HEC-RAS和Hydrolab在罗定市供水工程中的应用

李佩怡 张先毅 广东省水利电力勘测设计研究院有限公司

1.引言

水面线推算在水利工程设计中是一项非常重要的基础工作，水面线推算具有独特性和时效性，每个水利工程项目都需要利用最新的河道测量数据行进水面线推算。在社会生产和生活中，在河道范围内建坝、拦闸、修建桥梁、新建码头等会使河道过水断面缩窄，造成壅水[1]；非法挖砂会造成部分河段河床下切，水位降低；自然状态下发生的河道淤积、冲刷、裁弯取直等都会引起水位在时间和空间上的变化。水面线推算在水利工程中应用广泛，包括防洪工程、排涝工程、农业灌溉设施建设、供水工程、水力发电工程、河道整治工程、堤防修建工程等。水面线计算方法包括试算法、分段求和法、控制曲线法、抗阻模数曲线法、断面特性法、考虑流速水头项及局部损失项时的图解法（非棱柱形河槽时）、简易近似法[2]，常用软件有MIKE11、HEC-RAS[3]、Hydrolab等。本工程为供水工程，从西江取水输送至罗定市区，管线以沉管形式跨越罗定江，需要计算管线跨河断面的水位，为两岸施工建筑物的防洪保护提供数据支撑，由于下游水位的顶托影响，跨河断面的水位不能仅根据断面水位流量关系进行计算，需要进行水面线推算，本次采用HEC-RAS和Hydrolab软件分别进行计算分析。

2.研究方法

2.1 HEC-RAS软件

HEC-RAS美国工程兵团河流分析系统软件由美国陆军兵团水资源研究所水文工程中心（HEC）开发，包括恒定流和非恒定流分析、泥沙分析、漫滩侵蚀、桥梁冲刷、河槽演变模拟、稳定河槽设计、模拟冰川覆盖和野外河流冰川阻塞等模块。HEC-RAS一维恒定流计算公式[4]如下：

优点：该软件研发早，应用广，技术成熟，可以进行复杂河网计算，可以设置复杂的水工建筑物如堰、闸、涵洞、拱桥等，不需要分段计算。当水面线出现锯齿情况时，可以通过局部断面参数修正进行优化。可以同时输入和输出多个频率的洪峰流量和计算结果。

缺点：软件为英文界面，对于英文欠佳的初学者来说有点难度。当横断面间距过近时会出现水位陡涨，需要合理删减断面。

2.2 Hydrolab软件

Hydrolab广东水文水利计算软件由广东省水利厅主导开发，包括水文频率计算、河道大断面计算。暴雨洪水设计计算、水库防洪调节、水面线计算、灌溉渠系渠道设计流量计算等水利工作中常用的计算模块，综合性较强，覆盖面广，拥有地域优势。Hydrolab软件中的水面线计算模块[7]，绘制河道水面线的基本方程为伯努利能力方程，原理同HEC-RAS。

优点：软件支持对包含复式断面、河道扩大缩小、桥墩壅水、急转弯等特殊断面的河道水面线计算，输入格式简单明了，与测量数据格式一致，不需要二次处理，结果计算与输出速度快。

缺点：一次只能计算一条单向河流，每次只能输入和输出一个频率的洪峰流量和计算结果，多个频率需要多次新建工程文件进行计算。对于复杂的水工建筑物如拦河坝等，需要分段计算，操作繁琐。

3.案例分析

3.1 区域概况

罗定江为西江一级支流，发源于茂名市信宜市鸡笼山，集雨面积4493km3，全长201km，河床平均坡降0.87‰，总落差174.3m，其中流经罗定市河长81km，罗定市内集雨面积2220.5km2，占总面积的82%[6]。流域内为亚热带季风气候，雨量充沛，气候温和。本工程跨河断面位于罗定江主干流罗定市七和水电站下游约1km处，集雨面积1644km2，断面测量范围自跨河断面下游约12km处的新新水电站起，到跨河断面上游约800m处止，断面间隔300m左右，遇跨河建筑物需加测横纵断面，共51个测量断面，其中6座桥梁，2座拦河闸坝。

3.2 设计洪水

3.2.1 方法选取

根据工程需要，计算跨河断面施工期12～2月2%、5%和10%的设计洪峰流量和洪水位。计算洪峰流量主要有两种方法，分别是暴雨径流法和水文比拟法。根据《广东省暴雨径流查算图表》暴雨推求设计洪水仅适用于集雨面积10～1000km2的流域，故本次采用水文比拟法推求设计洪水。

3.2.2 参证站选择

罗定江干流上设有两个水文站，罗定古榄站和官良站。罗定古榄站位于跨河断面上游约30km处，1958年5月建站，集雨面积为936km2，罗定古榄站与跨河断面之间有2条较大支流汇入，分别为连州河（集雨面积102km2）和泗纶河（集雨面积464km2），水文气象特征基本相似。

官良站位于跨河断面下游约33km处，1958年5月建站，集雨面积为3146km2，官良站与跨河断面之间有3条较大支流汇入，分别为榃滨河（集雨面积307km2）、千官河（集雨面积247km2）和围底河（集雨面积824km2），围底河对罗定江干流的水文影响较大，导致官良站与跨河断面出现丰枯遭遇不一致，故本次采用罗定古榄站进行水文分析。

3.2.3 设计洪水计算

本次收集到罗定古榄站1958-1982年、2005-2019年共40年逐月最大流量资料，由于序列不连续，缺测22年，需利用罗定古榄站的水位数据进行插补延长。收集到罗定古榄站1958-1982年、2005-2019年共40年的洪水要素资料，通过拟合得到水位-流量关系曲线图（见图2），相关系数R2=0.9816，相关性较高，本次收集到罗定古榄站1967～2012年共47年的月最高水位资料，根据其中1983～2004年月最高水位数据反算出对应月份的月最大流量。罗定古榄离下游西江入河口较远，下游附近亦无较大支流汇入，受下游水位反向顶托影响较小，水位能真实反应上游流量变化，故本次采用最高水位反推最大流量是合理的。

图1 分析区域示意图

图2 罗定古榄站水位～流量关系图

表1 罗定古榄设计洪峰流量成果表 单位：m3/s

采用罗定古榄站插补延长后1958-2019年共62年逐月最大流量资料，对全年和施工期洪峰序列进行P-Ⅲ型频率曲线分析。广东省水利厅在进行《广东省洪水调查资料》（第三册）编制时，对罗定江罗定古榄河段进行过历史洪水调查，调查时洪痕明显，精度较可靠。查《中国历史大洪水调查资料汇编》（骆承政主编，国家防汛抗旱总指挥部办公室，水利部水文局，南京水利科学研究院编，2006年），与广东省水利厅调查结果一致。根据历史调查成果，罗定古榄站历史洪峰流量从大到小排序为1907年、1947年、1952年，流量分别为3270m3/s、2550m3/s、2460m3/s，根据1958年～2019年实测系列，实测最大洪峰流量为1860m3/s，发生于1972年，小于1952年调查的2460m3/s，因此，实测系列中无需提取流量作特大值处理。根据罗定江流域历史洪水调查情况及相关文献，罗定江流域考证期自1907年起算，故罗定古榄河段1907年洪水为1907年以来的首位洪水，其重现期为113年。罗定古榄站全年和施工期设计洪水排频结果见表3和图3、图4。

表3 起推断面洪峰流量与水位计算结果表

图3 罗定古榄全年最大洪峰流量频率曲线图

图4 罗定古榄12～2月最大洪峰流量频率曲线图

根据以上计算得到的罗定古榄站不同频率洪峰流量成果，利用洪水搬家公式计算各控制断面洪峰流量，公式如下：

式中Q设为设计站洪峰流量或洪水总量；Q参为参证站洪峰流量或洪水总量；F设为设计站流域面积；F参为参证站流域面积；n为指数[5]。

罗定江各控制断面施工期设计洪水成果见表2。

表2 罗定江控制断面施工期设计洪水成果表 单位：m3/s

3.3 起推水位计算

本工程选取新新水电站作为测量起点，以新新水电站上游约300m处的深芩高速桥下的河道作为水面线推算的起点，新新水电站的坝前水位作为起推水位。位于罗定江右岔河道的新新水电站与位于罗定江左岔河道的双东拦河闸为联合调度关系，枯水期调度运行实施方案如下：

（1）枯水期（10月～次年3月），电站正常蓄水位按39.658m（国家85高程，下同）运行。

（2）当入库流量小于或等于电站最大过机流量112m3/s时，拦河闸门全部关闭，入库水量全部用于发电及通航。

（3）当入库流量大于112m3/s而小于或等于295m3/s时，坝前仍维持39.658m运行，除112m3/s通过机组发电下泄外，其余水量开启拦河闸下泄。

（4）当入库流量大于295m3/s时，坝前水位降至38.158m运行。

根据电站的水位～流量曲线（见图5）插值，结合新新水电站的运行调度原则，得出起推断面施工期不同频率洪峰对应的水位，结果如图5。

图5 双东水电站坝上水位～流量关系曲线图

3.4 水面线推算结果

本工程测量段部分河段建有堤防工程，防洪标准为50年一遇[6]，底坡尚均匀，但河段不够顺直，弯曲段较多，综合考虑后糙率n取0.035，模型计算水面线结果见图6，由此可得出跨河断面施工期不同频率洪峰流量对应的水位，见表4。Hydrolab计算的水面线整体比HEC-RAS高0.11m，在突变点废弃水电站断面处，坝址上下游施工期50 年一遇、20年一遇、10年一遇洪水位差Hydrolab分别为0.54m、1.03m、1.49m，HEC-RAS分别为0.44m、0.87m、1.31m，HEC-RAS的计算结果水位过渡更加平顺，这是由于HEC-RAS增加了对急流的计算[8]，使计算更加合理，而Hydrolab未考虑急流计算造成水位陡涨。突变断面下游段Hydrolab的水位比HECRAS平均高0.06m、0.04m、0.02m，突变断面上游段Hydrolab的水位比HEC-RAS平均高0.19m、0.22m、0.24m。由此可见，跨河断面两种方法的结果差异主要是由该突变断面引起，跨河断面洪水位Hydrolab比HEC-RAS高0.19m、0.2m、0.21m，从工程安全角度考虑，推荐采用Hydrolab的计算结果。

表4 跨河断面施工期不同频率洪峰流量和水位

图6 施工期不同频率水面线推算结果

3.5 合理性分析

3.5.1 基础数据合理性分析

本次水面线推算采用最新的DE M数据和水文站长序列历史实测数据，罗定古榄水文站离跨河断面较近，且位于同一主干流上，中间无较大支流汇入，下垫面相似，丰枯遭遇相似，水文气象特征相似，水文序列选取合理。水面线起推建筑物为新新水电站，运行水位稳定，水位～流量关系曲线数据为电站实测所得，来源可靠。各河道测量断面间距300m左右，在支流汇入处及河道突变处增设测量断面，有拦河、跨河建筑物增测剖面，由专业的测量公司测量，测量数据科学可靠。计算河段长约13km，满足水力计算稳定需要的长度。

3.5.2 结果合理性分析

本次推算的水面线曲线趋势平稳上升，与河床整体上升趋势一致，在桩号8+284处水面线出现突变，这是由此处一废弃水电站引起（横截面见图7），该废弃水电站主要建筑物已拆除，水下建筑物仅剩拦水坝体未拆除，坝体占河道约一半的宽度，洪水来临时壅水造成水位抬高。虽地方部门回应，到本工程建设前，该废弃水电站能完全拆除，但从工程最不利工况考虑，本次计算仍保留该废弃水电站断面。

图7 废弃水电站断面横截面示意图

本工程跨河断面横截面示意图见图8，本次计算施工期不同频率洪水对应水位均未超过防洪堤坝，未对两岸农田和人民生命财产安全造成影响。本工程使用沉管方法跨越罗定江，施工围堰堰顶高程需高于施工期洪水位，施工技术和成本符合项目要求，计算成果合理。

图8 跨河断面横截面示意图

4.结语

本次计算跨河断面洪水位Hydrolab 比HEC-RAS 平均高0.19m～0.21m，洪峰流量越小差值越大，对于阻水作用较小的普通桥梁断面，两者计算差异较小。若计算断面为简单断面的工程，推荐使用Hydrolab进行计算，若计算断面有复杂水工建筑物或者坡降较大的山区河流，缓流变急流，推荐使用HEC-RAS进行计算，结果更加稳定合理。