基于HEC-RAS軟件和公式法兩種水面線計算結果對比分析

劉碧波,任宏超,李文輝

（陜西省寶雞市水利水電規劃勘測設計院，陜西 寶雞 721000）

1 兩種方法簡介

1.1 HEC-RAS軟件簡介

HEC-RAS[1]是由美國陸軍工程兵團水文工程中心開發的河流模擬分析軟件。該軟件可對河流或人工河道進行一維恒定流和非恒定流的水力推演；可計算緩流、急流及混合流等各種流態；還可進行如防洪堤、橋梁、涵洞、堰閘、泵站等涉水建筑物的水面線分析；同時，能夠生成橫斷面形態圖、能量及水位過程曲線、河道三維斷面圖等分析圖表。該軟件操作簡便，適應范圍廣。

軟件原理主要是恒定流計算基于一維能量方程，采用直接步進法推求水面線，利用下列公式來進行推求計算水面線。

依據公式由z2向z1逐步進行設計洪水位的推算，最終推出各切分斷面的洪水位。

1.2 公式法簡介

根據選取斷面的河段糙率和實測的橫斷面資料，首先確定各個斷面的水力要素，采用公式法，按明渠水力計算方法進行，計算采用公式[2]為：

2 水面線計算

2.1 實例

渭河馬家段內河床寬窄不定，兩岸主堤防已建成，且堤防的設防標準為50年一遇，堤距在600～900m范圍內。渭河馬家段糙率取值采用傳統“試糙法”，其原理依據調查洪水資料推求一個糙率，再利用試糙法反復試算得到最終的糙率。調查得知2003年8月發生洪水，洪峰流量為3000m3/s，再以調查洪水洪痕作為控制，依據河道實測斷面，洪水水位，及河道比降，推算出河道糙率，并依據馬家段地質資料，通過查表初選糙率，最后參考魏家堡水文站實測洪水糙率、《陜西省渭河全線整治方案》中糙率并結合馬家段兩岸灘面具體狀況，最終確定此段河道糙率為0.036，兩岸灘地中主流靠岸側為0.039，灘面較大側為0.050，為之后HEC-RAS軟件和公式法提供基礎數據。

本次計算選取的工程區段位于渭惠渠攔河壩下游，標準為渭河10年一遇，洪峰流量為4050 m3/s。本文河段上游渭河魏家堡水文站實測的洪水比降、糙率統計情況:魏家堡水文站根據流量、水面比降等實測資料計算的河道糙率值一般在0.025～0.034之間，高水時的糙率值穩定在0.033左右。

2.2 HEC-RAS計算水面線

利用HEC-RAS軟件首先創建河道信息，并編輯其邊界條件，如河床糙率、起始斷面各點高程、水位標高、主槽深、左右岸曼寧系數的n值，第二步進行各斷面的具體數據編輯，最后進行各斷面水面線的推求[3]。

本次共切分4個斷面，其中起始斷面及各斷面的計算結果見圖1和表1。

2.3 公式法計算水面線

通過調查及經驗，分別將四個斷面的n、i及斷面數據整合處理后帶入曼寧公式，通過反復試算，直到試算出的水深與10年一遇洪水流量相匹配為止[4]。具體計算成果見表2。

3 結果分析

分別對兩種方法計算出的10水面線結果，見表3和圖2。

圖1 起始斷面10年一遇斷面

表1 HEC-RAS軟件計算渭河10年一遇水面線計算成果表

表2 公式法計算渭河10年一遇水面線計算成果表

圖2水面線對比圖

圖2可以看出，兩種計算方法下起始斷面的水位相同，但HEC-RAS軟件推求處的水面線較公式法偏高，1#斷面差距最大，2#斷面次之，但起始斷面水位較4#斷面水位高。由表3具體可以得出4#斷面水位相差1.6m，2#和3#斷面僅相差0.4m和0.3m，四個斷面相差平均值為+0.66m，但公式法計算結果較低，對于HEC-RAS計算的起始斷面水位為503.15m，4#斷面為501.26m，按照軟件推求原理起始段斷面位于下游處，而4#斷面位于地勢較高的上游地段，理論上4#斷面水位應高于起始斷面，但實際計算結果卻偏低。

表3 兩種計算方法成果對比表

4 結論

本文通過采用兩種不同的方法對渭河馬家段水面線進行計算，并對兩種計算方法下的結果對比總結，結論如下：

（1） HEC-RAS軟件計算結果較公式法偏大，但起始斷面與公式法結果一致，其原因主要是HEC-RAS軟件起始斷面的邊界條件也是通過曼寧公式試算得來[5]。

（2）其余4個斷面計算結果HEC-RAS軟件均偏高，其原因為HEC-RAS軟件計算的連續性及相關性[6]，HEC-RAS軟件主要通過起始斷面向上游逐層推求，其余斷面計算結果均基于起始斷面，上一層與下一層之間關聯性較為嚴密，且斷面切分越多，河段越長結果就越趨于準確，而公式法斷面與斷面間的相關性較差。

（3）針對起始斷面計算結果較4#斷面高，根據調查分析，近幾年由于城市的發展，河道采砂嚴重，起始斷面處由于沙場挖沙，導致河道下切嚴重導，斷面高程降低，引起水位降低，而4#斷面由于淤積作用，河道高程提升，計算水位反而較高。此類問題在運用HEC-RAS軟件計算時影響較大，故起始斷面的選擇和分析也很重要。

（3）綜合以上各種結果的對比分析，認為各有適用性。公式法對于河段較短、斷面要求不高時，計算既簡便，準確性又偏高，且相互之間誤差的傳遞性較少；HEC-RAS軟件更適宜河段較長，斷面切分較密時采用，此時計算簡便，只需輸入各斷面基礎信息即可。總的來說，具體采用哪種計算方法均能得出合理結果，但須結合具體情況采用精度更高且更便捷的方法運用于實際工作。

[1]劉洋,孫曉英,王俊英,王富世,王海竹.HEC-RAS及SOBEK-RURAL軟件推算山區天然河道水面線[J].北京水務.2008(06).

[2]水力計算手冊[M].中國水利水電出版社,李煒主編,2006.

[3]劉洋.幾種水面線推算方法的比較[J].人民黃河.2011(02).

[4]周斌,王義幫.天然河道水面線計算的一種改進方法[J].廣東水利水電.2006(03).

[5]河道水面線計算方法[J].劉平,閆江鴻,候睿,龔江濱.內蒙古水利.2014(04）.

[6]胡永超.防洪工程中的水面線計算[J].陜西水利水電技術.2003(02).