兴洲河路南营段治理工程中HEC-RAS软件的运用分析.docx

兴洲河路南营段治理工程中HEC-RAS软件的运用分析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开展。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构造等因素对 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开展了水面线分析 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确实定。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平安研究分析， 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 开展河道整治的时候，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开展推算比拟适宜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省市滦平县境 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85130 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世纪工程区 下游两岸实施了少局部浆砌石堤防外，工程区目前仅有当 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，使该工程所治理的河道到达防 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那么上不改变河流现状 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）。工程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。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开展推求, 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，滩地局部由卵石、块石组 成，长有稀疏杂草和灌木，有一局部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 及出河槽局部糙率值选择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开展计算， 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12 km处的正常 水位。河道纵坡比降为1.99%oo 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开展水面线计 算，基本公式为式中：zl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； vl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；al、a2均为动能矫正系数。 局部水头损失计算公式为式中：Z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. 477.07 m/s,平均水深约为2. 88 m；河道20年一遇洪水 的流速为L788.01ni/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. 626. 87 m/s, 平均水深约为3. 18 m；河道20年一遇洪水的流速为 1.878.01 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. 87m/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比照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24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 mo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4. 3、不同水位条件下河道植物配置通过HEC-RAS河道 水面线计算，能够为河道治理过程中不同水位条件下的植 物搭配提供设计参考。不同的水位深度，植物群落配置会有 所区别。例如，垂柳 (Salix babylonica)、山桃 (Amygdalus davidiana)、水葱 (Scirpus validus) 等见 于常水位以上，构成滨水植物群落;在水深0.30.9 m区域 常见荷花(Nelumbo nucifera)、鸯尾(Iris tectorum)、 善 菜 (Nymphoides peltatum) 、 芦 苇 (Phragmites australis)等浅水区挺水及浮叶和沉水植物群落；水深 0. 92. 5 m 区域常见眼子菜(Potamogeton distinctus)、 黑藻 (Hydrilla verticillata)、浮萍 (Lemna minor)、 茬菜等深水区沉水植物及漂浮植物群落7。不同水深条件 下水生植物配置不同是水生植物与自然界长期适应的结果。 挺水植物对水深的适应性一般与其植株高度有关，植株高 大的适应水深的能力较强，例如芦苇、旱金草(Cyperus alternifolius)等8。有研究说明，挺水植物的根茎淹水 深度越深，受水深胁迫越大，水生植物根状茎的生长速率 越小9。千屈菜(Lythrum salicaria)杆插苗适合生长于 010 cm的浅水环境，最适水深为10 cm,在20 cm水深梯 度下生长明显受到抑制，在40 cm水深梯度下，千屈菜杆插 苗和实生苗均不能存活10。有人通过实验得到差草 (Zizania caduciflora)和香蒲(Typha orientalis)的最 适宜生长水深为30 cm,水葱的最适宜生长水深为0 cm,菖 蒲(Acorus calamus)在030 cm的水深均适宜生长9。 因此，根据不同条件下HEC-RAS推求的河道水面线成果，建 议在河道治理过程中常水位以下不同水深区域配置不同的 水生植物群落，常水位以上的河漫滩局部可以适当栽植耐 水湿的灌木及局部水陆两栖植物，道岸边可零星栽植垂 柳等常见滨水乔木。5、结论和建议治理前兴洲河路南营段河道局部淤积严重，大局部河 段会发生洪水漫堤的现象；采用河道清淤、设置护堤坝和生 态护岸措施，同时开展湿地恢复、河岸绿化等工程的建设, 能够到达河道生态治理的良好效果。采用HEC-RAS软件开展 水面线计算的结果显示，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 治理前比拟，治理后的水面线更加平缓，水深变化平稳。采 用河道清淤、生态护岸等措施开展河道生态治理后，在10 年一遇洪水条件下，能够防治或者缓解洪水对两岸的威胁。 在河道治理过程中滨水植物的选择和配置，建议参考不同 条件下HEC-RAS推求的河道水面线成果，做到常水位以下不 同水深区域栽植不同的水生植物群落，如30 cm以内水深区 域栽植菖蒲、3090 cm水深区域栽植芦苇和茬菜等，常水位 以上的河漫滩局部适当栽植耐水湿的灌木及局部水陆两栖 植物，如水葱、千屈菜、女贞(Ligustrum lucidum)等， 一道岸边零星栽植常见滨水乔木，如垂柳等。相信经过以上的介绍，大家对兴洲河路南营段治理工程 中HEC-RAS软件的运用分析也是有了 一定的认识。