HEC-RAS一維恒定流模型在水面線計算中的應用研究

張沖

摘 要：本文運用HEC-RAS軟件對蜂蜜河明巖水庫段天然條件下20年一遇水面線進行計算，同時采用水面線計算程序SMX對其結(jié)果進行復核對比分析。結(jié)果表明，運用HEC-RAS軟件計算河道水面線，既高效又準確，而且操作方便簡捷，人機界面友好。因此，建議在涉河工程的水面線計算中推廣和使用該軟件。

關鍵詞：HEC-RAS軟件;一維恒定流;水面線;蜂蜜河

中圖分類號：TV133文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）35-0068-03

Abstract： In this paper， the HEC-RAS software was used to calculate the once-in-20-year water surface line of the Mingyan Reservoir section of the Fengmi River， and the water surface line calculation program SMX was used to review and compare the results. The results show that the use of HEC-RAS software to calculate the river water surface line is efficient and accurate， and the operation is simple and convenient， and the man-machine interface is friendly. Therefore， it is recommended to popularize and use this software in the calculation of the water surface line of the river crossing project.

Keywords： HEC-RAS software;one-dimensional constant flow model;water surface line;Fengmi River

由于河流開發(fā)、河道利用及防護的需要，水利水電工程常常在河道中修建大壩、堤防、水閘等水工建構(gòu)筑物，電力、河港、油氣管線等工程不可避免地需要修建跨河、穿河或者臨河的建筑物設施，這些工程的修建將改變河道的天然狀態(tài)，相應地，河流的水動力條件也發(fā)生較大變化。為了確定工程規(guī)模、保證工程運行安全，人們在工程設計中需要對水面線進行計算。水面線計算的常用方法有逐段試算法和簡易近似法等[1]。逐段試算法精度較高，適用性廣，但需要反復試算，計算工作量非常煩瑣，且不適用于急流。簡易計算法常用于水庫回水曲線的快速粗略估算，在對水面線結(jié)果精度要求較高時則不適用。HEC-RAS模型具有便捷性、功能性及可免費使用的優(yōu)勢，并且其能夠模擬緩流、急流及混合流的水面線，因此HEC-RAS模型的各個模塊得到了國內(nèi)外水利工作者的廣泛應用。本文以吉林省圖們江流域的蜂蜜河明巖水庫段為例，研究利用HEC-RAS軟件計算河流水面線的適用性及可靠性。

蜂蜜河為圖們江流域海蘭河左岸的一級支流，流域面積為610 km2，蜂蜜河屬山區(qū)性河流，流域內(nèi)最高山頂為1 571 m。明巖水庫位于蜂蜜河下游，大壩以上控制流域面積531 km2，壩址處多年平均流量為4.68 m3/s。

1 HEC-RAS軟件簡介

HEC-RAS軟件是由美國陸軍工程兵團（US Army Corps of Engineers）工程水文中心（Hydrologic Engineering Center）研發(fā)的一種多用途，可在多用戶網(wǎng)絡環(huán)境中交互使用的河流分析系統(tǒng)（River Analysis System）。HEC-RAS軟件包含了四個水動力模塊：恒定流水面線計算;一維、二維非恒定流數(shù)值模擬;泥沙輸移模擬;溫度或其他組分的擴散數(shù)值模擬。該軟件的最新版本為5.0.7[2]。HEC-RAS模型可以對單一河段、干支流交匯的河網(wǎng)系統(tǒng)或者環(huán)狀河網(wǎng)系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，并能夠進行各種涉水建筑物（如橋梁、堰、堤防、水庫大壩等）的水面線分析計算，同時可自動快速生成河道橫斷面圖、流量及水位過程曲線等各種圖表，操作簡單快捷，顯著提高了河流水動力數(shù)值模擬的適用性和可靠性[3]。HEC-RAS的擴展模塊HEC-geoRAS可以結(jié)合ARCGIS軟件進行模型的前處理及參數(shù)設定，前處理文件可直接導入HEC-RAS進行計算，對于大范圍的河流水力模擬，操作簡單，方便快捷。

2 模型建立

2.1 計算原理

HEC-RAS水動力軟件進行河道一維恒定流水面線計算的原理基于伯努利方程，逐斷面采用標準步推法（STM）推求水面線，其計算公式如式（1）所示。各部分如圖1所示。

式中，[Z2]、[Z1]分別為上、下斷面河底高程;[Y2]、[Y1]分別為上、下斷面水深;[V2]、[V1]分別為上、下斷面平均流速;[α2]、[α1]分別為動能修正系數(shù);[g]為重力加速度;[he]為水頭損失。

兩個斷面間的水頭損失[he]包括摩阻水頭損失和局部收縮或擴張水頭損失兩部分，其計算公式為：

式中，[L]為按流量加權(quán)的河段長度;[Sf]為摩阻坡度;[C]為斷面擴張或收縮系數(shù)。

流量加權(quán)的河段長度采用如式（3）進行計算：

式中，[Llob]、[Lch]、[Lrob]分別為斷面左岸灘地、主河道、右岸灘地距離;[Qlob]、[Qch]、[Qrob]分別為斷面左岸灘地、主河道、右岸灘地平均流量。

動能修正系數(shù)通過灘地和主槽流量進行計算，其計算公式如下：

式中，[At]為斷面總面積;[kt]為總流量模數(shù);[Alob]、[Ach]、[Arob]分別為左岸灘地、主河道、右岸灘地面積;[Klob]、[Kch]、[Krob]分別為左岸灘地、主河道、右岸灘地流量模數(shù)。

河道總流量的計算公式如式（5）所示，對式（5）進行轉(zhuǎn)化，可以得出摩阻坡度[Sf]。

式中，[Q]為河道總流量;[A]為過水斷面面積;[R]為水力半徑;[n]為曼寧系數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)前處理及模型參數(shù)設置

HEC-RAS軟件是一個綜合性的水力分析軟件包，本次介紹使用的是最新的5.0.7版本，使用者可以以軟件界面為平臺建立水動力模型，進行模型數(shù)據(jù)的前處理、數(shù)據(jù)輸入、模型計算和結(jié)果輸出。利用HEC-RAS軟件解決水面線計算問題的關鍵在于數(shù)學模型的建立，所以計算成果的精確程度主要取決于模型建立的好壞，這就要求設計工作者收集全面準確的斷面數(shù)據(jù)資料，并且謹慎選擇合適的水動力參數(shù)。利用HEC-RAS軟件建立一維恒定流水面線計算模型，主要有下列幾個步驟。

2.2.1 新建一個工程。在軟件首頁新建一個工程，并繪制河系圖，方向從上游到下游，按軟件要求給河道和河段命名，全部用英文字母或數(shù)字編寫并保存。

2.2.2 輸入斷面數(shù)據(jù)。用Excel整理數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換后，可直接將斷面號、斷面間距、斷面各測量點坐標和高程數(shù)據(jù)等輸入HEC-RAS軟件。本次計算共計23個大斷面，其中實測斷面有9個，根據(jù)實測地形補充14個斷面，資料真實準確。

2.2.3 輸入糙率（曼寧系數(shù)[n]）數(shù)據(jù)。HEC-RAS可根據(jù)斷面不同地類設置糙率，或根據(jù)斷面不同水位（水深）設置糙率，本次計算根據(jù)河道特征進行綜合分析類比，選取糙率主河槽0.025、灘地0.035、水塘0.045、旱田0.06、村屯0.07、林地0.15。

2.2.4 輸入水流數(shù)據(jù)和邊界條件。HEC-RAS軟件可同時進行多個不同頻率下的水面線計算，邊界條件可設置為水位、臨界水深、比降，本次計算采用明巖水庫可研報告中的計算成果，即天然條件下20年一遇的流量，下游以相應水位作為邊界條件。

2.2.5 執(zhí)行計算。選擇水面線計算程序進行恒定流分析，本次計算選擇緩流模式進行計算。

2.2.6 成果輸出。HEC-RAS軟件計算的結(jié)果可以以圖、表的形式輸出，并且可以選擇性地輸出需要的水文要素。

3 水面線計算成果對比分析

HEC-RAS計算成果的驗證采用吉林省水利水電勘測設計研究院開發(fā)的水面線計算程序SMX，其原理與逐段試算法類似，該程序在哈達山水利樞紐、松花江治理等大型工程中已應用多次，計算成果可靠。兩種計算程序成果對比如表1所示。

比較表1的兩組水面線數(shù)據(jù)可以看出，HEC-RAS與SMX兩者計算結(jié)果基本一致，準確反映了山區(qū)性河流的水面形態(tài)，說明HEC-RAS軟件成果計算是準確可信的。但是，其中也出現(xiàn)了差值較大的斷面，最大誤差為0.7 m。這是因為HEC-RAS軟件在計算臨界流和急流時，直接用計算河流斷面臨界水深代替了正常水深，在計算緩流時則采用計算水深，保證程序能夠正常運行。根據(jù)水力學計算原理，急流狀態(tài)下的臨界水深大于正常水深，這就導致計算結(jié)果出現(xiàn)偏大的情況。但從工程設計角度來說，計算結(jié)果是偏安全的，對工程有利。

4 結(jié)論

本文采用HEC-RAS軟件建立蜂蜜河一維恒定流計算模型，HEC-RAS軟件計算河道水面線，操作簡便，人機交互友好，可以方便地進行模型數(shù)據(jù)前處理、模型計算、成果的輸出以及不同計算方案的對比。通過與已有成果進行對比可知，HEC-RAS軟件計算結(jié)果精度較高、可靠，計算效率較高，可以在以后的水利工程規(guī)劃設計中推廣和使用該軟件。但是，作為一款集成的免費軟件，原始數(shù)據(jù)的準確、參數(shù)的選取對于其計算結(jié)果至關重要。因此，筆者對使用者提出以下幾點建議：一是要提供準確的河段斷面數(shù)據(jù)及設計流量;二是關鍵參數(shù)諸如河道糙率等的選擇要綜合考慮，必要時可通過水文站實測流量推求;三是計算方法選擇應經(jīng)過充分的比選。

參考文獻：

[1]李煒.水力計算手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2006：1-575.

[2]段文輝，楊同軍，張文兵，等.HEC-RAS二維水流模型在洪評中的應用研究[J].電力勘測設計，2019（1）：63-65.

[3]葉楠，陳永明.利用HEC-RAS軟件計算山洪溝水面線[J].吉林水利，2013（11）：5-8.