HEC—RAS軟件在山區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，通過山區河道實際地形條件下的洪水水面線模擬，對比結果表明，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。

關鍵詞：HEC-RAS 山區河道 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

HEC-RAS是美國工程兵團編制的河道水流分析系統，其代碼和文檔可自由使用、復制、開發。本次應用是2016年5月發布的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、速度水頭加權系數α、收縮和膨脹系數等，以上這些內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。

《水力學計算手冊-第二版》中稱為動能修正系數，動能修正系數與斷面上流速分部的不均勻性有關。山區河道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系數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為新假設水面；WSI-1為上一次迭代假設水面；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，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，發源于永和縣城東北約20km的坡頭鄉，在交口鄉取材灣匯入黃河，全長62km，河道平均縱坡為15‰。流域面積792km2，流域平均寬度12.8km。縣城城區段干流全長4.65km，控制流域面積415km2，平均縱坡為1/125，平均流域寬度33.1km，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，結合地面像控點、當地坐標與高程，生成區域點云圖，作為地理數據，用于洪水計算。

2.2 截面數據錄入

根據河道走勢，繪制河道示意圖。將河道截取30個橫截面，在mapgis中生成橫截面數據文件，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。逐個輸入現有6座橋梁的位置，并在橋的上下游附近增設橫斷面，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、亞內爾方程、FHWA WSPRO方法，將四種方法計算結果對比分析，最終確定其中一種計算方法的結果，各種方法的橋墩形狀系數略有不同。本次計算采用能量方程計算。

根據《永和河道治理工程初步設計報告》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恒定流數據表，設定緩流的邊界條件為下游河道縱坡12‰，執行程序計算。

2.3 HEC-RAS計算結果

計算結果由HEC-RAS導出，并與斷面尺寸比較發現：永和縣芝河發生10%洪水時，河道過洪順暢，無淹沒。發生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；藥家灣橋將漫頂。發生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

計算發現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《永和河道治理工程初步設計報告》等資料，永和縣城城區段共有6座橋，經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計算結果對比藥家灣橋在通過20年一遇洪水（1886m3/s）時會出現漫頂，與設計資料基本一致，見表1。

3 結語

HEC-RAS軟件河道分析功能與我國水力學計算的理論依據基本一致，斷面分析較為準確，糙率系數采用與《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，精度能在設定的范圍內。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據，如、總流量與分區流量、流速與分區流速、能量水頭、水面高程、水力坡降、臨界水位、弗雷德數、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，有待于專業學術部門進一步推廣開發。

參考文獻

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