HEC-RAS軟件在水面線計算中的應用

李文輝,黃一帆

（陜西省寶雞市水利水電規劃勘測設計院，陜西 寶雞 721000）

1 HEC-RAS軟件

1.1 軟件簡介

HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團水文工程中心（Hydrologic Engineering Center，即HEC）開發的河流模擬分析軟件。該軟件可對河流或人工河道進行一維恒定流和非恒定流的水力推演；可計算緩流、急流及混合流等各種流態；還可進行如防洪堤、橋梁、涵洞、堰閘、泵站等涉水建筑物的水面線分析；同時，能夠生成橫斷面形態圖、能量及水位過程曲線、河道三維斷面圖等分析圖表。該軟件操作簡便，適應范圍廣[1]。

1.2 軟件原理

HEC-RAS軟件水面線推求原理主要采用以下方法[2]：

恒定流計算基于一維能量方程，采用直接步進法推求水面線，基本公式如下：

式中：z1、z2為上、下游斷面相應水位；a1、a2為上、下游斷面流速系數，根據相關書籍經驗公式計算；v1、v2為上、下游斷面平均流速；hr、hj為上、下游斷面之間的沿程水頭損失、局部水頭損失；△hv為上、下游斷面的流速水頭之差。

按上式由下游向上游逐段進行設計洪水位推算，即可推求出各斷面的洪水位。

2 HEC-RAS軟件的應用分析

2.1 研究區現狀

渭河眉縣縣城段河床寬度不一，通過現場查勘，此河段南北兩岸大堤已完成修筑，主堤防設防標準為渭河50年一遇，堤距在578～836m之間，本段處于渭惠渠攔河壩下游沖刷段，除兩處灘地夾于河道中間外，水流較為順平，槽窄水深岸高急流，河床河岸多由砂卵石組成，一般坎高2～4m，屬彎曲性河渠，多年來河道處于穩定狀態。

2.2 HEC-RAS計算水面線

（1）設計洪水

表1 洪水成果

（2）控制斷面

實地勘察發現主河道由于河道常年淤積已形成大片灘地，行洪能力有所降低，選取5個最不利斷面[3]，圖1中編號1～40號為渭河眉縣縣城段水面線計算所切斷面。河道寬度一般取兩岸設計大堤之間的寬度，無堤防河段采用兩岸高坎之間的寬度。（3）河道糙率選取

圖1 全段灘區2年、5年和10年淹沒范圍圖

本文河段上游渭河魏家堡水文站實測的洪水比降、糙率統計情況:魏家堡水文站根據流量、水面比降等實測資料計算的河道糙率值一般在0.025～0.034之間，高水時的糙率值穩定在0.033左右。

渭河調查到“2003.8”洪水，發生洪峰流量3000 m3/s，依據河道實測斷面，洪水水位，及河道比降，利用曼寧公式推算河道糙率，再以“2003.8”洪水洪痕作為控制，用“試糙法”率定糙率[4]，并依據河床質組成、河段特征，通過查表初選糙率，最后參考工程段水文站實測洪水糙率、《陜西省渭河全線整治規范及實施方案》中采用的糙率，綜合分析確定工程河段的河道糙率為0.035。同時河道內左岸主流靠岸，右岸灘面較大，為野生蘆葦及荒草，因此對左岸選取糙率為0.045，右岸為0.050。

（4）控制斷面水位～流量關系的確定

以整段灘區整治結尾處的L19+137～R15+360（40號）斷面為起始斷面，以工程區最上游的ZL0+695～ZR0+000（1號）斷面作為推求設計洪水水面線的終止斷面。

起始、終止斷面附近河道順直，斷面穩定，斷面的水位～流量關系可采用曼寧公式分析確定，計算結果見表2。

表2 起始控制斷面水位～流量關系曲線表

（5）水面線計算

根據擬定的堤距、確定的河段糙率、控制斷面的水位～流量關系和實測的橫斷面資料，首先計算各個斷面的水力因素，然后采用前述確定的計算方法，以最下游的實測斷面作為起算斷面，在起算斷面的水位～流量關系曲線上查出相應流量的水位為起算斷面，從下游向上游逐斷面推求各斷面的設計洪水位，并以最上游斷面的水位～流量關系進行校核控制，推求出設計洪水水面線，再將各座大橋的壅水曲線和設計洪水水面線疊加即得考慮橋梁壅水影響后的設計洪水水面線。本段水面線計算依據現場實測橫斷面資料輸入軟件推算，統計了10年一遇、5年一遇和2年一遇不利橫斷面水位圖及洪水水面線計算成果，本文選取5個典型最不利斷面進行對比分析，見圖2~圖6。

圖2 30號斷面10年、5年和2年水位

圖3 21號斷面10年、5年和2年水位圖

圖4 15號斷面10年、5年和2年水位圖

圖5 6號斷面10年、5年和2年水位圖

圖6 2號斷面10年、5年和2年水位圖

2.2 成果對比分析

利用傳統試算法[5]對以上5個典型斷面進行試算并與HECRAS軟件計算結果進行比較分析，具體計算結果見表3。

從表3中可以看出，采用軟件計算出的結果較傳統方法計算出的結果偏大或偏小，但總體趨勢偏大，即軟件計算水面線結果偏高，但總體差值最大為0.24，未超過0.30。

表3 水面線成果比較表

在計算水面線過程中，雖采用HEC-RAS軟件推求，但計算原理一致，且初始斷面的邊界條件計算方法亦是傳統公式法，所以較傳統方法計算結果相類似。但此軟件計算水面線結果偏大原因可能是斷面間距較大和認為讀取高程和推算相關性的原因，導致計算結果偏大。

3 結論

本文通過兩種不同的方法計算渭河眉縣段水面線，并對計算結果進行了對比分析，其結果差異性較小，其中利用HECRAS軟件計算出的結果偏大，鑒于安全性和方便快速的角度分析，軟件計算結果雖與傳統計算結果有差異，但差異并未超過0.30m，而且軟件基本原理也是基于傳統計算的，但更依賴于邊界條件并受推算斷面的相關聯性，最終結論認為建議在實際應用中采用軟件計算。

[1]基于HEC-RAS仿真模型的橋涵加固改造優化研究[J].譚玉新,武永新.水力發電學報.2015(02).

[2]HEC-RAS模型在漢江上游鄖縣尚家河段全新世古洪水流量重建中的應用[J].薛小燕,查小春,黃春長,龐獎勵,劉建芳.長江流域資源與環境,2014(10).

[3]基于HEC-RAS模型的漢江上游庹家洲河段古洪水流量重建研究[J].劉科,查小春,黃春長,龐獎勵,白開霞.干旱區資源與環境.2014(10).

[4]漢江上游鄖縣段黃土-古土壤序列風化成壤特征以及成壤環境演變[J].盧越,查小春,黃春長,龐獎勵,劉建芳,張玉柱.中國沙漠.2014(04).

[5]河道水面線計算方法[J].劉平,閆江鴻,候睿,龔江濱.內蒙古水利.2014（04）.