HEC-RAS软件在水面线计算中的应用

李文辉,黄一帆

（陕西省宝鸡市水利水电规划勘测设计院，陕西 宝鸡 721000）

1 HEC-RAS软件

1.1 软件简介

HEC-RAS是由美国陆军工程兵团水文工程中心（Hydrologic Engineering Center，即HEC）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[1]。

1.2 软件原理

HEC-RAS软件水面线推求原理主要采用以下方法[2]：

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，基本公式如下：

式中：z1、z2为上、下游断面相应水位；a1、a2为上、下游断面流速系数，根据相关书籍经验公式计算；v1、v2为上、下游断面平均流速；hr、hj为上、下游断面之间的沿程水头损失、局部水头损失；△hv为上、下游断面的流速水头之差。

按上式由下游向上游逐段进行设计洪水位推算，即可推求出各断面的洪水位。

2 HEC-RAS软件的应用分析

2.1 研究区现状

渭河眉县县城段河床宽度不一，通过现场查勘，此河段南北两岸大堤已完成修筑，主堤防设防标准为渭河50年一遇，堤距在578～836m之间，本段处于渭惠渠拦河坝下游冲刷段，除两处滩地夹于河道中间外，水流较为顺平，槽窄水深岸高急流，河床河岸多由砂卵石组成，一般坎高2～4m，属弯曲性河渠，多年来河道处于稳定状态。

2.2 HEC-RAS计算水面线

（1）设计洪水

表1 洪水成果

（2）控制断面

实地勘察发现主河道由于河道常年淤积已形成大片滩地，行洪能力有所降低，选取5个最不利断面[3]，图1中编号1～40号为渭河眉县县城段水面线计算所切断面。河道宽度一般取两岸设计大堤之间的宽度，无堤防河段采用两岸高坎之间的宽度。（3）河道糙率选取

图1 全段滩区2年、5年和10年淹没范围图

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。

渭河调查到“2003.8”洪水，发生洪峰流量3000 m3/s，依据河道实测断面，洪水水位，及河道比降，利用曼宁公式推算河道糙率，再以“2003.8”洪水洪痕作为控制，用“试糙法”率定糙率[4]，并依据河床质组成、河段特征，通过查表初选糙率，最后参考工程段水文站实测洪水糙率、《陕西省渭河全线整治规范及实施方案》中采用的糙率，综合分析确定工程河段的河道糙率为0.035。同时河道内左岸主流靠岸，右岸滩面较大，为野生芦苇及荒草，因此对左岸选取糙率为0.045，右岸为0.050。

（4）控制断面水位～流量关系的确定

以整段滩区整治结尾处的L19+137～R15+360（40号）断面为起始断面，以工程区最上游的ZL0+695～ZR0+000（1号）断面作为推求设计洪水水面线的终止断面。

起始、终止断面附近河道顺直，断面稳定，断面的水位～流量关系可采用曼宁公式分析确定，计算结果见表2。

表2 起始控制断面水位～流量关系曲线表

（5）水面线计算

根据拟定的堤距、确定的河段糙率、控制断面的水位～流量关系和实测的横断面资料，首先计算各个断面的水力因素，然后采用前述确定的计算方法，以最下游的实测断面作为起算断面，在起算断面的水位～流量关系曲线上查出相应流量的水位为起算断面，从下游向上游逐断面推求各断面的设计洪水位，并以最上游断面的水位～流量关系进行校核控制，推求出设计洪水水面线，再将各座大桥的壅水曲线和设计洪水水面线叠加即得考虑桥梁壅水影响后的设计洪水水面线。本段水面线计算依据现场实测横断面资料输入软件推算，统计了10年一遇、5年一遇和2年一遇不利横断面水位图及洪水水面线计算成果，本文选取5个典型最不利断面进行对比分析，见图2~图6。

图2 30号断面10年、5年和2年水位

图3 21号断面10年、5年和2年水位图

图4 15号断面10年、5年和2年水位图

图5 6号断面10年、5年和2年水位图

图6 2号断面10年、5年和2年水位图

2.2 成果对比分析

利用传统试算法[5]对以上5个典型断面进行试算并与HECRAS软件计算结果进行比较分析，具体计算结果见表3。

从表3中可以看出，采用软件计算出的结果较传统方法计算出的结果偏大或偏小，但总体趋势偏大，即软件计算水面线结果偏高，但总体差值最大为0.24，未超过0.30。

表3 水面线成果比较表

在计算水面线过程中，虽采用HEC-RAS软件推求，但计算原理一致，且初始断面的边界条件计算方法亦是传统公式法，所以较传统方法计算结果相类似。但此软件计算水面线结果偏大原因可能是断面间距较大和认为读取高程和推算相关性的原因，导致计算结果偏大。

3 结论

本文通过两种不同的方法计算渭河眉县段水面线，并对计算结果进行了对比分析，其结果差异性较小，其中利用HECRAS软件计算出的结果偏大，鉴于安全性和方便快速的角度分析，软件计算结果虽与传统计算结果有差异，但差异并未超过0.30m，而且软件基本原理也是基于传统计算的，但更依赖于边界条件并受推算断面的相关联性，最终结论认为建议在实际应用中采用软件计算。

[1]基于HEC-RAS仿真模型的桥涵加固改造优化研究[J].谭玉新,武永新.水力发电学报.2015(02).

[2]HEC-RAS模型在汉江上游郧县尚家河段全新世古洪水流量重建中的应用[J].薛小燕,查小春,黄春长,庞奖励,刘建芳.长江流域资源与环境,2014(10).

[3]基于HEC-RAS模型的汉江上游庹家洲河段古洪水流量重建研究[J].刘科,查小春,黄春长,庞奖励,白开霞.干旱区资源与环境.2014(10).

[4]汉江上游郧县段黄土-古土壤序列风化成壤特征以及成壤环境演变[J].卢越,查小春,黄春长,庞奖励,刘建芳,张玉柱.中国沙漠.2014(04).

[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）.