基于HEC-RAS軟件的山區(qū)河道水面線計(jì)算研究

淡倉(cāng) 吳歐俁 王春明

摘 要：中小河流治理項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工作是河道水面線推求。對(duì)于山區(qū)底坡較陡的河道和多跨河建筑物河道，常采用HEC-RAS軟件進(jìn)行水面線推求。通過(guò)對(duì)實(shí)際工程水面線推求過(guò)程的應(yīng)用分析，介紹山區(qū)天然河道水面線推求的方法，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)得出了治理河段不滿足防洪要求的結(jié)論，同時(shí)提出了軟件使用的幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：HEC-RAS;河道治理;水面線

中圖分類號(hào)：TV122文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）16-0068-03

Abstract： The basic work of design planning of Middle-size and small-scale river regulation is to determine the water surface profile. The software of HEC-RAS is often used to infer the water surface profile for river courses with steep bottom slope and many cross-river buildings in mountainous areas. Based on the application analysis of the water surface profile in practical engineering， The article details the method of the water surface profile in natural river course in mountainous area， and according to the calculation results and practical application experience， puts forward the conclusion that the treated river reach does not meet the flood control requirements and some suggestions on the application of software.

Keywords： HEC-RAS;river regulation;water surface profile

河道水面線推求是中小河流治理項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)最主要的內(nèi)容，直接影響工程的規(guī)模和治理措施的制定。目前，推求河（渠）道水面線常用的方法有謝才公式法、一維能量方程法以及一維圣維南方程法等。通常采用的計(jì)算軟件有MIKE11軟件、SOBEK-RURAL軟件以及HEC-RAS軟件等。對(duì)于底坡較陡的山區(qū)河道，多采用HEC-RAS軟件進(jìn)行推求[1-2]。

1 HEC-RAS軟件簡(jiǎn)介

USACE開(kāi)發(fā)的HEC-RAS軟件可直接計(jì)算并生成河道各橫斷面、縱斷面的水面線圖形以及河道三維水面透視圖等分析圖表，給水面線推求帶來(lái)了極大便利[3-4]。運(yùn)用HEC-RAS軟件進(jìn)行天然河道水面線推求主要包括5個(gè)步驟，即新建工程項(xiàng)目、輸入河網(wǎng)幾何資料、設(shè)定流量及邊界水位、執(zhí)行程序計(jì)算水面線以及查看導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果。

1.1 新建工程項(xiàng)目

①選擇主菜單“Options”→“Unit system”，在彈出界面修改單位系統(tǒng)為國(guó)際單位（Metric）系統(tǒng);②選擇主菜單“File”→“New Project”，在彈出界面新建工程項(xiàng)目。

1.2 輸入河網(wǎng)幾何資料

①選擇主菜單“Edit”→“Geometric Data”，調(diào)出幾何資料輸入窗口;②添加背景圖片描繪河網(wǎng)并給各河段命名;③輸入或者導(dǎo)入GIS、HEC、MIKE、CSV或GML等格式的橫斷面數(shù)據(jù)，橫斷面數(shù)據(jù)包括斷面特征點(diǎn)的坐標(biāo)值、左右岸河灘及河槽距離下游斷面的距離、左右岸河灘及河槽所采用的糙率值、左右岸河灘和河槽的分界點(diǎn)里程以及斷面擴(kuò)散和收縮系數(shù);④選擇匯流點(diǎn)計(jì)算方式（能量法和動(dòng)量法），并輸入相應(yīng)的幾何參數(shù);⑤輸入跨河建筑物（橋梁、涵洞等）的幾何參數(shù);⑥設(shè)置斷面阻水區(qū)和水流無(wú)效區(qū)域;⑦點(diǎn)擊幾何資料輸入窗口菜單“File”→“Save Geometric Data”，保存創(chuàng)建的幾何數(shù)據(jù)。

1.3 設(shè)定流量及邊界水位

①選擇主菜單“Edit”→“Steady Flow Data”，調(diào)出恒定流數(shù)據(jù)輸入窗口;②設(shè)定計(jì)算工況數(shù)量;③輸入不同工況各河段控制斷面所對(duì)應(yīng)的流量數(shù)值;④點(diǎn)擊“Reach Boundary Conditions”按鈕，調(diào)出恒定流邊界條件輸入界面;⑤根據(jù)河道水流流態(tài)，輸入各河段上下游邊界起推水位;⑥點(diǎn)擊“Apply Data”按鈕，保存流量與邊界條件數(shù)據(jù)。

1.4 執(zhí)行程序計(jì)算水面線

①選擇主菜單“Run”→“Steady Flow Analysis”，調(diào)出恒定流計(jì)算窗口;②選擇幾何文件和流量文件;③選擇河道流態(tài)（Subcritical、Supercritical、Mixed）;④點(diǎn)擊“Compute”按鈕進(jìn)行水面線計(jì)算。

1.5 查看導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果

①選擇主菜單“View”→“Cross-Sections”，查看河道各橫斷面水位圖;②選擇主菜單“View”→“Water Surface Profiles”，查看各河段縱斷面水面線圖;③選擇主菜單“View”→“X-Y-Z Perspective Plots”，查看河道三維水面透視圖;④選擇主菜單“View”→“Profile Summary Table”，查看河道各橫斷面水力計(jì)算成果表，包含流量、流速、過(guò)流面積、深泓高程以及水位高程等數(shù)據(jù)，待復(fù)制到剪切板后可粘貼到Excel中。

2 工程實(shí)例應(yīng)用分析

2.1 工程概況

X河道位于云南省西北部，為金沙江一級(jí)支流，全長(zhǎng)68.9 km，平均比降10.0‰，集水面積1 238 km2。河道防洪工程建設(shè)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始至今，斷斷續(xù)續(xù)進(jìn)行，尚未形成完整的防洪體系。本次治理河段為三級(jí)水電站至四級(jí)水電站取水壩之間的河段，治理段總長(zhǎng)2.833 km。治理河段內(nèi)有6座道路橋和1座取水壩。根據(jù)實(shí)測(cè)的1∶1 000帶狀地形圖和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查，本次治理河段兩岸大部分天然河堤采用人工種樹(shù)的方式進(jìn)行加固，河道基本被穩(wěn)定在現(xiàn)狀河岸線范圍內(nèi)?，F(xiàn)狀河槽寬40～45 m，局部寬度達(dá)到55～60 m。

2.2 河網(wǎng)模型創(chuàng)建

2.2.1 河網(wǎng)幾何資料輸入。河網(wǎng)幾何資料的輸入是HEC-RAS模型創(chuàng)建過(guò)程中工作量最大的環(huán)節(jié)，主要任務(wù)是在橫斷面數(shù)據(jù)輸入窗口創(chuàng)建河網(wǎng)，輸入橫斷面數(shù)據(jù)和橋梁幾何數(shù)據(jù)。由于橫斷面數(shù)量較多，因此可先在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）測(cè)量圖中將橫斷面數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel，然后另存為CSV格式文件，再批量導(dǎo)入HEC-RAS軟件。如果測(cè)量精度足夠高，則可將測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Civil 3D軟件生成地形曲面，然后利用軟件中的“路線創(chuàng)建”與“采樣線”等命令創(chuàng)建河道中心線與橫斷面，最后直接將河網(wǎng)信息導(dǎo)出為HEC-RAS軟件可以識(shí)別的GIS格式文件。需要注意，須對(duì)調(diào)導(dǎo)出數(shù)據(jù)的左右岸位置，才可用于軟件計(jì)算[5]。

治理河段間隔100 m布設(shè)一個(gè)橫斷面，遇跨河建筑物處橫斷面間距適當(dāng)加密，共布設(shè)40個(gè)橫斷面。所有測(cè)量橫斷面數(shù)據(jù)先通過(guò)CAD二次開(kāi)發(fā)軟件（ZDM、遠(yuǎn)盛水工等）批量導(dǎo)出到Excel，然后另存為CSV格式文件，再批量導(dǎo)入HEC-RAS軟件，從而節(jié)省了大量建模時(shí)間。橫斷面其他參數(shù)（糙率、斷面間長(zhǎng)度、收縮擴(kuò)散系數(shù)以及河灘分界點(diǎn)位置）均可在幾何資料輸入窗口的“Tables”菜單下調(diào)出相應(yīng)參數(shù)表格，批量進(jìn)行添加和修改。

橋梁幾何參數(shù)在橋涵資料編輯窗口（Bridge Culvert Data）進(jìn)行輸入，主要輸入橋梁的樁號(hào)、橋面板的寬度、橋面板上下游的幾何形狀參數(shù)、橋墩個(gè)數(shù)、橋墩上游端和下游端的坐標(biāo)位置以及上游端和下游端的幾何形狀參數(shù)。本項(xiàng)目1#～5#道路橋?yàn)榛炷辆匦螛蛄海?#橋?yàn)闈{砌石拱橋。幾何資料編輯完成后的河網(wǎng)平面見(jiàn)圖1。

2.2.2 計(jì)算參數(shù)選取。影響河道水面線精度的參數(shù)有收縮擴(kuò)散系數(shù)和河道糙率，其中河道糙率的取值對(duì)水面線結(jié)果的影響非常大，因此一定要慎重取值。本項(xiàng)目河道橫斷面擴(kuò)散系數(shù)為0.3，收縮系數(shù)為0.1。河道糙率首先根據(jù)治理河段下游水文站實(shí)測(cè)水位-流量率確定，然后參考河道已治理河段的糙率取值，查閱水力學(xué)手冊(cè)等資料后，綜合確定治理河段河槽糙率為0.04、河灘地糙率為0.05。

2.3 設(shè)計(jì)流量及邊界條件

2.3.1 設(shè)計(jì)洪峰流量。治理河段防洪標(biāo)準(zhǔn)十年一遇，各防洪控制斷面洪峰流量見(jiàn)表1[6]。

2.3.2 起推斷面及起推水位。治理河段末端為河道四級(jí)水電站取水堰，堰型為折線堰，堰寬35 m。此處水流流態(tài)由緩流突變?yōu)榧绷鳎士梢耘袛啻藬嗝鏋槠鹫{(diào)斷面，可采用折線堰流量計(jì)算公式計(jì)算起推水位。

2.4 水面線計(jì)算結(jié)果

將河道幾何資料、控制斷面設(shè)計(jì)流量及起推水位輸入軟件，即可進(jìn)行水面線的計(jì)算。本項(xiàng)目采用緩流流態(tài)進(jìn)行計(jì)算，軟件可一次計(jì)算多種頻率洪水對(duì)應(yīng)的水面線，部分計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

3 結(jié)語(yǔ)

從河道水面線計(jì)算成果可以看出，所治理的河段不滿足十年一遇洪水的標(biāo)準(zhǔn)，急需新建堤防使河道防洪能力達(dá)到治理要求。HEC-RAS軟件計(jì)算天然河道水面線非常實(shí)用，特別是對(duì)于山區(qū)陡坡河道急流斷面，用臨界水深替代計(jì)算水深，可避免能量方程發(fā)生計(jì)算不收斂的情況，且計(jì)算結(jié)果稍大，有利于維護(hù)工程安全。HEC-RAS軟件建模時(shí)，河道幾何資料輸入較煩瑣，但采取批量導(dǎo)入橫斷面數(shù)據(jù)的方法可減少大量建模時(shí)間。對(duì)于橫斷面形狀和底坡變化不大的河道，可適當(dāng)擴(kuò)大測(cè)量橫斷面的間距。如果河灘地較緩，為防止水面線超出測(cè)量橫斷面邊界高程，可人為加高橫斷面兩側(cè)點(diǎn)高程，防止軟件計(jì)算出錯(cuò)。起推斷面建議選擇在緩流突變到急流的斷面。如果不存在這樣的斷面，建議選擇在河道治理末段下游1.5～3.0 km處。此外，底坡取大值，以有效消除明渠均勻流公式反算起推水位時(shí)由于底坡取值誤差對(duì)治理段水面線產(chǎn)生的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉洋.幾種水面線推算方法的比較[J].人民黃河，2011（2）：51-53.

[2]王森，趙新益，黃爾.基于DEM和HEC-GeoRAS軟件的洪水模擬[J].人民黃河，2017（5）：41-44.

[3]US Army Corps of Engineers Hydrologic Engineering Center.HEC-RAS river analysis system hydraulic reference manual version 5.0[Z].2016.

[4]US Army Corps of Engineers Hydrologic Engineering Center.HEC-RAS river analysis system user's manual version 5.0[Z].2016.

[5]黃海龍.基于Civil 3D與HEC-RAS的快速水面線計(jì)算方法[J].低碳世界，2017（23）：51-53.

[6]徐詠久，閆悅玲.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》GB 50201—94經(jīng)建設(shè)部批準(zhǔn)發(fā)布施行[J].水利水電標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，1995（2）：44-45.