文件，建立一维恒定流分析模型，和划界成果进行对比分析，为指导重庆区域山区河道工程项目实施提供计算依据。

1 HEC-RAS计算原理

软件使用标准步进迭代方法求解能量，计算从一个横剖面到下一横剖面的水面线，能量方程如下[3]：

其中，Zi、Yi、Vi、αi分别代表河道截面底标高、水深、均速、动能系数、流量及模数；g为重力加速度；he为两截面间的水头损失（包含局部及沿程水头损失）；L为流量加权河道长度；为截面间的沿程水头损失比降；C为收缩或扩大系数；A为过水断面面积；R为水力半径；n河道糙率的曼宁系数。

2 重庆山区实例计算分析

2.1 区域概况

双坝河是一条山区河流，位于重庆市綦江区打通镇，是长江水系的四级支流，是吹角河的一级支流，其发源于贵州省寨坝镇，于綦江区打通镇汇入吹角河，双坝河全流域面积26.44km2，主河道长9.5km，河道平均坡降为61.23‰，双坝河在綦江境内河段长度为6.8km，流域面积15.24km2。研究段位于双坝村，比降29.488‰，河道两岸为邻近公路，和民房，现状自然岸坡稳定性较差，堤防高程较低，河道内部阻水构筑物较多，水土流失严重，泄洪能力差导致汛期内山洪频发，难以满足度汛需求。本次研究选取双坝河石笋沟车形桥处桩号0+000为起点至张家坝良悦诚桥处1+735为终点的河段进行模拟分析，河段中1+177处麻池沟水体汇入双坝河。

图1 区域地理位置图

Fig.1 Regional Location Map

2.2 计算边界及边界取值

2.2.1计算边界

图2 研究区段河道断面布置图

Fig.2 Layout plan of river section in the research section

模型采用2024年3月实测断面数据（重庆市长江勘测设计院有限公司），全长1735m，模型包括双坝河及支流，共计24个断面，在支河口及桥墩处加密断面，河段内存在5座跨河桥梁及1处跳墩，模型考虑跨河构筑物对水体的影响。平面控制系统为重庆独立坐标系，高程系统为国家85基准高程。计算断面的布置图见图2。

2.2.2 设计流量

根据《防洪标准》（GB50201-2014），治理河段保护人口小于20万人，保护区域为集镇及农村地区，防护等级为Ⅳ级，确定其防洪标准为10年一遇。本次采用“水文比拟法”计算设计洪峰流量，根据本流域及邻近多个水文站的洪水统计成果分析。经过累计经验法和推理公式法，依据《四川省中小流域暴雨计算手册》资料，结合推理公式法及瞬时单位线发，研究河段起点、支流麻池沟断面处的10年一遇设计洪峰流量分别为133m3/s、43m3/s。

2.2.3 河道糙率

依据河道形态、河床特性、岸壁特征等要素查阅《天然河道河道糙率表》选取河道n值，治理河段综合糙率为0.03~0.04。

2.2.4 边界条件

本工程终点距下游河口约1km远，《重庆市綦江区流域面积50平方公里以下河道管理范围划界报告》(下称《划界报告》)中双坝河“河口”断面数据十年一遇洪水位为398.06m，参照水力学公式Q=

AR2/3i1/2/n，推求断面水位-流量关系，以水位-流量关系为工程终点处边界条件，详见表1，控制断面设计洪峰流量为187m3/s，设计水位为415.31m。工程起点处边界条件设为临界水深。

表1 水位-流量表(下游河口处)

Tab1. Relation between water level and flow（downstream）

2.3 模型结果分析

2.3.1水面线计算分析

依据上述计算断面选取、边界条件确认及水文系数取值，计算治理河段现状水面线，成果见表2及图3。

表2 水位计算成果表

Tab2.Table of water level calculation results

2.3.2结果验证

本次计算成果与已批复的《划界报告》水面线成果进行对比分析，见表3。

表3 工程河段水位成果计算比较表

Tab3.Comparison Table of Water Level Calculation Results for Engineering River Sections

水位线计算结果与《划界报告》相差较小，误差控制在0.08%，考虑岸坡演变后地形变化，认为本模型计算结果是符合地区洪水规律的。

2.3.3工程设计及优化

山区中小河道治理工程是民生公益工程，对工程投资的敏感性较大，通过精确建模计算可科学优化设计方案并达到整治目标。

右岸R0+547.858~R0+738.112段、右岸R0+547.858～R0+738.125段、右岸R0+855.155～R0+959.135段、左岸L0+934.354～L1+071.578段、左岸L1+071.578～L1+310.458段、左岸L1+310.458～L1+471.287段及右岸R1+410.328～R1+596.045段、左岸L1+619.682～L1+749.465段驳岸顶标高低于十年一遇洪水水面线，易造成后方农田长期浸水，建议设置石笼挡墙护岸并将10年一遇洪水位+安全超高作为驳岸控制顶标高，以增强护岸稳定性。此外河中石块可减缓流速对水位线影响有限，建议保留。桥墩处建议进行清淤，减小河流雍水的不利作用。

经过模型计算结果使工程方案更具精准性、科学性、能有效地指导设计对不利处进行结构加强，同时对局部岸段提出优化建议，减少了不必要的工程设施，对设计优化和节省造价均有较大意义。

3结语

使用HEC-RAS软件对重庆市綦江区双坝河双坝村村段建立一维恒定流模型，在复杂跨河构筑物及复杂地形条件下进行水力计算并完成水面线推求，并与重庆当地水文资料进行比对验证分析，为山区中小河流治理工程设计方案的实施提供科学依据，使工程建设更具经济性、合理性。

参考文献

[1]赵璐,那魁雅. 河道规划治理中的山区河道防洪[J]. 区域治理, 2020, (02) :165-167.

[2]程贝,胡豫英. 断面插值对山区河道水面线计算的适宜性分析[J]. 人民珠江,2 024,45 (08): 121-127.

[3]Brunner G W, Piper S S, Jensen M R, et al. Combined 1D and 2D hydraulic modeling within HEC-RAS[C]//World Environmental and Water Resources Congress 2015. 2015: 1432-1443.

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