HECRAS在多倫縣城區(qū)水系及水環(huán)境綜合整治工程中的應(yīng)用

內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟多倫縣城區(qū)水系涉及河道支流多，自然縱坡大，加之工程中建造的蓄水建筑物改變了原自然河道的流勢，造成水流變化波動較大，無論是手算還是傳統(tǒng)水面線計算軟件均無法實現(xiàn)連續(xù)推求，給設(shè)計工作帶來了很大難度。為解決這一難題，使用HERAS軟件對河道及水工建筑物進展了模擬，在很短時間內(nèi)可計算出水面線，通過可視化操作，精細理解過壩、穿橋流態(tài)，為分析、改良設(shè)計缺陷，快速優(yōu)化工程方案提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

1工程設(shè)計

1.1工程規(guī)模及建立標(biāo)準

多倫縣城區(qū)水系及水環(huán)境綜合整治工程內(nèi)容包括小河子河、南河〔小河子河支流〕、牦牛吐河〔南河支流〕防洪綠化工程以及薩日湖、會盟湖〔紅領(lǐng)巾水庫〕、育興湖、鴛鴦湖、那日湖五湖環(huán)境整治工程。

2030年多倫縣規(guī)劃城鎮(zhèn)人口25萬，根據(jù)?水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準?、?防洪標(biāo)準?及?城市防洪工程設(shè)計標(biāo)準?，多倫縣城區(qū)水系及水環(huán)境綜合整治工程等別為Ⅲ等，根據(jù)分區(qū)設(shè)防原那么，南河堤防等級設(shè)定為3級，主要建筑物等級為3級，牦牛吐河、小河子河堤防等級為4級，主要建筑物等級為4級。南河防洪標(biāo)準為50年一遇，牦牛吐河、小河子河防洪標(biāo)準為20年一遇。

1.2工程布置

南河治理工程起點位于薩日湖上游，完畢于小河子河口，總長11369k，建造橡膠壩18座、藝術(shù)堰20座。河道設(shè)計時結(jié)合總規(guī)和水系規(guī)劃要求，對縱坡進展調(diào)整，由現(xiàn)狀的1%調(diào)至0～142。斷面形式為梯形和復(fù)式構(gòu)造，河道底寬25～200，邊坡1∶03～1∶10，岸坡采用漿砌石擋墻、格賓石籠網(wǎng)箱〔墊〕防護，河底采用混凝土和格賓網(wǎng)石籠等防護材料。防滲材料選用土工毯、土工膜等。

牦牛吐河治理工程起點位于豐收水庫溢洪道出口，完畢于南河口，總長2336k，共建橡膠壩10座。考慮蓄水要求，對河道縱坡進展調(diào)整，由41調(diào)至161～1079。斷面為梯形，河底寬90，邊坡1∶3。河底、岸坡采用格賓網(wǎng)石籠防護、土工毯防滲。

小河子河治理工程起點位于蘭多鐵路跨河橋，完畢于龍澤湖上游，總長7751k，新建擋水堰1座。河道設(shè)計縱坡156～186，底寬100～530，上游425k河道迎水坡采用三維土工網(wǎng)墊植草防護、漿砌本文由論文聯(lián)盟.Ll.搜集整理石護腳，下游兩岸砌筑漿砌石擋墻防護。[HJ1.98]

2工程應(yīng)用

2.1HERAS簡介

HERAS是由美國陸軍工程兵團水文工程中心開發(fā)的水面線計算軟件，適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定流一維水力計算，包括洪水調(diào)度分析、河道水面線計算、涉水建筑物阻水分析、動床輸沙模擬、閘門及水泵啟閉模擬、水質(zhì)分析等功能。由于其適用范圍廣、數(shù)據(jù)處理分析才能強、操作簡便，近些年被廣泛應(yīng)用于水利工程的規(guī)劃和設(shè)計中。

HERAS推算河道恒定流水面線基于能量方程[1]：

Z2+Y2+a2V22/2g=Z1+Y1+a1V12/2g+he

[JP+1]式中：Z1、Z2為主河道高程；Y1、Y2為斷面水深；V1、V2為平均流速；a1、a2為流速系數(shù)；g為重力加速度；he為水頭損失。

2.2HERAS應(yīng)用

2.2.1設(shè)計思路

HERAS軟件在此工程中用來推求河道水面線。南河、牦牛吐河、小河子河防洪標(biāo)準不同，需要按最不利洪水考慮同頻遭遇，計算3條河道的20年和50年一遇洪峰流量。由于小河子河縱坡較陡，且治理段間隔下游灤河較遠，無回水影響，可按均勻流推算在2個洪水頻率下小河子河末端的龍澤湖跌水下游洪水位，通過堰流公式求得堰上水位作為起推水位，再通過HERAS軟件完成河道、壅水建筑物建模和控制條件輸入，對各條河道同時向上游推算出連續(xù)的洪水水面線。

2.2.2設(shè)計步驟

〔1〕計算洪峰流量。

小河子河僅有10年的年最大流量觀測資料和歷史洪水調(diào)查資料，不能直接用以計算設(shè)計洪水；鄰近的黑風(fēng)河和吐力根河分別建有白城子水文站和大河口水文站，但這兩個流域下墊面條件與小河子河流域相差較大，實測洪水資料不能作為分析計算本流域設(shè)計洪水的根據(jù)，故小河子河治理河段設(shè)計洪水采用暴雨途徑間接計算。南河及牦牛吐河上分別設(shè)有紅領(lǐng)巾水庫及豐收水庫，兩條河流水庫下游位置設(shè)計洪水計算時考慮水庫的調(diào)蓄作用。

洪峰流量計算方法采用?內(nèi)蒙古自治區(qū)水文手冊?經(jīng)歷公式1、2，南河與牦牛吐河集合口下游控制點洪峰流量計算采用南河末端與牦牛吐河末端洪水過程線相加求得，見圖1。

通過計算，南河50年一遇分段控制點流量為：薩日湖下游1893/s，紅領(lǐng)巾水庫出庫6023/s，森林公園出口8263/s；牦牛吐河20年一遇控制點洪峰流量為：牦牛吐河末端〔與南河集合前〕3893/s，南河與牦牛吐河集合口下游8653/s；小河子河20年一遇控制點洪峰流量為改道S308公路31283/s，南河匯入口上游31433/s，龍澤湖上游33083/s。

〔2〕河道糙率和起推水位確實定。

南河采用格賓網(wǎng)石籠、混凝土底板與漿砌石擋墻防護，糙率選取0025，牦牛吐河采用格賓網(wǎng)石籠防護，糙率取0025，小河子河為土質(zhì)河道，糙率取0025。

計算起推水位時，首先按均勻流公式計算堰下水位，縱坡1/100，糙率0025，斷面為矩形，求得20年與50年一遇洪水位分別為123620和123633，根據(jù)寬頂堰流公式，由20年、50年一遇洪峰流量算出堰上起推水位為20年一遇洪水位123810，50年一遇洪水位123842。

〔3〕HERAS建模。

在幾何模型中輸入河道樁號，斷面起點距、高程，斷面間灘距、槽距和糙率[2]。此工程中由三條河道構(gòu)成水系，需要在交匯處〔見圖1圓圈〕建立連接點，并設(shè)定該點與各河道相鄰控制斷面的間隔，需要注意的是此間隔應(yīng)控制在50左右，間隔過遠那么水面線誤差較大，間隔太近那么產(chǎn)生水面線錯位，造成人為的不連續(xù)現(xiàn)象。

跨河橋的模擬根據(jù)橋型的不同，采用以下兩種方式：橋梁為單跨的和多跨〔柱墩〕，在河道幾何模型中的橋梁上下游各建立1處斷面，輸入水力要素，并根據(jù)橋梁壓縮河道的程度，在斷面窗口輸入收縮與擴散系數(shù)〔見圖2〕；橋梁由多跨〔墻墩、Y型墩、斜交橋〕組成的，在HERAS橋梁模塊中單獨建模〔見圖3〕，選擇橋墩形式，輸入橋墩、橋面構(gòu)造尺寸，設(shè)置堰流系數(shù)，在橋上下游10的斷面處設(shè)置無效流動區(qū)，在邊墩處建立三角單元模擬翼墻，保證各單元的模擬切合實際。

河道上現(xiàn)有2座小型水庫，并規(guī)劃新建多座橡膠壩、藝[JP+1]術(shù)堰，水工建筑物模擬的精度決定了水面線的準確性。在HERAS中，對于水庫、橡膠壩、藝術(shù)堰的建模由專用模塊進展操作，橡膠壩、藝術(shù)堰在泄洪時可簡化處理為一樣或相似的堰型，如寬頂堰、實用堰，其中包括堰寬、堰高、堰流系數(shù)等參數(shù)，堰流系數(shù)需要根據(jù)水位特征、堰體構(gòu)造進展調(diào)整，不易操作。在此工程中，由于天然河道縱坡較陡，考慮蓄水水面的連續(xù)性，絕大局部堰壩下游設(shè)置了跌水，深2～5不等，加上藝術(shù)堰高1～2，堰上、下落差達4～7，為自由出流，可以在河道斷面窗口輸入時，建立4處控制斷面，分別是堰前、堰上前端、堰上后端、堰下斷面，并按實際尺寸輸入堰頂寬度。這樣在水面線求解時可防止堰流系數(shù)的頻繁調(diào)整，增強了軟件的實用性。水庫溢洪道和跌水型橡膠壩的模擬方法與藝術(shù)堰一樣，無底坎橡膠壩的模擬與單跨橋一致。

〔4〕洪水因子輸入。

3條河道設(shè)計防洪標(biāo)準不同，洪峰流量需要按20年和50年分別輸入，由于南河、小河子河治理段較長，匯水面積大，除輸入治理末端流量外，需要在中途控制點處參加區(qū)間匯入流量〔見圖4〕。

2.2.3成果分析

工程設(shè)計方案兼顧行洪要求和景觀美化。由于河道常年淤積，行洪才能缺乏，采取挖深、調(diào)坡的手段，保證蓄水面的連續(xù)，兩岸坡塑造自然微地形，減少筑堤，景觀通透，視野開闊，但建筑物比擬密集，形成較高壅水，因此在建筑物兩側(cè)的一定范圍內(nèi)筑堤，防止洪水漫溢；間隔藝術(shù)堰較遠的河道流速超過2/s，工程范圍內(nèi)