HEC-RAS軟件在水面線計(jì)算中的應(yīng)用

李文輝,黃一帆

（陜西省寶雞市水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，陜西 寶雞 721000）

1 HEC-RAS軟件

1.1 軟件簡(jiǎn)介

HEC-RAS是由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心（Hydrologic Engineering Center，即HEC）開(kāi)發(fā)的河流模擬分析軟件。該軟件可對(duì)河流或人工河道進(jìn)行一維恒定流和非恒定流的水力推演；可計(jì)算緩流、急流及混合流等各種流態(tài)；還可進(jìn)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(shí)，能夠生成橫斷面形態(tài)圖、能量及水位過(guò)程曲線、河道三維斷面圖等分析圖表。該軟件操作簡(jiǎn)便，適應(yīng)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(jì)算基于一維能量方程，采用直接步進(jìn)法推求水面線，基本公式如下：

式中：z1、z2為上、下游斷面相應(yīng)水位；a1、a2為上、下游斷面流速系數(shù)，根據(jù)相關(guān)書(shū)籍經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)洪水位推算，即可推求出各斷面的洪水位。

2 HEC-RAS軟件的應(yīng)用分析

2.1 研究區(qū)現(xiàn)狀

渭河眉縣縣城段河床寬度不一，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查勘，此河段南北兩岸大堤已完成修筑，主堤防設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)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?gòu)澢院忧?，多年?lái)河道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 HEC-RAS計(jì)算水面線

（1）設(shè)計(jì)洪水

表1 洪水成果

（2）控制斷面

實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)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(gè)最不利斷面[3]，圖1中編號(hào)1～40號(hào)為渭河眉縣縣城段水面線計(jì)算所切斷面。河道寬度一般取兩岸設(shè)計(jì)大堤之間的寬度，無(wú)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(qū)2年、5年和10年淹沒(méi)范圍圖

本文河段上游渭河魏家堡水文站實(shí)測(cè)的洪水比降、糙率統(tǒng)計(jì)情況:魏家堡水文站根據(jù)流量、水面比降等實(shí)測(cè)資料計(jì)算的河道糙率值一般在0.025～0.034之間，高水時(shí)的糙率值穩(wěn)定在0.033左右。

渭河調(diào)查到“2003.8”洪水，發(fā)生洪峰流量3000 m3/s，依據(jù)河道實(shí)測(cè)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(jù)河床質(zhì)組成、河段特征，通過(guò)查表初選糙率，最后參考工程段水文站實(shí)測(cè)洪水糙率、《陜西省渭河全線整治規(guī)范及實(shí)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(shí)河道內(nèi)左岸主流靠岸，右岸灘面較大，為野生蘆葦及荒草，因此對(duì)左岸選取糙率為0.045，右岸為0.050。

（4）控制斷面水位～流量關(guān)系的確定

以整段灘區(qū)整治結(jié)尾處的L19+137～R15+360（40號(hào)）斷面為起始斷面，以工程區(qū)最上游的ZL0+695～ZR0+000（1號(hào)）斷面作為推求設(shè)計(jì)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(wěn)定，斷面的水位～流量關(guān)系可采用曼寧公式分析確定，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 起始控制斷面水位～流量關(guān)系曲線表

（5）水面線計(jì)算

根據(jù)擬定的堤距、確定的河段糙率、控制斷面的水位～流量關(guān)系和實(shí)測(cè)的橫斷面資料，首先計(jì)算各個(gè)斷面的水力因素，然后采用前述確定的計(jì)算方法，以最下游的實(shí)測(cè)斷面作為起算斷面，在起算斷面的水位～流量關(guān)系曲線上查出相應(yīng)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(shè)計(jì)洪水位，并以最上游斷面的水位～流量關(guān)系進(jìn)行校核控制，推求出設(shè)計(jì)洪水水面線，再將各座大橋的壅水曲線和設(shè)計(jì)洪水水面線疊加即得考慮橋梁壅水影響后的設(shè)計(jì)洪水水面線。本段水面線計(jì)算依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)橫斷面資料輸入軟件推算，統(tǒng)計(jì)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(jì)算成果，本文選取5個(gè)典型最不利斷面進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖2~圖6。

圖2 30號(hào)斷面10年、5年和2年水位

圖3 21號(hào)斷面10年、5年和2年水位圖

圖4 15號(hào)斷面10年、5年和2年水位圖

圖5 6號(hào)斷面10年、5年和2年水位圖

圖6 2號(hào)斷面10年、5年和2年水位圖

2.2 成果對(duì)比分析

利用傳統(tǒng)試算法[5]對(duì)以上5個(gè)典型斷面進(jìn)行試算并與HECRAS軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

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

表3 水面線成果比較表

在計(jì)算水面線過(guò)程中，雖采用HEC-RAS軟件推求，但計(jì)算原理一致，且初始斷面的邊界條件計(jì)算方法亦是傳統(tǒng)公式法，所以較傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果相類(lèi)似。但此軟件計(jì)算水面線結(jié)果偏大原因可能是斷面間距較大和認(rèn)為讀取高程和推算相關(guān)性的原因，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大。

3 結(jié)論

本文通過(guò)兩種不同的方法計(jì)算渭河眉縣段水面線，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，其結(jié)果差異性較小，其中利用HECRAS軟件計(jì)算出的結(jié)果偏大，鑒于安全性和方便快速的角度分析，軟件計(jì)算結(jié)果雖與傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)果有差異，但差異并未超過(guò)0.30m，而且軟件基本原理也是基于傳統(tǒng)計(jì)算的，但更依賴于邊界條件并受推算斷面的相關(guān)聯(lián)性，最終結(jié)論認(rèn)為建議在實(shí)際應(yīng)用中采用軟件計(jì)算。

[1]基于HEC-RAS仿真模型的橋涵加固改造優(yōu)化研究[J].譚玉新,武永新.水力發(fā)電學(xué)報(bào).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(yīng)用[J].薛小燕,查小春,黃春長(zhǎng),龐獎(jiǎng)勵(lì),劉建芳.長(zhǎng)江流域資源與環(huán)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(zhǎng),龐獎(jiǎng)勵(lì),白開(kāi)霞.干旱區(qū)資源與環(huán)境.2014(10).

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

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