基于HEC-RAS模型的薩莫拉河水位流量關系設計

武金慧,劉　娜

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安　710065)

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基于HEC-RAS模型的薩莫拉河水位流量關系設計

武金慧,劉娜

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安710065)

摘要：系統地介紹了美國HEC-RAS模型的計算原理。并以南美洲厄瓜多爾東南部薩莫拉河Monkeys峽谷段河道的建模計算為例，探討了該河段水位流量關系的基本特征。結果表明：HEC-RAS模型分析計算能力強大，能夠適應南美洲峽谷段河道水位流量關系設計要求，加之可視化程度較高，模擬效果較好，便于后期成果提取和應用。在條件允許的情況下采用可靠的實測資料，能夠大幅度提高模型的計算精度。

關鍵詞：HEC-RAS;水位;流量;薩莫拉河;臨界條件

水位流量關系的確定是水文分析計算的重要內容之一，是幾乎所有涉水的水利水電工程設計都需要解決的關鍵性基礎工作[1]，也是保證工程設計安全和經濟合理性的重要前提[2]。在規劃或預可研階段，通常將河流假定為均勻流，采用曼寧公式(manning formula)推算實測橫斷面的水位流量關系。在方案變化或進行比較時，往往由于缺少實測橫斷面資料，無法進行設計斷面的水位流量關系計算。但是采用HEC-RAS模型就能很好地彌補其不足，該模型可推算河段中任意位置斷面的水位流量關系。本文通過具體的工程實例，介紹HEC-RAS模型在水位流量關系設計中的應用。

1HEC-RAS模型計算原理

HEC-RAS(The U. S. Army Corps of Engineers' River Analysis System) 是由美國陸軍工程師兵團水資源研究所水文中心研發的一種多用途、多用戶網絡環境中交互使用的,進行一維恒定流、非恒定流以及泥沙輸移計算的綜合模型[3-5]，包含：恒定流水面線計算、非恒定流模型和活動邊界泥沙輸移計算3個一維水力分析模塊。該模型可以對單個河段, 樹枝狀河網系統或者環狀河網系統進行模擬，并充分考慮了諸如池塘、泵站、橋梁、涵洞、堰、閘門等建筑物的影響, 甚至可以模擬結冰影響[6], 對于河道水力模擬的適用性和可靠性的提高具有顯著的效果[7]。HEC-RAS模型進行河道水力模擬分析計算的數學原理闡述如下。

1.1恒定流(Steady Flow)

一維恒定流水面線計算原理基于一維能量方程，逐斷面采用直接步進法推求水面線，其計算公式為[8-9]：

(1)

式中：Z1、Z2分別為上、下斷面河底高程；Y1、Y2分別為上、下斷面水深；V1、V2分別為上、下斷面平均流速；a、a2分別為動能修正系數；g為重力加速度；hw為水頭損失。

兩個斷面間的水頭損失(hw)包含摩阻水頭損失和局部收縮擴散水頭損失2部分，其計算公式為：

(2)

流量加權長度采用公式(3)進行計算：

(3)

式中：Llob、Lch、Lrob分別為斷面左岸灘地、主河道、右岸灘地距離；Qlob、Qch、Qrob分別為斷面左岸灘地、主河道、右岸灘地平均流量。

動能修正系數通過灘地和主槽流量進行計算，其計算公式如下：

(4)

式中：A1為斷面總面積；K1為總流量模數；Alob、Ach、Arob分別為左岸灘地、主河道、右岸灘地面積；Klob、Kch、Krob分別為左岸灘地、主河道、右岸灘地流量模數。

摩阻坡度Sf采用公式(5)、(6)計算：

(5)

(6)

式中：Q為河道總流量;A為過水斷面面積;R為水力半徑;n為曼寧系數。

1.2非恒定流(Unsteady Flow)

非恒定流計算原理基于連續方程和動量方程。其中水流連續方程為[8]：

(7)

式中：Qc為流量;Ac為過水斷面面積;t為時間;qf為側向流量,qf>0為入流,qf<0為分流;Xc為沿流程坐標。

動量方程為：

(8)

式中：g為重力加速度;Sf為摩阻坡度;V為流速。

2模型實例應用

以南美洲厄瓜多爾薩莫拉河上某水電站工程為例，采用HEC-RAS模型對廠址區天然河道不同流量下水面線進行了模擬分析，推求廠址設計斷面水位流量關系。

2.1研究河段概況

廠址區河段河床為卵石、塊石，兩岸有較大的漂石，河段水流急，落差大，河道兩岸終年綠樹成蔭，森林茂密，以稠密的闊葉林和高灌木為主。根據工程設計要求及河道地形、地貌條件，本次共選擇8個實測斷面，其中廠址上游6個斷面，下游1個斷面，計算河段總河長826.4 m，高差為15.8 m，比降為19‰。各實測斷面布置見圖1。

2.2參數及臨界條件的確定

(1) 糙率

廠址區河段為典型的山區河流，根據壩址下游水文站實測流量反推的糙率為0.06左右，結合中國天然河道糙率系數表及河段天然狀況，糙率取值在0.055～0.06。

(2) 臨界條件

該水電站廠址所處河段水流較緩，屬于緩流，但個別河段由于河道束窄，過水面積小，水流較快，屬于急流，綜合以上2種情況，計算時采用混合流(Mixed)。

圖1　河道實測斷面布置示意圖

HEC-RAS模型在臨界條件設置中提供了4個選項：Known W.S.(已知各流量水面高程)、Critical Depth(臨界水深)、Normal Depth(正常水深，即河流坡度)、Rating Curve(率定曲線)。為了反映臨界條件對設計成果的影響，本次計算采用3種臨界條件進行分析。

方案1：上游控制條件采用6號斷面比降，下游控制條件為臨界水深；

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方案2：上游控制條件采用臨界水深，下游控制條件為1號斷面比降；

方案3：上游控制條件采用6號斷面比降，下游控制條件采用1號斷面比降。

方案1臨界條件確定見圖2(方案2、方案3臨界條件設置方法與方案1相同，省略)。

圖2　方案1臨界條件設定圖

2.3流量數據的確定

為了繪制設計斷面水位流量關系，同時滿足設計要求，選取100、300、500、800、1 000、1 300和1 600 m3/s共7個流量。

3結果與分析

根據實測斷面資料、確定的參數及臨界條件，利用HEC-RAS模型計算得到3種方案下各斷面給定流量下的水位、流速、過水面積等參數。廠址斷面3種方案下設計成果見表1，方案1計算成果見圖3、4。

表1　不同方案下廠址設計斷面計算成果表

圖3　設計河段縱斷面水面線計算成果圖

各方案廠址設計斷面水位對比見圖5。由圖5分析可知，3種不同臨界條件計算的廠址斷面相同流量下的高程非常接近，其中方案2、方案3計算的水位相同，均略低于方案1。說明對于該河段，臨界條件對水位流量關系計算成果影響較小。從工程安全角度考慮，最終采用方案1設計成果。

圖4　各斷面水面線計算成果圖

圖5　各方案廠址設計斷面水位流量關系成果對比圖

4結語

HEC-RAS模型在國內外已經得到廣泛應用，并收到了良好的效果。模型界面簡潔，操作方便，易于建模，能夠較好地模擬一維水力模型。但在模擬

計算時需要輸入斷面資料，確定臨界條件。而測量斷面資料的準確性，低、中、高水位的流量，水位控制點，水位(文)站實測資料的可靠性等因素直接影響模型計算的精度。因此，在條件允許的情況下盡可能采用可靠的測量資料，以提高模型的模擬精度。

參考文獻:

[1]茹建輝.河道水位流量關系曲線和水面線的設計計算[J].廣東水利水電，2008,(1)：1-7.

[2]徐俊.探析水位流量關系對水電工程設計的主要影響[J].西北水電，2014,(2)：8-12.

[3]謝加球,侯凱,王艷蘋,等.HEC-RAS水文分析軟件在水利水電工程中的應用[J].人民珠江，2013,(4)：29-32.

[4]王增亮,陳冬云,胡建平.HEC-RAS軟件在松蔭溪干流水面曲線分析中的應用[J].浙江水利水電專科學校學報，2005,(3)：23-26.

[5]陸靜依，編譯.美國"HEC-RAS河流分析系統"簡介[J].上海水利，1999,(4)：17.

[6]Brunner G W, Stanford gibson , Goodell C R．HEC-RAS V4.1 User＇s Manual[M].Davis: Hydrologic Engineering Center of US Army Corps of Engineers,2010.

[7]蔡新明,董志勇,張永華.HEC系列水利軟件的應用[J].浙江水利科技，2005,142(6):20-23.

[8]US Army Corps of Engineers Institute For Water Resources Hydrologic Engineering Center．HEC-RAS River Analysis System Hydraulic Reference Manual[M].2008.

[9]劉洋,孫曉英,王俊英,等.HEC-RAS 及SOBEK-RURAL軟件推算山區天然河道水面線[J].北京水務，2008,(6):34-36.

HEC-RAS Model Based Design of Rating Relation of Samola River

WU Jinhui, LIU Na

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

Abstract:The calculation principle of the U.S HEC-RAS model is introduced systematically in the paper. With the modeling calculation of the river course at Monkeys valley of the Samola River in southeast Ecuador for example, the basic features of the rating relation at this river section are analyzed. The analyzing results show that the HEC-RAS model is outstanding in terms of analysis and calculation. It can satisfy the requirement on design of the rating relation of the river sections at the valleys in south America. Additionally, it is visual strongly and simulates effectively. These allow extraction and application afterward. The measured data can be applied to improve largely the calculation precision of the model provided that certain conditions are available.

Key words:HEC-RAS; stage; discharge; Samola River; critical condition

中圖分類號：TV133

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.024

作者簡介：武金慧(1984- )，女，甘肅省蘭州市人，工程師，主要從事水文水資源研究工作.

收稿日期：2015-06-17

文章編號：1006—2610(2016)01—0092—04