hecras在多伦县城区水系及水环境综合整治工程中的应用

1/7HECRAS在多伦县城区水系及水环境综合整治工程中的应用HECRAS在多伦县城区水系及水环境综合整治工程中的应用内蒙古自治区锡林郭勒盟多伦县城区水系涉及河道支流多，自然纵坡大，加之工程中建造的蓄水建筑物改变了原自然河道的流势，造成水流变化波动较大，无论是手算还是传统水面线计算软件均无法实现连续推求，给设计工作带来了很大难度。为解决这一难题，使用HECRAS软件对河道及水工建筑物进行了模拟，在很短时间内可计算出水面线，通过可视化操作，精细了解过坝、穿桥流态，为分析、改进设计缺陷，快速优化工程方案提供有力的数据支撑。1工程设计工程规模及建设标准多伦县城区水系及水环境综合整治工程内容包括小河子河、南河、牦牛吐河防洪绿化工程以及萨日湖、会盟湖、育兴湖、鸳鸯湖、那日湖“五湖”环境整治工程。2030年多伦县规划城镇人口25万，根据水利水电工程等级划分及洪水标准、防洪标准及城市防洪工程设计规范，多伦县城区水系及水环境综合整治工程等别2/7为等，根据分区设防原则，南河堤防等级设定为3级，主要建筑物等级为3级，牦牛吐河、小河子河堤防等级为4级，主要建筑物等级为4级。南河防洪标准为50年一遇，牦牛吐河、小河子河防洪标准为20年一遇。工程布置南河治理工程起点位于萨日湖上游，结束于小河子河口，总长1136KM，建造橡胶坝18座、艺术堰20座。河道设计时结合总规和水系规划要求，对纵坡进行调整，由现状的1调至014。断面形式为梯形和复式结构，河道底宽25200M，边坡103110，岸坡采用浆砌石挡墙、格宾石笼网箱防护，河底采用混凝土和格宾网石笼等防护材料。防渗材料选用土工毯、土工膜等。牦牛吐河治理工程起点位于丰收水库溢洪道出口，结束于南河口，总长233KM，共建橡胶坝10座。考虑蓄水要求，对河道纵坡进行调整，由41调至161107。断面为梯形，河底宽90M，边坡13。河底、岸坡采用格宾网石笼防护、土工毯防渗。小河子河治理工程起点位于兰多铁路跨河桥，结束于龙泽湖上游，总长7751KM，新建挡水堰1座。河道设计纵坡1518，底宽100530M，上游42KM河道迎水坡采用三维土工网垫植草防护、浆砌本文由论文联盟HTTP/收集整理石护脚，下游两岸砌筑浆砌石挡墙防护。3/72工程应用简介HECRAS是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水面线计算软件，适用于河道稳定和非稳定流一维水力计算，包括洪水调度分析、河道水面线计算、涉水建筑物阻水分析、动床输沙模拟、闸门及水泵启闭模拟、水质分析等功能。由于其适用范围广、数据处理分析能力强、操作简便，近些年被广泛应用于水利工程的规划和设计中。HECRAS推算河道恒定流水面线基于能量方程1Z2Y2A2V22/2GZ1Y1A1V12/2GHEJP1式中Z1、Z2为主河道高程；Y1、Y2为断面水深；V1、V2为平均流速；A1、A2为流速系数；G为重力加速度；HE为水头损失。应用设计思路HECRAS软件在此工程中用来推求河道水面线。南河、牦牛吐河、小河子河防洪标准不同，需要按最不利洪水考虑同频遭遇，计算3条河道的20年和50年一遇洪峰流量。由于小河子河纵坡较陡，且治理段距离下游滦河较远，无回水影响，可按均匀流推算在2个洪水频率下小河子河末端的龙泽湖跌水下游洪水位，通过堰流公式求得堰上水位4/7作为起推水位，再通过HECRAS软件完成河道、壅水建筑物建模和控制条件输入，对各条河道同时向上游推算出连续的洪水水面线。设计步骤计算洪峰流量。小河子河仅有10年的年最大流量观测资料和历史洪水调查资料，不能直接用以计算设计洪水；邻近的黑风河和吐力根河分别建有白城子水文站和大河口水文站，但这两个流域下垫面条件与小河子河流域相差较大，实测洪水资料不能作为分析计算本流域设计洪水的依据，故小河子河治理河段设计洪水采用暴雨途径间接计算。南河及牦牛吐河上分别设有红领巾水库及丰收水库，两条河流水库下游位置设计洪水计算时考虑水库的调蓄作用。洪峰流量计算方法采用内蒙古自治区水文手册经验公式1、2，南河与牦牛吐河汇合口下游控制点洪峰流量计算采用南河末端与牦牛吐河末端洪水过程线相加求得，见图1。通过计算，南河50年一遇分段控制点流量为萨日湖下游18M3/S，红领巾水库出库60M3/S，森林公园出口82M3/S；牦牛吐河20年一遇控制点洪峰流量为牦牛吐河末端38M3/S，南河与牦牛吐河汇合口下游86M3/S；小河子河20年一遇控制点洪峰流量为改道S308公路312M3/S，南5/7河汇入口上游314M3/S，龙泽湖上游330M3/S。河道糙率和起推水位的确定。南河采用格宾网石笼、混凝土底板与浆砌石挡墙防护，糙率选取0025，牦牛吐河采用格宾网石笼防护，糙率取0025，小河子河为土质河道，糙率取0025。计算起推水位时，首先按均匀流公式计算堰下水位，纵坡1/100，糙率0025，断面为矩形，求得20年与50年一遇洪水位分别为13620M和12363M，根据宽顶堰流公式，由20年、50年一遇洪峰流量算出堰上起推水位为20年一遇洪水位13810M，50年一遇洪水位1384M。HECRAS建模。在几何模型中输入河道桩号，断面起点距、高程，断面间滩距、槽距和糙率2。此工程中由三条河道构成水系，需要在交汇处建立连接点，并设定该点与各河道相邻控制断面的距离，需要注意的是此距离应控制在50M左右，距离过远则水面线误差较大，距离太近则产生水面线错位，造成人为的不连续现象。跨河桥的模拟根据桥型的不同，采用以下两种方式桥梁为单跨的和多跨，在河道几何模型中的桥梁上下游各建立1处断面，输入水力要素，并根据桥梁压缩河道的程度，在断面窗口输入收缩与扩散系数；桥梁由多跨组成的，在HECRAS桥梁模块中单独建模，选择桥墩形式，输入桥墩、6/7桥面结构尺寸，设置堰流系数，在桥上下游10M的断面处设置无效流动区，在边墩处建立三角单元模拟翼墙，保证各单元的模拟切合实际。河道上现有2座小型水库，并规划新建多座橡胶坝、艺JP1术堰，水工建筑物模拟的精度决定了水面线的准确性。在HECRAS中，对于水库、橡胶坝、艺术堰的建模由专用模块进行操作，橡胶坝、艺术堰在泄洪时可简化处理为相同或相似的堰型，如宽顶堰、实用堰，其中包括堰宽、堰高、堰流系数等参数，堰流系数需要根据水位特征、堰体结构进行调整，不易操作。在此工程中，由于天然河道纵坡较陡，考虑蓄水水面的连续性，绝大部分堰坝下游设置了跌水，深2M不等，加上艺术堰高1M，堰上、下落差达4M，为自由出流，可以在河道断面窗口输入时，建立4处控制断面，分别是堰前、堰上前端、堰上后端、堰下断面，并按实际尺寸输入堰顶宽度。这样在水面线求解时可避免堰流系数的频繁调整，增强了软件的实用性。水库溢洪道和跌水型橡胶坝的模拟方法与艺术堰相同，无底坎橡胶坝的模拟与单跨桥一致。洪水因子输入。3条河道设计防洪标准不同，洪峰流量需要按20年和50年分别输入，由于南河、小河子河治理段较长，汇水面积大，除输入治理末端流量外，需要在中途控制点处加7/7入区间汇入流量。成果分析工程设计方案兼顾行洪要求和景观美化。由于河道常年淤积，行洪能力不足，采取挖深、调坡的手段，保证蓄水面的连续，两岸坡塑造自然微地形，减少筑堤，景观通透，视野开阔，但建筑物比较密集，形成较高壅水，因此在建筑物两侧的一定范围内筑堤，防止洪水漫溢；距离艺术堰较远的河道流速超过M/S，工程范围内地质条件较差