HEC-RAS在水力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用探討

韓淑新 馮松寶

（宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州234000）

0 引言

水力學(xué)是研究液體平衡狀態(tài)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在工程中應(yīng)用的一門課程[1]，其繁雜的公式推導(dǎo)及嚴(yán)密的理論性，使學(xué)生在初學(xué)該課程時(shí)感到難入門、課程中難學(xué)習(xí)、知識(shí)點(diǎn)難掌握，使水力學(xué)變成了一門“難教又難學(xué)”的課程。宿州學(xué)院作為地方性應(yīng)用型本科高校，辦學(xué)旨在培養(yǎng)高層次應(yīng)用型人才，服務(wù)于區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展[2]。結(jié)合學(xué)生基礎(chǔ)及培養(yǎng)目標(biāo)，應(yīng)用型本科高?！八W(xué)”的教學(xué)應(yīng)著重培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。

1 水力學(xué)教學(xué)存在的問題

1.1 教學(xué)內(nèi)容“過多”，應(yīng)“避難就用”

水力學(xué)公式繁多，理論推導(dǎo)復(fù)雜，在授課過程中既要注重基本原理、基本概念的闡述，又要強(qiáng)調(diào)在水利工程中的實(shí)際應(yīng)用，在有限的課時(shí)內(nèi)很難做到面面俱到。因此，在新工科背景下，地方應(yīng)用型本科課程應(yīng)結(jié)合地方特色，有針對(duì)性的整合教學(xué)內(nèi)容[3]，強(qiáng)調(diào)實(shí)際應(yīng)用。

1.2 教學(xué)方法“死板”，應(yīng)引入工程案例

由于水力學(xué)屬于“困難”科目，仍以教師講，學(xué)生聽的教學(xué)模式為主，缺少互動(dòng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)類[4]，難以吸引學(xué)生。因此，引入“以工程案例為導(dǎo)向”的教學(xué)模式，圍繞案例，建立分工協(xié)作的合作小組，建立學(xué)生為主的課堂模式。

1.3 教學(xué)效果“不理想”，應(yīng)引入趣味性內(nèi)容

由于學(xué)生數(shù)學(xué)及力學(xué)基礎(chǔ)參差不齊，導(dǎo)致一些學(xué)生在學(xué)習(xí)之初便缺乏信心和目的性[5]，隨著課時(shí)的推進(jìn)，公式越來越多，理論越來越緊密，課堂上“厭學(xué)”的學(xué)生會(huì)越來越多，普遍反映“聽不懂、不會(huì)算”，致使教學(xué)效果“不理想”。此時(shí)將學(xué)生比較感興趣的與專業(yè)相關(guān)的實(shí)際案例引入課堂中，重拾部分同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

2 HEC-RAS概述

2.1 在水力學(xué)課程中引入HEC-RAS的必要性

明渠水面線的分析計(jì)算因涉及微積分求解，在教學(xué)過程中只能定性的分析水面線的曲線形式，或引入能量方程逐段試算法推求水面線。逐段試算法是一種一維計(jì)算方法，且計(jì)算精度與分段相關(guān)[6]，計(jì)算工作量較大，容易引起學(xué)生“厭學(xué)”情緒。考慮到河道水面線的推求在實(shí)際工作中應(yīng)用廣泛，本科階段應(yīng)要求學(xué)生掌握水面線的推求方法。

HEC-RAS是由美國陸軍兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的水面線計(jì)算軟件包，RAS模型可對(duì)一維恒定和非恒定河道進(jìn)行水面線計(jì)算，同時(shí)可生成河道橫斷面形態(tài)圖、流量及水位過程線、復(fù)式河道三維斷面圖等圖表，學(xué)生通過軟件輸出的圖表可以更直觀地理解明渠的水力要素。

2.2 HEC-RAS計(jì)算原理

利用HEC-RAS計(jì)算恒定流水面線的原理是基于一維能量方程（伯努利方程），逐斷面采用標(biāo)準(zhǔn)步推法，計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：Q為斷面過流量；A1、A2為上下斷面的過水?dāng)嗝婷娣e；z1、z2為控制斷面水位；ξ為局部損失系數(shù)；

Δs為兩斷面之間的距離；K為流量模數(shù)；R為水力半徑；n為河道糙率；α1、α2為動(dòng)能修正系數(shù)。

3 引入計(jì)算案例

3.1 案例背景

皖南山區(qū)某中小河流名為羊棧河，屬新安江水系，發(fā)源于黟縣東北部山區(qū)，在宏村匯入虞山溪。河道全長5.39 km，總流域面積20.7 km2，河道平均坡降11.90‰，河床多塊石和砂礫堆積，水流湍急。

3.2 建立模型

3.2.1 新建項(xiàng)目

課前指導(dǎo)學(xué)生完成HEC-RAS軟件安裝，課上新建一個(gè)項(xiàng)目，繪制河道走向示意圖，方向?yàn)樽陨嫌沃料掠?，并將新建的?xiàng)目分別用英文字母和數(shù)字進(jìn)行命名。

3.2.2 輸入實(shí)測斷面數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)包括斷面樁號(hào)、斷面間距、斷面各測點(diǎn)坐標(biāo)及高程，并對(duì)資料的可靠性進(jìn)行校驗(yàn)，共輸入10個(gè)斷面。

3.2.3 輸入粗糙系數(shù)n值

粗糙系數(shù)對(duì)明渠水流的影響較大，HEC-RAS恰好可以根據(jù)不同斷面所處的明槽類型設(shè)置不同的粗糙系數(shù)。將學(xué)生分為兩組，其中一組采用統(tǒng)一的n值（0.04），另外一組根據(jù)不同斷面所處的河道具體情況取用n值，其中無植被覆蓋段主河槽取0.03，灘地取0.035，有深潭或植被阻礙洪水流路的取0.075。

3.2.4 輸入邊界條件

需要輸入的邊界條件包括起推水位、設(shè)計(jì)洪水及河道比降，起推水位根據(jù)下游虞山溪水位確定，10年一遇起推水位為297.55 m；河道流量無實(shí)測資料，需要根據(jù)流域參數(shù)對(duì)10年一遇設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行分析計(jì)算。

羊棧河屬于皖南丘陵，根據(jù)安徽省“84辦法”推算羊棧河10年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為163 m3/s。根據(jù)《黃山水文手冊(cè)》計(jì)算羊棧河10年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為145 m3/s。從工程角度，一般考慮偏安全性，10年一遇設(shè)計(jì)洪水流量選擇為163 m3/s。

3.2.5 運(yùn)行計(jì)算

選擇水面線計(jì)算程序進(jìn)行恒定流分析，由于羊棧河河道平均坡降較陡，計(jì)算應(yīng)選擇急流模式進(jìn)行計(jì)算。

3.3 水面線計(jì)算結(jié)果分析

利用軟件Profile Output Table可直接輸出水面線計(jì)算結(jié)果，見表1。兩種水面線總體一致，但局部斷面由于n值不同，計(jì)算結(jié)果差別較大，由于羊棧河河流走勢彎曲、河道內(nèi)樹木雜草叢生將阻礙洪水通行，回水高度隨n值變大而變高，因此合理取用河道粗糙系數(shù)將直接影響水面線推求結(jié)果。

表1 設(shè)計(jì)洪水位推求成果表

4 結(jié)語

應(yīng)用型本科院校在課程設(shè)置及教學(xué)內(nèi)容中應(yīng)更多地體現(xiàn)“應(yīng)用”二字，在課程教學(xué)中引入HEC-RAS軟件可有效緩解水力學(xué)課堂教學(xué)中存在的問題，增加課程趣味性，引導(dǎo)更多的學(xué)生參與其中。在學(xué)生掌握軟件后，可以引導(dǎo)學(xué)生以此為契機(jī)，申報(bào)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。促進(jìn)學(xué)生提高實(shí)踐能力，以適應(yīng)社會(huì)和行業(yè)發(fā)展的需要。