基于HEC-RAS软件和公式法两种水面线计算结果对比分析

刘碧波,任宏超,李文辉

（陕西省宝鸡市水利水电规划勘测设计院，陕西 宝鸡 721000）

1 两种方法简介

1.1 HEC-RAS软件简介

HEC-RAS[1]是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的河流模拟分析软件。该软件可对河流或人工河道进行一维恒定流和非恒定流的水力推演；可计算缓流、急流及混合流等各种流态；还可进行如防洪堤、桥梁、涵洞、堰闸、泵站等涉水建筑物的水面线分析；同时，能够生成横断面形态图、能量及水位过程曲线、河道三维断面图等分析图表。该软件操作简便，适应范围广。

软件原理主要是恒定流计算基于一维能量方程，采用直接步进法推求水面线，利用下列公式来进行推求计算水面线。

依据公式由z2向z1逐步进行设计洪水位的推算，最终推出各切分断面的洪水位。

1.2 公式法简介

根据选取断面的河段糙率和实测的横断面资料，首先确定各个断面的水力要素，采用公式法，按明渠水力计算方法进行，计算采用公式[2]为：

2 水面线计算

2.1 实例

渭河马家段内河床宽窄不定，两岸主堤防已建成，且堤防的设防标准为50年一遇，堤距在600～900m范围内。渭河马家段糙率取值采用传统“试糙法”，其原理依据调查洪水资料推求一个糙率，再利用试糙法反复试算得到最终的糙率。调查得知2003年8月发生洪水，洪峰流量为3000m3/s，再以调查洪水洪痕作为控制，依据河道实测断面，洪水水位，及河道比降，推算出河道糙率，并依据马家段地质资料，通过查表初选糙率，最后参考魏家堡水文站实测洪水糙率、《陕西省渭河全线整治方案》中糙率并结合马家段两岸滩面具体状况，最终确定此段河道糙率为0.036，两岸滩地中主流靠岸侧为0.039，滩面较大侧为0.050，为之后HEC-RAS软件和公式法提供基础数据。

本次计算选取的工程区段位于渭惠渠拦河坝下游，标准为渭河10年一遇，洪峰流量为4050 m3/s。本文河段上游渭河魏家堡水文站实测的洪水比降、糙率统计情况:魏家堡水文站根据流量、水面比降等实测资料计算的河道糙率值一般在0.025～0.034之间，高水时的糙率值稳定在0.033左右。

2.2 HEC-RAS计算水面线

利用HEC-RAS软件首先创建河道信息，并编辑其边界条件，如河床糙率、起始断面各点高程、水位标高、主槽深、左右岸曼宁系数的n值，第二步进行各断面的具体数据编辑，最后进行各断面水面线的推求[3]。

本次共切分4个断面，其中起始断面及各断面的计算结果见图1和表1。

2.3 公式法计算水面线

通过调查及经验，分别将四个断面的n、i及断面数据整合处理后带入曼宁公式，通过反复试算，直到试算出的水深与10年一遇洪水流量相匹配为止[4]。具体计算成果见表2。

3 结果分析

分别对两种方法计算出的10水面线结果，见表3和图2。

图1 起始断面10年一遇断面

表1 HEC-RAS软件计算渭河10年一遇水面线计算成果表

表2 公式法计算渭河10年一遇水面线计算成果表

图2水面线对比图

图2可以看出，两种计算方法下起始断面的水位相同，但HEC-RAS软件推求处的水面线较公式法偏高，1#断面差距最大，2#断面次之，但起始断面水位较4#断面水位高。由表3具体可以得出4#断面水位相差1.6m，2#和3#断面仅相差0.4m和0.3m，四个断面相差平均值为+0.66m，但公式法计算结果较低，对于HEC-RAS计算的起始断面水位为503.15m，4#断面为501.26m，按照软件推求原理起始段断面位于下游处，而4#断面位于地势较高的上游地段，理论上4#断面水位应高于起始断面，但实际计算结果却偏低。

表3 两种计算方法成果对比表

4 结论

本文通过采用两种不同的方法对渭河马家段水面线进行计算，并对两种计算方法下的结果对比总结，结论如下：

（1） HEC-RAS软件计算结果较公式法偏大，但起始断面与公式法结果一致，其原因主要是HEC-RAS软件起始断面的边界条件也是通过曼宁公式试算得来[5]。

（2）其余4个断面计算结果HEC-RAS软件均偏高，其原因为HEC-RAS软件计算的连续性及相关性[6]，HEC-RAS软件主要通过起始断面向上游逐层推求，其余断面计算结果均基于起始断面，上一层与下一层之间关联性较为严密，且断面切分越多，河段越长结果就越趋于准确，而公式法断面与断面间的相关性较差。

（3）针对起始断面计算结果较4#断面高，根据调查分析，近几年由于城市的发展，河道采砂严重，起始断面处由于沙场挖沙，导致河道下切严重导，断面高程降低，引起水位降低，而4#断面由于淤积作用，河道高程提升，计算水位反而较高。此类问题在运用HEC-RAS软件计算时影响较大，故起始断面的选择和分析也很重要。

（3）综合以上各种结果的对比分析，认为各有适用性。公式法对于河段较短、断面要求不高时，计算既简便，准确性又偏高，且相互之间误差的传递性较少；HEC-RAS软件更适宜河段较长，断面切分较密时采用，此时计算简便，只需输入各断面基础信息即可。总的来说，具体采用哪种计算方法均能得出合理结果，但须结合具体情况采用精度更高且更便捷的方法运用于实际工作。

[1]刘洋,孙晓英,王俊英,王富世,王海竹.HEC-RAS及SOBEK-RURAL软件推算山区天然河道水面线[J].北京水务.2008(06).

[2]水力计算手册[M].中国水利水电出版社,李炜主编,2006.

[3]刘洋.几种水面线推算方法的比较[J].人民黄河.2011(02).

[4]周斌,王义帮.天然河道水面线计算的一种改进方法[J].广东水利水电.2006(03).

[5]河道水面线计算方法[J].刘平,闫江鸿,候睿,龚江滨.内蒙古水利.2014(04）.

[6]胡永超.防洪工程中的水面线计算[J].陕西水利水电技术.2003(02).