HEC—RAS軟件在山區(qū)縣城的洪水分析中的應用

申寶玉

摘 要：介紹美國工程兵團編制的HEC-RAS軟件對恒定流計算方法，對比當前常用河道水面線計算方法的差異性。采用兩種方法，通過山區(qū)河道實際地形條件下的洪水水面線模擬，對比結(jié)果表明，當采用一致的河道橫截面、糙率時，兩種計算成果差距較小，HEC-RAS計算成果略微偏大。特別是在橋梁處的計算時，我們通常采用寬頂堰方法進行計算，HEC-RAS則針對不同條件采用堰流和動量方程進行計算，精確度應更好一些。

關(guān)鍵詞：HEC-RAS 山區(qū)河道 洪水水面線 模擬 應用

中圖分類號：P333 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（c）-0026-03

1 HEC-RAS軟件與《水力學計算手冊》方法的對比

1.1 河道水面曲線計算的理論基礎(chǔ)

HEC-RAS是美國工程兵團編制的河道水流分析系統(tǒng)，其代碼和文檔可自由使用、復制、開發(fā)。本次應用是2016年5月發(fā)布的HEC-RAS5.0.3版本1。HEC-RAS在天然或人工渠道計算恒定流和漸變流的河流水面的理論依據(jù)包括：水面曲線計算的基本方程、河道橫截面、河道的糙率復合值、速度水頭加權(quán)系數(shù)α、收縮和膨脹系數(shù)等，以上這些內(nèi)容與我國當前計算河道水面的基本理論一致，只是在個別公式應用上有所不同。

水面曲線計算的基本方程：

該公式以兩個截面之間的流量與流速有關(guān)。

《水力學計算手冊-第二版》中稱為動能修正系數(shù)，動能修正系數(shù)與斷面上流速分部的不均勻性有關(guān)。山區(qū)河道α值較大，平原河道α值較小。單式斷面的α值較復式斷面α值小。其計算式為：

其他如：水力坡度、流量計算公式、流量模數(shù)等公式兩種計算方法是一致的。因此。其計算方法的理論依據(jù)是一致的。

1.2 HEC-RAS河道水面曲線計算方法差異

HEC-RAS橫截面上未知水面高程是基本方程和速度加權(quán)系數(shù)進行二分迭代求解的。計算過程如下。

步驟（1）：假定上游橫截面上的水面高程（或計算下游截面臨界水位）；步驟（2）：在假定水面高程的基礎(chǔ)上，確定相應的總流量和速度水頭。步驟（3）：使用步驟（2）的值計算水力坡度并使用方程2求解截面間的水頭損失。步驟（4）：使用步驟（2）和（3）的值和基本方程求解水面高程。步驟（5）：比較水面高程計算值與步驟（1）中假定的值；重復步驟（1）～（5）直到偏差值小于0.03m。

在迭代過程中假定水面高程在每次試算時各不相同。方法如下：

WSI=WSI-2—ErrI-2*Assum_Diff/Err_Diff

式中：WSI為新假設(shè)水面；WSI-1為上一次迭代假設(shè)水面；WSI-2為前兩次試驗的假定水面；ErrI-2為兩次試算的差值；Assum_Diff為假設(shè)水面與前兩次試算的差值；Err_Diff為前兩次試算差值的差異。

水力學計算手冊采用逐段試算法，逐段試算法是對基本方程的應用，只將其變量函數(shù)v變換成流量Q，整理基本方程，得出公式為：

利用E1=E2，進行列表計算或用二分迭代法求解。

2 山區(qū)縣城段水面模擬應用

2.1 地形資料收集

永和縣位于呂梁山的西側(cè)，有人口6.2萬人，芝河自東北至西南從永和縣城穿過，將縣城分為東、西兩部分，芝河城區(qū)段干流是從縣城東北的老東風橋上游開始，至縣城西南的藥家灣橋，干流長4180m。因河道兩岸居民將生活、建筑垃圾倒入河中，造成河道淤積嚴重，實際過水能力只能抵御5年一遇（20%）洪水。芝河屬黃河一級支流，發(fā)源于永和縣城東北約20km的坡頭鄉(xiāng)，在交口鄉(xiāng)取材灣匯入黃河，全長62km，河道平均縱坡為15‰。流域面積792km2，流域平均寬度12.8km?？h城城區(qū)段干流全長4.65km，控制流域面積415km2，平均縱坡為1/125，平均流域?qū)挾?3.1km，縣城段依次有東風橋、永安橋、永紅橋、郵電橋和藥家灣橋。2017年，該縣城市建設(shè)要求計算芝河50年一遇洪水位，為了準確反映縣城實際地形與建筑情況，我們利用無人機進行了三維激光掃描，結(jié)合地面像控點、當?shù)刈鴺伺c高程，生成區(qū)域點云圖，作為地理數(shù)據(jù)，用于洪水計算。

2.2 截面數(shù)據(jù)錄入

根據(jù)河道走勢，繪制河道示意圖。將河道截取30個橫截面，在mapgis中生成橫截面數(shù)據(jù)文件，從下游開始逐個導入到HEC-RAS橫截面，選擇河道糙率和河灘糙率。逐個輸入現(xiàn)有6座橋梁的位置，并在橋的上下游附近增設(shè)橫斷面，輸入橋板尺寸、橋墩位置尺寸，按無損耗、漸變、典型、突變四種形式橋梁處的收縮與擴張系數(shù)從0、0到0.6、0.8變化。HEC-RAS采用幾種不同的形式分析橋梁過水能力：低水位堰流，壓力流、壓力堰流、淹沒流。有4種方法可以計算橋梁過水損失：能量方程（標準步長法）、動量平衡、亞內(nèi)爾方程、FHWA WSPRO方法，將四種方法計算結(jié)果對比分析，最終確定其中一種計算方法的結(jié)果，各種方法的橋墩形狀系數(shù)略有不同。本次計算采用能量方程計算。

根據(jù)《永和河道治理工程初步設(shè)計報告》等已有資料，該河各段的20年一遇洪峰流量分別為：老東風橋（F=253km2）1272m3/s，永紅橋（F=287km2）1402m3/s，郵電橋（F=400km2）1859m3/s，藥家灣橋（F=415km2）1886m3/s，段家河（F100.3km2）471m3/s。

將流量資料錄入HEC-RAS恒定流數(shù)據(jù)表，設(shè)定緩流的邊界條件為下游河道縱坡12‰，執(zhí)行程序計算。

2.3 HEC-RAS計算結(jié)果

計算結(jié)果由HEC-RAS導出，并與斷面尺寸比較發(fā)現(xiàn)：永和縣芝河發(fā)生10%洪水時，河道過洪順暢，無淹沒。發(fā)生5%洪水時，老東風橋不能通過20年一遇洪水，將漫頂；永紅橋段河道水位偏高，距離橋板底部僅0.1m，缺少安全超高，但不會造成洪水進入城區(qū)；藥家灣橋?qū)⒙?。發(fā)生2%洪水時，所有橋梁均不能通過洪水，縣城街道將形成城市內(nèi)澇，部分地段淹沒深度將達到2m以上。永和縣芝河上游段河道較窄，過水能力較差，但勉強滿足5%洪水過流；下游藥家灣橋過水不暢，在5%洪水時就會漫過橋面；洪水流速較大，水頭壓力較大，會對河岸護堤造成沖刷損壞，見圖1、圖2。endprint

計算發(fā)現(xiàn)永和縣芝河目前最大只有20年一遇防洪標準，不能防御50年一遇洪水。

2.4 計算成果比較分析

根據(jù)《永和河道治理工程初步設(shè)計報告》等資料，永和縣城城區(qū)段共有6座橋，經(jīng)復核最大過流能力如下：東風橋1251.3m3/s、永紅橋1420.8m3/s、府西橋1812.3m3/s、郵電橋1871.5m3/s、藥家灣橋1875.4m3/s。從HEC-RAS計算結(jié)果對比藥家灣橋在通過20年一遇洪水（1886m3/s）時會出現(xiàn)漫頂，與設(shè)計資料基本一致，見表1。

3 結(jié)語

HEC-RAS軟件河道分析功能與我國水力學計算的理論依據(jù)基本一致，斷面分析較為準確，糙率系數(shù)采用與《水力學計算手冊》第二版（中國水利水電出版社）一致，計算方法準確強大，計算速度快，精度能在設(shè)定的范圍內(nèi)。HECRAS則針對不同條件采用堰流和動量方程進行計算，精確度應更好一些。HEC-RAS還能直接輸出縱斷面圖、橫斷面圖、3D演示圖，方便展示計算成果；并且可以按照用戶需求以表列出計算數(shù)據(jù)，如、總流量與分區(qū)流量、流速與分區(qū)流速、能量水頭、水面高程、水力坡降、臨界水位、弗雷德數(shù)、水深、水面寬、過水面積等水力學要素。HEC-RAS5.0版的二維計算分析功能，可以形象的反映出洪水淹沒等過程。HEC-RAS與ESRI公司開發(fā)了HEC-GeoRAS，可以從GIS圖中直接讀取河道截面信息和河灘地理信息，更方便計算。HEC-RAS是美國工程兵團編制的免費使用程序，目前在我國應用并不廣泛，有待于專業(yè)學術(shù)部門進一步推廣開發(fā)。

參考文獻

[1] 武漢大學水利水電學院水力學流體力學教研室，李煒.水力學計算手冊[M].2版.北京：中國水利水電出版社，2006.

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[3] HEC-RASRiver Analysis System Users Manual[Z].2016.

[4] 王曉陽，鄧贊新，喻娓厚.HEC-RAS模型及其在橋梁阻水壅高計算中的應用[J].湖北水利水電，2008（3）：31-32.

[5] 王偉，田忠，陳濤.HEC-RAS軟件在潰壩洪水計算中的應用[J].四川水力發(fā)電，2013（b12）：78-80.

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