EHP和HEC-RAS計算水位差異分析★

胡進寶 蔣雪琴 韋小輝

(中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

電力工程鄰近河流，需要獲悉河流對工程的影響程度，從而采取相應的措施以保障安全。這一過程中，水位計算起著非常關鍵的作用，水位計算過高，則相應的工程量大，導致投資相應增加，造成浪費；水位計算過低，輕則造成經濟損失，重則影響工程安全。因此需要采取合理的水位計算方法以滿足工程設計需要。

目前，電力工程中水位計算的方法主要采用工程水文氣象分析計算制圖系統(EHP)，該軟件對于天然河道恒定非均勻流，上下兩斷面采用能量方程，采用試算法對上下游兩斷面水位進行試算，當被推求斷面水位滿足方程時，即為被推求斷面的水位結果。美國陸軍工程兵團水文工程中心開發的水面線計算軟件包(HEC-RAS)在國內外得到廣泛的應用[1-3]，該軟件功能強大，可以進行多種功能的水力計算。本文采用上述兩種水位計算方法進行水位計算，并進行結果對比，分析計算中遇到的問題，以期探討一種合理的水位計算方法以滿足工程實際需要。

1 EHP水面線推求

對于天然河道恒定非均勻流，上下兩斷面能量方程為[4]：

應用上述公式，采用試算法對上下游兩斷面水位進行試算，當被推求斷面水位滿足上述方程時，即為被推求斷面的水位結果。

2 HEC-RAS軟件

HEC-RAS是由美國陸軍工程師團水力工程中心研究開發的河道水面線計算軟件，在河道水力分析、河道整治、水庫規劃等方面發揮著重要的作用，能開展各種涉水建筑物的水面線分析計算，不僅可以導出計算結果，還可自動生成橫斷面形態圖、縱斷面形態圖、流量及水位過程曲線等各種分析圖表。HEC-RAS軟件采用標準步驟通過迭代解能量方程從而求得不同斷面的水面線，方程如下[5]：

其中,z1為被推求斷面水位，m；z2為已知斷面水位，m；v1為被推求斷面平均流速，m/s；v2為已知斷面平均流速,m/s；g為當地重力加速度，m/s2；α1,α2均為動能校正系數；he為能量水頭損失。

應用上述公式，采用迭代法對上下游兩斷面水位進行試算，當被推求斷面水位滿足上述方程時，即為被推求斷面的水位結果。

3 工程應用

3.1 概述

某工程位于某河右岸階地上，河流在此段蜿蜒曲折。廠址段河流位置見圖1。

某河屬涇河水系，是涇河的二級支流，全長104 km，干流平均坡降2.78‰，流域面積2 485 km2。該河上游河谷狹窄，有大面積次生林和灌木，草木叢生，植被良好，水土流失輕微，中下游河床逐漸變寬，河谷兩側為殘塬溝壑區，植被較差，水土流失嚴重。

3.2 洪水調查及流量確定

根據現場調查，該河近40年來有三次較大的洪水曾淹沒到廠址部分區域，分別為1978年、1988年和2010年。其中在靠近河道的農田處，洪水淹沒深度超過2 m。

廠址上游約35 km處修建有水庫，該水庫為Ⅲ等中型水庫。設計洪水標準50年一遇，校核洪水標準1000年一遇。由于水庫校核標準高出電廠防洪標準一個以上等級，因此不用考慮該水庫潰壩洪水對電廠的影響。

該河2019年完成了河道整治，河道兩側部分利用自然地勢及山體，部分新建河堤。堤頂寬度3 m，河道寬度80 m～110 m。由于其防洪標準為10年一遇，低于電廠防洪標準，因此，當發生100年一遇洪水時，廠址和煤場處會受該河洪水影響。依據上游水庫運行方案，水庫不承擔下游防洪任務。根據水庫泄流能力計算，發生100年一遇洪水時，出庫流量與入庫流量相同，即百年一遇頻率的來水全部采用河床式泄洪，不在庫區內存留。因此廠址處100年一遇洪水仍按天然河道計算值選用，即該河廠址段100年一遇洪峰流量為2 310 m3/s。

由于現有防洪堤標準僅為10年一遇，為滿足電廠防洪要求，本次考慮對廠址及煤場段防洪堤進行重建。重建位置為廠址及煤場一側現有防洪堤位置。在廠址河段實測了7條水文斷面，依據實測斷面資料，分別采用EHP和HEC-RAS進行水位計算。

3.3 糙率確定

該河現狀見圖2，根據現場調查，該河近40年來有三次較大的洪水曾淹沒到廠址與煤場部分區域，分別為1978年、1988年和2010年。其中在靠近河道的農田處，洪水超過2 m。該河2019年完成了河道整治，河道兩側部分利用自然地勢及山體，部分新建河堤。新建河堤采用格賓墊護坡形式生態河堤方案，堤頂寬度3 m，河道寬度80 m～110 m。由于其防洪標準為10年一遇洪水，低于電廠防洪標準，因此，當發生100年一遇洪水時，廠址和煤場處會受該河洪水影響。根據該河堤治理工程初步設計報告，綜合糙率取值為0.035。

3.4 結果與討論

采用EHP和HEC-RAS進行水位計算結果見表1。

表1 水位計算成果

從表1可知，EHP和HEC-RAS水位計算存在著一定的偏差，該水位數據為從下游斷面往上游斷面推算得到，由于該河段沒有控制水文站，EHP最下游斷面水位系根據曼寧公式計算得到，HEC-RAS計算時下游邊界條件采用正常水深，即輸入比降，由程序通過流量計算得到，這可能使兩種方法計算存在著一定的誤差。總體來看，采用HEC-RAS比EHP計算水位偏高。

HEC-RAS作為成熟的水面線計算軟件，可以對實測斷面進行自動加密，這點是EHP程序無法比擬的，在加密時需要考慮加密后的地形數據是否符合實際情形。此外，電力工程很多位于較小河流上，經常存在無水文控制水文站的情形，這種情況下尤其要注重對現場洪水的實際調查，從而為程序計算提供有益參考，在現場踏勘時，對于歷史洪痕點要進行實測，從而對參數進行調試，以最大程度上使計算結果符合實際情形。

對于實測斷面數據，需要結果現場踏勘情況進行分析，對于數據中的異常點要進行分析，如圖3a)所示的1區域，實測斷面中存在一明顯的下凹區域，經與現場測量人員溝通，該區域為一深坑，在水文計算時應將該區域舍棄或設置為死水區域。如圖3b)所示的1，2區域，可能存在左側過流右側無過流的情形，在計算時需要考慮兩個區域的過水情形，如不是同時過流，HEC-RAS需要設置堤的情形，則設定1為主槽，2為副槽，只有在水位充滿主槽且高過堤頂高程2才過流的情形。上述兩種情形需要對斷面數據進行仔細分析，并結合現場踏勘情形，否則存在水位計算與實際偏差較大的情形。

電力工程很多位于較小河流上，經常存在無水文控制水文站的情形，這樣起算斷面的選擇就顯得尤為重要，起算水位一般采用曼寧公式進行計算，曼寧公式計算的前提條件是恒定均勻流，因此斷面選擇時應避開水流較急河段，宜選擇順直河段，且離工程點具有一定距離的河段，從而最大程度上避開工程對水位計算影響的河段。

4 結語

本文采用EHP和HEC-RAS進行水面線計算，結果表明EHP和HEC-RAS水位計算存在著一定的偏差，總體來看，采用HEC-RAS比EHP計算水位偏高。HEC-RAS作為成熟的水面線計算軟件，具有許多EHP無法比擬的優勢，但是由于電力工程很多位于沒有控制水文站的斷面，在工程實際應用中，應注重現場踏勘調查，對斷面數據的分析，從而有利于對參數進行調試，以最大程度上使計算結果符合實際情形。