Civil 3D和HEC-RAS在河道模型建立與水面線計算中的應(yīng)用

張榮上

（廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510610）

河道水面線計算是河道治理工程的重要內(nèi)容，水面線計算成果是方案設(shè)計的前提，用以指導(dǎo)水工建筑物、河道堤防等的設(shè)計[1]。目前常用的水面線計算軟件包括MIKE、HEC-RAS、FLUENT 等，在河渠水面線推求方面，HEC-RAS 河流分析系統(tǒng)以其通用性強、操作簡便和應(yīng)用范圍廣等的特點，已成為水力分析和水面線計算的一個標準模型[2]。

對于簡單的河道或者長度較短的河道，HECRAS模型的建立比較簡單，通過手動輸入斷面參數(shù)可以快速建模。然而，對于天然河道和復(fù)雜人工渠道，斷面極不規(guī)則，選取斷面數(shù)量較大，依靠手工讀取各斷面信息（斷面位置、斷面點坐標等）并輸入程序中進行河道建模，效率很低且容易出錯，同時，若需對渠道不同開挖和修改方案進行對比分析時，建模工作量更是巨大[3]。

本文以海豐縣大湖水治理工程為例，介紹Civil 3D 和HEC-RAS 相結(jié)合的河道模型建立和水面線計算方法。

1 工程概況

海豐縣位于廣東省東南部，屬汕尾市管轄。全縣總面積1750 km2，境內(nèi)西北群峰林立，中部平原連片，東南綿布臺地、丘陵，從西北至東南呈馬鞍地勢，地形復(fù)雜。

大湖水發(fā)源于大湖鎮(zhèn)城埔山，自西向東流經(jīng)大德、埔羌箖、洪厝園3 個自然村，經(jīng)港仔水閘流入東溪入海，根據(jù)地形圖進行流域劃分，總流域面積約11.10 km2，河長約6.00 km，平均坡降0.0 388%。河道治理河長3.54 km，清淤3.54 km，護岸2.80 km。測量河道長度4.30 km，測量斷面間距20 m，測量斷面?zhèn)€數(shù)215個，測量高程采用1985國家高程基準。

大湖干流段河道兩岸多為天然岸坡，岸頂為農(nóng)田、居民點較分散，果林、岸坡均無護岸，根據(jù)《廣東省山區(qū)中小河流治理工程設(shè)計指南意見》設(shè)計理念和治理原則，本次設(shè)計綜合考慮，大湖治理標準為2年一遇洪水。

2 Civil 3D三維模型的建立

2.1 測量數(shù)據(jù)前處理

根據(jù)本人的工作經(jīng)驗，從測量人員手中拿到的測量資料一般分兩種情況，第一種情況是，測量數(shù)據(jù)為*.dat的原始文件和dwg測量圖；第二種情況是測量數(shù)據(jù)僅有*.dwg 測量圖形，而沒有*.dat 文件。以下就兩種文件的前處理做一個簡單的介紹。

第一種情況。當我們獲得的工程原始測量數(shù)據(jù)是以編號和斷面編號為前綴的帶坐標和高程的*.dat 格式文件時，需要對原始測量數(shù)據(jù)進行處理，把*.dat格式文件轉(zhuǎn)換為Civil 3D軟件識別的*.txt格式文件，并且需要把逗號替換為空格符號，處理成果見圖1。

圖1 測量點文件格式轉(zhuǎn)換

第二種情況。當我們獲得的測量數(shù)據(jù)為*.dwg文件時，有兩種方法來轉(zhuǎn)化*.dwg 文件。兩種處理方法分別簡述如下:

（1）借助第三方軟件“ZDM CAD 輔助設(shè)計軟件”的“輸出高程數(shù)據(jù)”命令（見圖2），把地形測量圖輸出為*.txt 文件，輸出后的數(shù)據(jù)文件可以直接用于Civil 3D數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

圖2 ZDM轉(zhuǎn)化測量圖

（2）利用Civil 3D 軟件中國本地化包（Civil 3D Country Kit –中國）自帶的“轉(zhuǎn)換文本”功能，直接把測量數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為Civil 3D 點對象，該對象具有編號、高程、坐標等信息，可用于三維地形曲面的創(chuàng)建。

2.2 生成地形曲面

轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)文件僅保留了X，Y，Z坐標格式，是Civil 3D 所需要的數(shù)據(jù)文件格式，利用軟件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能，快速生成河道地形三維模型（見圖3）。

2.3 河道中心線和采樣線的創(chuàng)建

由于HEC-RAS 支持的中心線類型為多段折線，線路中不能出現(xiàn)弧線，因此在河道模型生成時，采用無圓弧段的河道中心線。點選Civil 3D“路線”→“從對象創(chuàng)建路線”工具，創(chuàng)建河道中心線，為了滿足HEC-RAS的使用，路線起始點為河道下游，樁號遞增方向為上游，終點為河道上游。使用采樣線創(chuàng)建工具，點選河道中心線，創(chuàng)建采樣線編組，此處的采樣線即為水面線計算的剖切斷面。

圖3 河道地形三維模型

2.4 計算模型導(dǎo)入HEC-RAS

點擊Civil 3D“導(dǎo)出到HEC-RAS”命令，將創(chuàng)建好的河道模型導(dǎo)出為“*.geo”文件格式。點擊“導(dǎo)出到HEC RAS”命令，將河道中心線和河道斷面線導(dǎo)出為HRC-RAS識別的gis數(shù)據(jù)格式。

由于HEC-RAS 的河道斷面方向為從左到右，Civil 3D創(chuàng)建的河道斷面方向為從右到左。兩者的區(qū)別見圖4和圖5，可見Civil 3D導(dǎo)出的數(shù)據(jù)不能直接用于水面線計算。 下面用“ReverseCiv?il3DHECRASgeoFile_r2.xls”插件（見圖6），將“*.geo”轉(zhuǎn)換為“*_rv.geo”格式文件，調(diào)整水流方向和批量調(diào)整斷面方向。

圖4 HEC-RAS 河道模型

圖5 Civil 3D河道模型

圖6 模型轉(zhuǎn)化插件

2.5 HEC-RAS河道模型的創(chuàng)建

以上文件轉(zhuǎn)換完畢，便可利用“Geometric Date”導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件直接創(chuàng)建河道模型。本工程建立的河道模型見圖7。河道模型創(chuàng)建完畢，便可以輸入沿程跨河、攔河建筑物，在HEC-RAS中進一步細化模型。

圖7 HEC-RAS平面河道模型

2.6 邊界條件的輸入及水面線計算

2.6.1 跨河建筑物

根據(jù)測量資料和沿線調(diào)查，本工程治理段河道阻水建筑物主要包括水陂8座，跨河橋梁4座，水陂工程統(tǒng)計見表1，跨河橋梁統(tǒng)計見表2。

表1 大湖水沿線水陂統(tǒng)計表

表2 大湖水沿線橋梁統(tǒng)計表

2.6.2 河床糙率確定

糙率是河道阻力的綜合反映，它直接影響水面線的計算結(jié)果。河道糙率參考《水力計算手冊（第二版）》（中國水利水電出版社，2006 年），并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查確定糙率。

本工程為“小河”（汛期最大寬度30 m），地區(qū)為“山區(qū)河流”，河底“礫石、卵石”[4]。由于工程前天然河床多卵石，工程后河床護岸仍然采用生態(tài)護岸，河床材料仍然保持為砂卵石，但是工程后河道經(jīng)過清淤、清障，河底平順，糙率會有所降低。因此，河道整治前河床糙率取河道糙率取值0.04。

2.6.3 起推水位確定

起推水位是水面線計算的重要邊界條件，本工程所在河流位于汕尾市，靠近海邊，為感潮河流，國家海洋局南海分局在汕尾設(shè)立了汕尾海洋潮位站，有1970 年以來的歷年潮位觀測資料，資料可靠，可作為設(shè)計依據(jù)站。

根據(jù)《廣東省海堤工程設(shè)計導(dǎo)則（試行）》，汕尾潮位站設(shè)計年最高潮（水）位成果見表3，汕尾潮位站多年平均高潮（水）位、多年平均低潮（水）位分別為0.934、0.014 m。該站歷史最高潮水位2.554 m歷史最低潮水位-0.816 m。大湖水2年一遇洪水遭遇2.554 m最高潮位的可能性不大，遭遇多年平均高潮位的可能性更大一些，因此，本次設(shè)計考慮大湖水2年一遇洪水遭遇多年平均高潮位0.934 m。

表3 汕尾潮位站設(shè)計年最高潮（水）位成果表

2.6.4 設(shè)計洪水

設(shè)計洪水采用水文章節(jié)計算成果，根據(jù)各個支流匯入節(jié)點，分別輸入設(shè)計洪水作為洪水計算邊界條件。洪水計算成果見表4，邊界條件輸入見圖8。

表4 大湖水各節(jié)點設(shè)計洪水計算成果表

圖8 大湖水水面線計算流量數(shù)據(jù)

2.6.5 水面線計算

根據(jù)HEC-RAS 使用手冊可知，該軟件對恒定流水面線推求基于一維能量方程，對非恒定流水面線推求基于一維連續(xù)性方程和動量方程[1]。模型和計算邊界條件準備就緒以后，便可以進行穩(wěn)定流計算水面線。大湖水面線縱剖面圖見圖9，水面線計算三維鳥瞰圖見圖10。

海豐縣大湖治理工程共有測量斷面215 個，采用Civil 3D與HEC-RAS相結(jié)合的水面線計算方法，快速準確的建立河道模型并推求水面線。水面線計算成果經(jīng)過專家評審論證，達到《水利水電工程初步設(shè)計報告編制規(guī)程》（SL619-2013）要求的深度和精度。

圖9 水面線縱剖面圖

圖10 水面線計算三維鳥瞰圖

3 結(jié)語

本文以大湖水天然河道水面線計算為例，介紹了一種Civil 3D 和HEC-RAS 相結(jié)合的水面線計算方法，可以快速便捷地計算復(fù)雜河道、河網(wǎng)水面線，很大程度上提高了水面線計算的效率。相比于傳統(tǒng)的水面線計算建模方法，本方法不僅建模速度快，而且模型更加直觀，模型精度更高，便于檢查模型中的錯誤。

結(jié)合本人的工作經(jīng)驗，Civil 3D 和HEC-RAS 進行模型計算的一些注意事項，總結(jié)如下:

（1）Civil 3D的河道模型與HEC-RAS的河道模型有一定的差異，特別是斷面方向是相反的，因此在“*.geo”數(shù)據(jù)導(dǎo)入HEC-RAS 之前，一定要進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

（2）Civil 3D 生成的“*.geo”數(shù)據(jù)文件中包涵有中文字符“米”，而HEC-RAS是不識別中文字符的，因此需要對“*.geo”文件中的中文字符進行英文替換，可以替換為“m”或“metre”。

（3）在有水文測站的河流，應(yīng)盡對河床糙率進行率定，以提高水面線計算的精度。

（4）Civil3D 默認的左右岸距離都是等距的，對于轉(zhuǎn)彎河道斷面應(yīng)在HEC-RAS中進一步細化。