EHP和HEC-RAS计算水位差异分析★

胡进宝 蒋雪琴 韦小辉

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引言

电力工程邻近河流，需要获悉河流对工程的影响程度，从而采取相应的措施以保障安全。这一过程中，水位计算起着非常关键的作用，水位计算过高，则相应的工程量大，导致投资相应增加，造成浪费；水位计算过低，轻则造成经济损失，重则影响工程安全。因此需要采取合理的水位计算方法以满足工程设计需要。

目前，电力工程中水位计算的方法主要采用工程水文气象分析计算制图系统(EHP)，该软件对于天然河道恒定非均匀流，上下两断面采用能量方程，采用试算法对上下游两断面水位进行试算，当被推求断面水位满足方程时，即为被推求断面的水位结果。美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水面线计算软件包(HEC-RAS)在国内外得到广泛的应用[1-3]，该软件功能强大，可以进行多种功能的水力计算。本文采用上述两种水位计算方法进行水位计算，并进行结果对比，分析计算中遇到的问题，以期探讨一种合理的水位计算方法以满足工程实际需要。

1 EHP水面线推求

对于天然河道恒定非均匀流，上下两断面能量方程为[4]：

应用上述公式，采用试算法对上下游两断面水位进行试算，当被推求断面水位满足上述方程时，即为被推求断面的水位结果。

2 HEC-RAS软件

HEC-RAS是由美国陆军工程师团水力工程中心研究开发的河道水面线计算软件，在河道水力分析、河道整治、水库规划等方面发挥着重要的作用，能开展各种涉水建筑物的水面线分析计算，不仅可以导出计算结果，还可自动生成横断面形态图、纵断面形态图、流量及水位过程曲线等各种分析图表。HEC-RAS软件采用标准步骤通过迭代解能量方程从而求得不同断面的水面线，方程如下[5]：

其中,z1为被推求断面水位，m；z2为已知断面水位，m；v1为被推求断面平均流速，m/s；v2为已知断面平均流速,m/s；g为当地重力加速度，m/s2；α1,α2均为动能校正系数；he为能量水头损失。

应用上述公式，采用迭代法对上下游两断面水位进行试算，当被推求断面水位满足上述方程时，即为被推求断面的水位结果。

3 工程应用

3.1 概述

某工程位于某河右岸阶地上，河流在此段蜿蜒曲折。厂址段河流位置见图1。

某河属泾河水系，是泾河的二级支流，全长104 km，干流平均坡降2.78‰，流域面积2 485 km2。该河上游河谷狭窄，有大面积次生林和灌木，草木丛生，植被良好，水土流失轻微，中下游河床逐渐变宽，河谷两侧为残塬沟壑区，植被较差，水土流失严重。

3.2 洪水调查及流量确定

根据现场调查，该河近40年来有三次较大的洪水曾淹没到厂址部分区域，分别为1978年、1988年和2010年。其中在靠近河道的农田处，洪水淹没深度超过2 m。

厂址上游约35 km处修建有水库，该水库为Ⅲ等中型水库。设计洪水标准50年一遇，校核洪水标准1000年一遇。由于水库校核标准高出电厂防洪标准一个以上等级，因此不用考虑该水库溃坝洪水对电厂的影响。

该河2019年完成了河道整治，河道两侧部分利用自然地势及山体，部分新建河堤。堤顶宽度3 m，河道宽度80 m～110 m。由于其防洪标准为10年一遇，低于电厂防洪标准，因此，当发生100年一遇洪水时，厂址和煤场处会受该河洪水影响。依据上游水库运行方案，水库不承担下游防洪任务。根据水库泄流能力计算，发生100年一遇洪水时，出库流量与入库流量相同，即百年一遇频率的来水全部采用河床式泄洪，不在库区内存留。因此厂址处100年一遇洪水仍按天然河道计算值选用，即该河厂址段100年一遇洪峰流量为2 310 m3/s。

由于现有防洪堤标准仅为10年一遇，为满足电厂防洪要求，本次考虑对厂址及煤场段防洪堤进行重建。重建位置为厂址及煤场一侧现有防洪堤位置。在厂址河段实测了7条水文断面，依据实测断面资料，分别采用EHP和HEC-RAS进行水位计算。

3.3 糙率确定

该河现状见图2，根据现场调查，该河近40年来有三次较大的洪水曾淹没到厂址与煤场部分区域，分别为1978年、1988年和2010年。其中在靠近河道的农田处，洪水超过2 m。该河2019年完成了河道整治，河道两侧部分利用自然地势及山体，部分新建河堤。新建河堤采用格宾垫护坡形式生态河堤方案，堤顶宽度3 m，河道宽度80 m～110 m。由于其防洪标准为10年一遇洪水，低于电厂防洪标准，因此，当发生100年一遇洪水时，厂址和煤场处会受该河洪水影响。根据该河堤治理工程初步设计报告，综合糙率取值为0.035。

3.4 结果与讨论

采用EHP和HEC-RAS进行水位计算结果见表1。

表1 水位计算成果

从表1可知，EHP和HEC-RAS水位计算存在着一定的偏差，该水位数据为从下游断面往上游断面推算得到，由于该河段没有控制水文站，EHP最下游断面水位系根据曼宁公式计算得到，HEC-RAS计算时下游边界条件采用正常水深，即输入比降，由程序通过流量计算得到，这可能使两种方法计算存在着一定的误差。总体来看，采用HEC-RAS比EHP计算水位偏高。

HEC-RAS作为成熟的水面线计算软件，可以对实测断面进行自动加密，这点是EHP程序无法比拟的，在加密时需要考虑加密后的地形数据是否符合实际情形。此外，电力工程很多位于较小河流上，经常存在无水文控制水文站的情形，这种情况下尤其要注重对现场洪水的实际调查，从而为程序计算提供有益参考，在现场踏勘时，对于历史洪痕点要进行实测，从而对参数进行调试，以最大程度上使计算结果符合实际情形。

对于实测断面数据，需要结果现场踏勘情况进行分析，对于数据中的异常点要进行分析，如图3a)所示的1区域，实测断面中存在一明显的下凹区域，经与现场测量人员沟通，该区域为一深坑，在水文计算时应将该区域舍弃或设置为死水区域。如图3b)所示的1，2区域，可能存在左侧过流右侧无过流的情形，在计算时需要考虑两个区域的过水情形，如不是同时过流，HEC-RAS需要设置堤的情形，则设定1为主槽，2为副槽，只有在水位充满主槽且高过堤顶高程2才过流的情形。上述两种情形需要对断面数据进行仔细分析，并结合现场踏勘情形，否则存在水位计算与实际偏差较大的情形。

电力工程很多位于较小河流上，经常存在无水文控制水文站的情形，这样起算断面的选择就显得尤为重要，起算水位一般采用曼宁公式进行计算，曼宁公式计算的前提条件是恒定均匀流，因此断面选择时应避开水流较急河段，宜选择顺直河段，且离工程点具有一定距离的河段，从而最大程度上避开工程对水位计算影响的河段。

4 结语

本文采用EHP和HEC-RAS进行水面线计算，结果表明EHP和HEC-RAS水位计算存在着一定的偏差，总体来看，采用HEC-RAS比EHP计算水位偏高。HEC-RAS作为成熟的水面线计算软件，具有许多EHP无法比拟的优势，但是由于电力工程很多位于没有控制水文站的断面，在工程实际应用中，应注重现场踏勘调查，对断面数据的分析，从而有利于对参数进行调试，以最大程度上使计算结果符合实际情形。