HEC-RAS中关于水位、糙率演算的方法

HEC-RASHEC-RASHEC-RASHEC-RAS中关于水位、糙率演算的方法中关于水位、糙率演算的方法中关于水位、糙率演算的方法中关于水位、糙率演算的方法刘斌摘要：为了获得定流量情况下河道各断面水位和河段糙率，通过勘测数据建立河道几何资料及水文数据建立边界条件，应用HEC-RAS软件对河道进行了数值计算。计算结果经与测试结果验证比较，吻合较好，表明HEC-RAS可以适用于河道水面线计算及糙率试算。数值模拟的可操作性强，精度及效率均较高，可广泛应用于防洪评价等水力分析计算中。关键词：HEC-RAS；断面；边界条件；水位；糙率1.1.1.1.HEC-RASHEC-RASHEC-RASHEC-RAS简单介绍简单介绍简单介绍简单介绍1.11.11.11.1发展历史发展历史发展历史发展历史HEC-RAS是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水面线计算软件包，最早的第1.0版本公布于1995年7月，随后出现了1.1、1.2、2.0、2.1、2.2、2.2.1、3.0、3.1等修正或更新版。目前最新的版本是4.10，本基于4.0正式版（2008年3月）。1.21.21.21.2应用领域应用领域应用领域应用领域①洪水位计算（包括定、变流量）；②结构物影响分析：桥梁、涵洞、堰、溢洪道、冰、抽水站、堤防、障碍物；③渠道整治分析；④淹水分析（包括河道及陆地）；⑤桥梁局部冲刷（包括桥墩及桥台）；⑥稳定渠道设计；⑦河道输沙量计算；⑧溃坝分析；⑨溃堤分析。1.31.31.31.3定流量数值计算步骤定流量数值计算步骤定流量数值计算步骤定流量数值计算步骤1.41.41.41.4界面说明界面说明界面说明界面说明其中：1打开案例2储存案例3开启几何资料编辑视窗4开启定流量编辑视窗5开启变流量编辑视窗6开启执行定流量视窗7开启执行变流量视窗8开启水力计算（例如桥梁冲刷、河道输沙量计算等）9开启河道断面展示视窗10开启水面剖线展示视窗11开启河段水力参数计算结果展示视窗12开启率定曲线计算结果展示视窗13开启河道三维计算结果展示视窗14开启变流量水位、流量关系线展示视窗15开启河道水力特性展示视窗16开启单一断面或结构物水理计算成果展示窗17开启所有断面计算成果展示窗18开启计算过程中所产生之警告或错误通知视窗19开启数据存储系统视窗20显示案例名称21显示计划名称22显示河道几何资料档案名称23显示定流量河道水文资料档案名称24显示变流量河道水文资料档案名称25案例说明26显示档案存取路径27延展案例说明栏位28显示目前案例所用之单位2222．水位的计算．水位的计算．水位的计算．水位的计算根据河道断面几何资料、糙率以及初始水位、河段流量推求各断面水位等水力特征。2.12.12.12.1建立案例建立案例建立案例建立案例点击“File”“NewProject”打开新建案例窗口，在左栏“Title”下输入“jintangbridge”，创建jintangbridge案例文件，右边为你创建案例选择的存储路径，然后选择“OK”键，表示已完成创建。2.22.22.22.2建立河道几何资料建立河道几何资料建立河道几何资料建立河道几何资料（1111）河道几何资料编辑视窗说明河道几何资料编辑视窗说明河道几何资料编辑视窗说明河道几何资料编辑视窗说明按下主视窗第3个按钮开启河道几何资料编辑视窗。河道几何资料编辑视窗说明：1加入新河段（Reach）至河系图层（Scheme）2加入新蓄水区（StorageArea）至河系图层（Scheme）3连接河系图层中的两个蓄水区4加入抽水站（PumpStation）至河系图层5设定河道里程6加入及编辑河系图层的背景图片7编辑汇流点（Junction）8编辑或新增断面（CrossSection）资料9编辑或新增桥梁（Bridge）、涵洞（Culvert）资料10编辑或新增主流向结构物（InlineStructures），如堰/坝（Weir/Embankment）、闸门（Gate）11编辑或新增测流向结构物（LateralStructures）12编辑蓄水区资料13编辑蓄水区连接资料14编辑抽水站资料15编辑变流量模式的水力参数16河系图层编辑区（2222）建立河系图层建立河系图层建立河系图层建立河系图层1）创建新河段2）河段编辑点击河道几何资料编辑视窗⑥加入及编辑河系图层的背景图片，点击Add...，打开湘江金堂大桥断面布置图1作为背景，描绘河段。不需要的时候，选择Remove...，又可去除背景图片。3）输入河系及河段名称根据背景图片，从上游至下游绘图，选择起点，单击左键表示开始绘图，手动选择绘图点，点越多越好，直至终点，双击左键表示绘图结束。白色线条为湘江背景图，蓝色线条为所绘湘江河段，红色线条表示将要设置的断面位置和形状。绘图结束后，出现通知窗口，需要输入河系（River）名称及河段（Reach）名称，这里河系输入“xiangjiang”，河段输入“upstream”，点击“OK”结束，表示创建名为“湘江上游段”的河道。单击右键，其中Zoomin表示局部放大，Zoomprevious表示先前视图，表示Zoomout表示退出当前视图，Fullplot表示全部展示，Pan表示平移，可方便查看和绘图，上图即为局部放大的结果。4）储存河道几何资料点击河道几何资料编辑窗口中“File”，“SaveGeometryData”，输入“jintangbridge-3”，创建“jintangbridge-3”河道几何资料文件名，点击“OK”储存。（3333）编辑或新增断面资料编辑或新增断面资料编辑或新增断面资料编辑或新增断面资料1）开启“编辑或新增断面资料”窗口。2）编辑或新增断面资料及视窗各项功能说明：1River：选取河系2Reach：选取河段或支流3Description：断面说明4ApplyData：写入断面资料至档案5RiverSta：选取既有断面及显示目前正编辑的断面编号6移至下一个断面7移至上一个断面8输入断面里程（Station）及高程（Elevation）9LOB、Channel、ROB：分别输入本断面至下一个下游断面间之左岸高滩地流心距离、主深槽谿线距离、右岸高滩地流心距离10LOB、Channel、ROB：分别输入本断面左岸高滩地、主深槽、右岸高滩地之曼宁系数n值几种典型的不同河床型式的糙率：河床型式糙率n值沙纹0.018~0.030沙垄0.020~0.035冲刷沙垄0.014~0.025平面河床0.012~0.022固定波形0.014~0.025逆行沙垄0.015~0.03111LeftBank、RightBank：分别输入左岸高滩地与主深槽、右岸高滩地与主深槽接点所代表之断面里程12Contraction、Expansion：分别输入本断面至下一个下游断面间之收缩、扩散系数局部水头损失系数参考表：流况突扩系数突缩系数渐变0.30.1桥梁0.50.3剧变0.80.513断面展示区在“编辑或新增断面资料视窗”中选择①河系②河段名称，然后点击“Options”“Addanewcrosssection”，出现以下界面，输入78，表示在该河段创建了一个编号为78的断面。.根据现有的河道几何资料，在编辑或新增断面资料视窗⑧栏输入断面里程（Station）、高程（Elevation）（小技巧：将两栏全部反蓝，粘贴数据即完成输入）；在⑨栏分别输入本断面至下一个下游断面间之左岸高滩地流心距离（LOB）、主深槽谿线距离(Channel)、右岸高滩地流心距离(ROB)，在⑩栏分别输入左岸高滩地、主深槽、右岸高滩地的糙率，在⑪栏分别输入左岸高滩地与主深槽、右岸高滩地与主深槽接点所代表之断面里程，在⑫栏分别输入本断面至下一个下游断面间之收缩、扩散系数，因为河道边界可视为渐变边界，故收缩、扩散系数可取为0.1、0.3。点击④“ApplyData”写入断面资料至档案，在⑬断面展示区即显示78号断面形态。继续添加断面，然后按照以上操作进行编辑，即可完成河道几何资料的输入。2.32.32.32.3建立边界条件建立边界条件建立边界条件建立边界条件（1111）打开定流量资料编辑视窗打开定流量资料编辑视窗打开定流量资料编辑视窗打开定流量资料编辑视窗按下主视窗第4个按钮，开启定流量资料编辑视窗。（2222）定流量编辑定流量编辑定流量编辑定流量编辑如下图所示，点击“AddAFlowChangeLocation”，添加编号为78、62、61、59、58、1的断面，然后点击“Options”“EditProfileName”，将案例命名为“p=1%”。在p=1%栏分别输入流经该断面的流量。然后点击“ApplyData”完成流量边界条件输入。定流量编辑视窗的各项功能说明如下：1选取河系2选取河段或支流3选取断面4River：河系名称5Reach：河段名称6RS：流量流入之断面7PF1：流量输入栏8设定分析流量之案例数例如要同时分析重现期距100年及200年两组流量案例，则首先将设定分析流量之案例数设为2，这时⑦就会变成两栏9ReachBoundaryConditions：设定河段边界条件10ApplyData：写入边界条件至档案11新增流量汇入点（3333）水位水位水位水位边界条件编辑边界条件编辑边界条件编辑边界条件编辑点击定流量编辑视窗⑨ReachBoundaryConditions，设定河段边界条件。因为是回水复核，故下游边界设为已知水位高程（KnownW.S.），输入56.1；上游边界应为正常水深，输入河床底坡0.0002（通过手工估算确定）。点击“OK”，完成水位边界条件编辑。1）编辑边界条件视窗各项功能说明如下：1选择所有的流量案例采用同一组边界条件2选择每一组流量案例采用个别的边界条件3设定边界水位为已知水位高程4设定边界水位为临界水深5设定边界水位为正常水深6设定边界水位依据率定曲线变动7删除设定8上游边界条件水位设定栏（当流况为超临界流或者混合流时，必须设定此栏）9下游边界条件水位设定栏（当流况为亚临界流或者混合流时，必须设定此栏）2）各个边界水位设定方法所需输入的资料说明如下：（1）已知水位高程：输入水位高程；（2）临界水深：不需输入资料，程序自动计算；（3）正常水深：输入河床底坡；（4）率定曲线：输入水位高程-流量数据（表格形式）。3）关闭“编辑边界条件视窗”后，切记！必须按下“ApplyData”键才算完成边界条件输入操作。2.42.42.42.4执行案例执行案例执行案例执行案例（1111）开启开启开启开启““““执行定流量执行定流量执行定流量执行定流量””””视窗视窗视窗视窗（2222）设定流况设定流况设定流况设定流况已知流量及几何断面资料，根据弗劳德数定义，估算出下游边界弗劳德数Fr1，故可认为此段河流属于亚临界流，选择“Subcritical”，然后点击“COMPUTE”开始执行计算。（3333）执行案例执行案例执行案例执行案例如果输入资料正确，各项设定无误，则会出现下面执行完成的画面。2.52.52.52.5输出计算结果输出计算结果输出计算结果输出计算结果（1111）查看横断面水位成果图查看横断面水位成果图查看横断面水位成果图查看横断面水位成果图按下主视窗中开启河道断面展示视窗。选取断面所在的河系、河段及断面编号，展示各横断面计算成果，如图为78号断面水位图。（2222）查看纵断面水面剖线成果图查看纵断面水面剖线成果图查看纵断面水面剖线成果图查看纵断面水面剖线成果图按下主视窗中开启水面剖线展示视窗选择河段及流量案例展示纵断面计算成果。窗口说明：（3333）查看成果表查看成果表查看成果表查看成果表按下主视窗中开启所有断面计算成果展示视窗。展示各断面计算成果表，各栏水力参数的英文缩写代表含义如下。1．QTotal：总流量2．MinChEl：主深槽最低点高程3．W.S.Elev：水位高程4．CritW.S.：临界水位高程5．E.G.Elev：能量线高程6．E.G.Slop：能量线坡度7．Vel.Chnl：主深槽平均流速8．FlowArea