HEC-RAS一维恒定流模型在水面线计算中的应用研究

张冲

摘 要：本文运用HEC-RAS软件对蜂蜜河明岩水库段天然条件下20年一遇水面线进行计算，同时采用水面线计算程序SMX对其结果进行复核对比分析。结果表明，运用HEC-RAS软件计算河道水面线，既高效又准确，而且操作方便简捷，人机界面友好。因此，建议在涉河工程的水面线计算中推广和使用该软件。

关键词：HEC-RAS软件;一维恒定流;水面线;蜂蜜河

中图分类号：TV133文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）35-0068-03

Abstract： In this paper， the HEC-RAS software was used to calculate the once-in-20-year water surface line of the Mingyan Reservoir section of the Fengmi River， and the water surface line calculation program SMX was used to review and compare the results. The results show that the use of HEC-RAS software to calculate the river water surface line is efficient and accurate， and the operation is simple and convenient， and the man-machine interface is friendly. Therefore， it is recommended to popularize and use this software in the calculation of the water surface line of the river crossing project.

Keywords： HEC-RAS software;one-dimensional constant flow model;water surface line;Fengmi River

由于河流开发、河道利用及防护的需要，水利水电工程常常在河道中修建大坝、堤防、水闸等水工建构筑物，电力、河港、油气管线等工程不可避免地需要修建跨河、穿河或者临河的建筑物设施，这些工程的修建将改变河道的天然状态，相应地，河流的水动力条件也发生较大变化。为了确定工程规模、保证工程运行安全，人们在工程设计中需要对水面线进行计算。水面线计算的常用方法有逐段试算法和简易近似法等[1]。逐段试算法精度较高，适用性广，但需要反复试算，计算工作量非常烦琐，且不适用于急流。简易计算法常用于水库回水曲线的快速粗略估算，在对水面线结果精度要求较高时则不适用。HEC-RAS模型具有便捷性、功能性及可免费使用的优势，并且其能够模拟缓流、急流及混合流的水面线，因此HEC-RAS模型的各个模块得到了国内外水利工作者的广泛应用。本文以吉林省图们江流域的蜂蜜河明岩水库段为例，研究利用HEC-RAS软件计算河流水面线的适用性及可靠性。

蜂蜜河为图们江流域海兰河左岸的一级支流，流域面积为610 km2，蜂蜜河属山区性河流，流域内最高山顶为1 571 m。明岩水库位于蜂蜜河下游，大坝以上控制流域面积531 km2，坝址处多年平均流量为4.68 m3/s。

1 HEC-RAS软件简介

HEC-RAS软件是由美国陆军工程兵团（US Army Corps of Engineers）工程水文中心（Hydrologic Engineering Center）研发的一种多用途，可在多用户网络环境中交互使用的河流分析系统（River Analysis System）。HEC-RAS软件包含了四个水动力模块：恒定流水面线计算;一维、二维非恒定流数值模拟;泥沙输移模拟;温度或其他组分的扩散数值模拟。该软件的最新版本为5.0.7[2]。HEC-RAS模型可以对单一河段、干支流交汇的河网系统或者环状河网系统进行数值模拟，并能够进行各种涉水建筑物（如桥梁、堰、堤防、水库大坝等）的水面线分析计算，同时可自动快速生成河道横断面图、流量及水位过程曲线等各种图表，操作简单快捷，显著提高了河流水动力数值模拟的适用性和可靠性[3]。HEC-RAS的扩展模块HEC-geoRAS可以结合ARCGIS软件进行模型的前处理及参数设定，前处理文件可直接导入HEC-RAS进行计算，对于大范围的河流水力模拟，操作简单，方便快捷。

2 模型建立

2.1 计算原理

HEC-RAS水动力软件进行河道一维恒定流水面线计算的原理基于伯努利方程，逐断面采用标准步推法（STM）推求水面线，其计算公式如式（1）所示。各部分如图1所示。

式中，[Z2]、[Z1]分别为上、下断面河底高程;[Y2]、[Y1]分别为上、下断面水深;[V2]、[V1]分别为上、下断面平均流速;[α2]、[α1]分别为动能修正系数;[g]为重力加速度;[he]为水头损失。

两个断面间的水頭损失[he]包括摩阻水头损失和局部收缩或扩张水头损失两部分，其计算公式为：

式中，[L]为按流量加权的河段长度;[Sf]为摩阻坡度;[C]为断面扩张或收缩系数。

流量加权的河段长度采用如式（3）进行计算：

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：

式中，[At]为断面总面积;[kt]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。

河道总流量的计算公式如式（5）所示，对式（5）进行转化，可以得出摩阻坡度[Sf]。

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。

2.2 数据前处理及模型参数设置

HEC-RAS软件是一个综合性的水力分析软件包，本次介绍使用的是最新的5.0.7版本，使用者可以以软件界面为平台建立水动力模型，进行模型数据的前处理、数据输入、模型计算和结果输出。利用HEC-RAS软件解决水面线计算问题的关键在于数学模型的建立，所以计算成果的精确程度主要取决于模型建立的好坏，这就要求设计工作者收集全面准确的断面数据资料，并且谨慎选择合适的水动力参数。利用HEC-RAS软件建立一维恒定流水面线计算模型，主要有下列几个步骤。

2.2.1 新建一个工程。在软件首页新建一个工程，并绘制河系图，方向从上游到下游，按软件要求给河道和河段命名，全部用英文字母或数字编写并保存。

2.2.2 输入断面数据。用Excel整理数据并转换后，可直接将断面号、断面间距、断面各测量点坐标和高程数据等输入HEC-RAS软件。本次计算共计23个大断面，其中实测断面有9个，根据实测地形补充14个断面，资料真实准确。

2.2.3 输入糙率（曼宁系数[n]）数据。HEC-RAS可根据断面不同地类设置糙率，或根据断面不同水位（水深）设置糙率，本次计算根据河道特征进行综合分析类比，选取糙率主河槽0.025、滩地0.035、水塘0.045、旱田0.06、村屯0.07、林地0.15。

2.2.4 输入水流数据和边界条件。HEC-RAS软件可同时进行多个不同频率下的水面线计算，边界条件可设置为水位、临界水深、比降，本次计算采用明岩水库可研报告中的计算成果，即天然条件下20年一遇的流量，下游以相应水位作为边界条件。

2.2.5 执行计算。选择水面线计算程序进行恒定流分析，本次计算选择缓流模式进行计算。

2.2.6 成果输出。HEC-RAS软件计算的结果可以以图、表的形式输出，并且可以选择性地输出需要的水文要素。

3 水面线计算成果对比分析

HEC-RAS计算成果的验证采用吉林省水利水电勘测设计研究院开发的水面线计算程序SMX，其原理与逐段试算法类似，该程序在哈达山水利枢纽、松花江治理等大型工程中已应用多次，计算成果可靠。两种计算程序成果对比如表1所示。

比较表1的两组水面线数据可以看出，HEC-RAS与SMX两者计算结果基本一致，准确反映了山区性河流的水面形态，说明HEC-RAS软件成果计算是准确可信的。但是，其中也出现了差值较大的断面，最大误差为0.7 m。这是因为HEC-RAS软件在计算临界流和急流时，直接用计算河流断面临界水深代替了正常水深，在计算缓流时则采用计算水深，保证程序能够正常运行。根据水力学计算原理，急流状态下的临界水深大于正常水深，這就导致计算结果出现偏大的情况。但从工程设计角度来说，计算结果是偏安全的，对工程有利。

4 结论

本文采用HEC-RAS软件建立蜂蜜河一维恒定流计算模型，HEC-RAS软件计算河道水面线，操作简便，人机交互友好，可以方便地进行模型数据前处理、模型计算、成果的输出以及不同计算方案的对比。通过与已有成果进行对比可知，HEC-RAS软件计算结果精度较高、可靠，计算效率较高，可以在以后的水利工程规划设计中推广和使用该软件。但是，作为一款集成的免费软件，原始数据的准确、参数的选取对于其计算结果至关重要。因此，笔者对使用者提出以下几点建议：一是要提供准确的河段断面数据及设计流量;二是关键参数诸如河道糙率等的选择要综合考虑，必要时可通过水文站实测流量推求;三是计算方法选择应经过充分的比选。

参考文献：

[1]李炜.水力计算手册[M].北京：中国水利水电出版社，2006：1-575.

[2]段文辉，杨同军，张文兵，等.HEC-RAS二维水流模型在洪评中的应用研究[J].电力勘测设计，2019（1）：63-65.

[3]叶楠，陈永明.利用HEC-RAS软件计算山洪沟水面线[J].吉林水利，2013（11）：5-8.