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(shì)，造成水流變化波動(dòng)較大，無(wú)論是手算還是傳統(tǒng)水面線計(jì)算軟件均無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)推求，給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了很大難度。為解決這一難題，使用HERAS軟件對(duì)河道及水工建筑物進(jìn)展了模擬，在很短時(shí)間內(nèi)可計(jì)算出水面線，通過(guò)可視化操作，精細(xì)理解過(guò)壩、穿橋流態(tài)，為分析、改良設(shè)計(jì)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(jì)

1.1工程規(guī)模及建立標(biāo)準(zhǔn)

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(huì)盟湖〔紅領(lǐng)巾水庫(kù)〕、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(wàn)，根據(jù)?水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)?、?防洪標(biāo)準(zhǔn)?及?城市防洪工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?，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(jí)設(shè)定為3級(jí)，主要建筑物等級(jí)為3級(jí)，牦牛吐河、小河子河堤防等級(jí)為4級(jí)，主要建筑物等級(jí)為4級(jí)。南河防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，牦牛吐河、小河子河防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。

1.2工程布置

南河治理工程起點(diǎn)位于薩日湖上游，完畢于小河子河口，總長(zhǎng)11369k，建造橡膠壩18座、藝術(shù)堰20座。河道設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合總規(guī)和水系規(guī)劃要求，對(duì)縱坡進(jìn)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(hù)，河底采用混凝土和格賓網(wǎng)石籠等防護(hù)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(diǎn)位于豐收水庫(kù)溢洪道出口，完畢于南河口，總長(zhǎng)2336k，共建橡膠壩10座。考慮蓄水要求，對(duì)河道縱坡進(jìn)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(hù)、土工毯防滲。

小河子河治理工程起點(diǎn)位于蘭多鐵路跨河橋，完畢于龍澤湖上游，總長(zhǎng)7751k，新建擋水堰1座。河道設(shè)計(jì)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(hù)、漿砌本文由論文聯(lián)盟.Ll.搜集整理石護(hù)腳，下游兩岸砌筑漿砌石擋墻防護(hù)。[HJ1.98]

2工程應(yīng)用

2.1HERAS簡(jiǎn)介

HERAS是由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開(kāi)發(fā)的水面線計(jì)算軟件，適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定流一維水力計(jì)算，包括洪水調(diào)度分析、河道水面線計(jì)算、涉水建筑物阻水分析、動(dòng)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(qiáng)、操作簡(jiǎn)便，近些年被廣泛應(yīng)用于水利工程的規(guī)劃和設(shè)計(jì)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(jì)思路

HERAS軟件在此工程中用來(lái)推求河道水面線。南河、牦牛吐河、小河子河防洪標(biāo)準(zhǔn)不同，需要按最不利洪水考慮同頻遭遇，計(jì)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(yuǎn)，無(wú)回水影響，可按均勻流推算在2個(gè)洪水頻率下小河子河末端的龍澤湖跌水下游洪水位，通過(guò)堰流公式求得堰上水位作為起推水位，再通過(guò)HERAS軟件完成河道、壅水建筑物建模和控制條件輸入，對(duì)各條河道同時(shí)向上游推算出連續(xù)的洪水水面線。

2.2.2設(shè)計(jì)步驟

〔1〕計(jì)算洪峰流量。

小河子河僅有10年的年最大流量觀測(cè)資料和歷史洪水調(diào)查資料，不能直接用以計(jì)算設(shè)計(jì)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(gè)流域下墊面條件與小河子河流域相差較大，實(shí)測(cè)洪水資料不能作為分析計(jì)算本流域設(shè)計(jì)洪水的根據(jù)，故小河子河治理河段設(shè)計(jì)洪水采用暴雨途徑間接計(jì)算。南河及牦牛吐河上分別設(shè)有紅領(lǐng)巾水庫(kù)及豐收水庫(kù)，兩條河流水庫(kù)下游位置設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí)考慮水庫(kù)的調(diào)蓄作用。

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

通過(guò)計(jì)算，南河50年一遇分段控制點(diǎn)流量為：薩日湖下游1893/s，紅領(lǐng)巾水庫(kù)出庫(kù)6023/s，森林公園出口8263/s；牦牛吐河20年一遇控制點(diǎn)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(diǎn)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(shí)定。

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

計(jì)算起推水位時(shí)，首先按均勻流公式計(jì)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(hào)，斷面起點(diǎn)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(jiàn)圖1圓圈〕建立連接點(diǎn)，并設(shè)定該點(diǎn)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(guò)遠(yuǎn)那么水面線誤差較大，間隔太近那么產(chǎn)生水面線錯(cuò)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(kuò)散系數(shù)〔見(jiàn)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(dú)建?！惨?jiàn)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(wú)效流動(dòng)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(shí)際。

河道上現(xiàn)有2座小型水庫(kù)，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(zhǔn)確性。在HERAS中，對(duì)于水庫(kù)、橡膠壩、藝術(shù)堰的建模由專用模塊進(jìn)展操作，橡膠壩、藝術(shù)堰在泄洪時(shí)可簡(jiǎn)化處理為一樣或相似的堰型，如寬頂堰、實(shí)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(jìn)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(dá)4～7，為自由出流，可以在河道斷面窗口輸入時(shí)，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(shí)際尺寸輸入堰頂寬度。這樣在水面線求解時(shí)可防止堰流系數(shù)的頻繁調(diào)整，增強(qiáng)了軟件的實(shí)用性。水庫(kù)溢洪道和跌水型橡膠壩的模擬方法與藝術(shù)堰一樣，無(wú)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(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)，匯水面積大，除輸入治理末端流量外，需要在中途控制點(diǎn)處參加區(qū)間匯入流量〔見(jiàn)圖4〕。

2.2.3成果分析

工程設(shè)計(jì)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(kāi)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(yuǎn)的河道流速超過(guò)2/s，工程范圍內(nèi)