基于HEC-RAS模型的萨莫拉河水位流量关系设计

武金慧,刘　娜

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安　710065)



基于HEC-RAS模型的萨莫拉河水位流量关系设计

武金慧,刘娜

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安710065)

摘要：系统地介绍了美国HEC-RAS模型的计算原理。并以南美洲厄瓜多尔东南部萨莫拉河Monkeys峡谷段河道的建模计算为例，探讨了该河段水位流量关系的基本特征。结果表明：HEC-RAS模型分析计算能力强大，能够适应南美洲峡谷段河道水位流量关系设计要求，加之可视化程度较高，模拟效果较好，便于后期成果提取和应用。在条件允许的情况下采用可靠的实测资料，能够大幅度提高模型的计算精度。

关键词：HEC-RAS;水位;流量;萨莫拉河;临界条件

水位流量关系的确定是水文分析计算的重要内容之一，是几乎所有涉水的水利水电工程设计都需要解决的关键性基础工作[1]，也是保证工程设计安全和经济合理性的重要前提[2]。在规划或预可研阶段，通常将河流假定为均匀流，采用曼宁公式(manning formula)推算实测横断面的水位流量关系。在方案变化或进行比较时，往往由于缺少实测横断面资料，无法进行设计断面的水位流量关系计算。但是采用HEC-RAS模型就能很好地弥补其不足，该模型可推算河段中任意位置断面的水位流量关系。本文通过具体的工程实例，介绍HEC-RAS模型在水位流量关系设计中的应用。

1HEC-RAS模型计算原理

HEC-RAS(The U. S. Army Corps of Engineers' River Analysis System) 是由美国陆军工程师兵团水资源研究所水文中心研发的一种多用途、多用户网络环境中交互使用的,进行一维恒定流、非恒定流以及泥沙输移计算的综合模型[3-5]，包含：恒定流水面线计算、非恒定流模型和活动边界泥沙输移计算3个一维水力分析模块。该模型可以对单个河段, 树枝状河网系统或者环状河网系统进行模拟，并充分考虑了诸如池塘、泵站、桥梁、涵洞、堰、闸门等建筑物的影响, 甚至可以模拟结冰影响[6], 对于河道水力模拟的适用性和可靠性的提高具有显著的效果[7]。HEC-RAS模型进行河道水力模拟分析计算的数学原理阐述如下。

1.1恒定流(Steady Flow)

一维恒定流水面线计算原理基于一维能量方程，逐断面采用直接步进法推求水面线，其计算公式为[8-9]：

(1)

式中：Z1、Z2分别为上、下断面河底高程；Y1、Y2分别为上、下断面水深；V1、V2分别为上、下断面平均流速；a、a2分别为动能修正系数；g为重力加速度；hw为水头损失。

两个断面间的水头损失(hw)包含摩阻水头损失和局部收缩扩散水头损失2部分，其计算公式为：

(2)

流量加权长度采用公式(3)进行计算：

(3)

式中：Llob、Lch、Lrob分别为断面左岸滩地、主河道、右岸滩地距离；Qlob、Qch、Qrob分别为断面左岸滩地、主河道、右岸滩地平均流量。

动能修正系数通过滩地和主槽流量进行计算，其计算公式如下：

(4)

式中：A1为断面总面积；K1为总流量模数；Alob、Ach、Arob分别为左岸滩地、主河道、右岸滩地面积；Klob、Kch、Krob分别为左岸滩地、主河道、右岸滩地流量模数。

摩阻坡度Sf采用公式(5)、(6)计算：

(5)

(6)

式中：Q为河道总流量;A为过水断面面积;R为水力半径;n为曼宁系数。

1.2非恒定流(Unsteady Flow)

非恒定流计算原理基于连续方程和动量方程。其中水流连续方程为[8]：

(7)

式中：Qc为流量;Ac为过水断面面积;t为时间;qf为侧向流量,qf>0为入流,qf<0为分流;Xc为沿流程坐标。

动量方程为：

(8)

式中：g为重力加速度;Sf为摩阻坡度;V为流速。

2模型实例应用

以南美洲厄瓜多尔萨莫拉河上某水电站工程为例，采用HEC-RAS模型对厂址区天然河道不同流量下水面线进行了模拟分析，推求厂址设计断面水位流量关系。

2.1研究河段概况

厂址区河段河床为卵石、块石，两岸有较大的漂石，河段水流急，落差大，河道两岸终年绿树成荫，森林茂密，以稠密的阔叶林和高灌木为主。根据工程设计要求及河道地形、地貌条件，本次共选择8个实测断面，其中厂址上游6个断面，下游1个断面，计算河段总河长826.4 m，高差为15.8 m，比降为19‰。各实测断面布置见图1。

2.2参数及临界条件的确定

(1) 糙率

厂址区河段为典型的山区河流，根据坝址下游水文站实测流量反推的糙率为0.06左右，结合中国天然河道糙率系数表及河段天然状况，糙率取值在0.055～0.06。

(2) 临界条件

该水电站厂址所处河段水流较缓，属于缓流，但个别河段由于河道束窄，过水面积小，水流较快，属于急流，综合以上2种情况，计算时采用混合流(Mixed)。

图1　河道实测断面布置示意图

HEC-RAS模型在临界条件设置中提供了4个选项：Known W.S.(已知各流量水面高程)、Critical Depth(临界水深)、Normal Depth(正常水深，即河流坡度)、Rating Curve(率定曲线)。为了反映临界条件对设计成果的影响，本次计算采用3种临界条件进行分析。

方案1：上游控制条件采用6号断面比降，下游控制条件为临界水深；

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方案2：上游控制条件采用临界水深，下游控制条件为1号断面比降；

方案3：上游控制条件采用6号断面比降，下游控制条件采用1号断面比降。

方案1临界条件确定见图2(方案2、方案3临界条件设置方法与方案1相同，省略)。

图2　方案1临界条件设定图

2.3流量数据的确定

为了绘制设计断面水位流量关系，同时满足设计要求，选取100、300、500、800、1 000、1 300和1 600 m3/s共7个流量。

3结果与分析

根据实测断面资料、确定的参数及临界条件，利用HEC-RAS模型计算得到3种方案下各断面给定流量下的水位、流速、过水面积等参数。厂址断面3种方案下设计成果见表1，方案1计算成果见图3、4。

表1　不同方案下厂址设计断面计算成果表

图3　设计河段纵断面水面线计算成果图

各方案厂址设计断面水位对比见图5。由图5分析可知，3种不同临界条件计算的厂址断面相同流量下的高程非常接近，其中方案2、方案3计算的水位相同，均略低于方案1。说明对于该河段，临界条件对水位流量关系计算成果影响较小。从工程安全角度考虑，最终采用方案1设计成果。

图4　各断面水面线计算成果图

图5　各方案厂址设计断面水位流量关系成果对比图

4结语

HEC-RAS模型在国内外已经得到广泛应用，并收到了良好的效果。模型界面简洁，操作方便，易于建模，能够较好地模拟一维水力模型。但在模拟

计算时需要输入断面资料，确定临界条件。而测量断面资料的准确性，低、中、高水位的流量，水位控制点，水位(文)站实测资料的可靠性等因素直接影响模型计算的精度。因此，在条件允许的情况下尽可能采用可靠的测量资料，以提高模型的模拟精度。

参考文献:

[1]茹建辉.河道水位流量关系曲线和水面线的设计计算[J].广东水利水电，2008,(1)：1-7.

[2]徐俊.探析水位流量关系对水电工程设计的主要影响[J].西北水电，2014,(2)：8-12.

[3]谢加球,侯凯,王艳苹,等.HEC-RAS水文分析软件在水利水电工程中的应用[J].人民珠江，2013,(4)：29-32.

[4]王增亮,陈冬云,胡建平.HEC-RAS软件在松荫溪干流水面曲线分析中的应用[J].浙江水利水电专科学校学报，2005,(3)：23-26.

[5]陆静依，编译.美国"HEC-RAS河流分析系统"简介[J].上海水利，1999,(4)：17.

[6]Brunner G W, Stanford gibson , Goodell C R．HEC-RAS V4.1 User＇s Manual[M].Davis: Hydrologic Engineering Center of US Army Corps of Engineers,2010.

[7]蔡新明,董志勇,张永华.HEC系列水利软件的应用[J].浙江水利科技，2005,142(6):20-23.

[8]US Army Corps of Engineers Institute For Water Resources Hydrologic Engineering Center．HEC-RAS River Analysis System Hydraulic Reference Manual[M].2008.

[9]刘洋,孙晓英,王俊英,等.HEC-RAS 及SOBEK-RURAL软件推算山区天然河道水面线[J].北京水务，2008,(6):34-36.

HEC-RAS Model Based Design of Rating Relation of Samola River

WU Jinhui, LIU Na

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

Abstract:The calculation principle of the U.S HEC-RAS model is introduced systematically in the paper. With the modeling calculation of the river course at Monkeys valley of the Samola River in southeast Ecuador for example, the basic features of the rating relation at this river section are analyzed. The analyzing results show that the HEC-RAS model is outstanding in terms of analysis and calculation. It can satisfy the requirement on design of the rating relation of the river sections at the valleys in south America. Additionally, it is visual strongly and simulates effectively. These allow extraction and application afterward. The measured data can be applied to improve largely the calculation precision of the model provided that certain conditions are available.

Key words:HEC-RAS; stage; discharge; Samola River; critical condition

中图分类号：TV133

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.024

作者简介：武金慧(1984- )，女，甘肃省兰州市人，工程师，主要从事水文水资源研究工作.

收稿日期：2015-06-17

文章编号：1006—2610(2016)01—0092—04