利用HEC-RAS软件计算山洪沟水面线

第11期（总第378期）吉林水利2013年11月［文章编号］1009-2846(2013)11-0005-04［收稿日期］2013-09-26［作者简介］叶楠(1982-)，，男江苏睢宁人，工程师，硕士，现从事水利水电工程技术研究及推广工作。1问题提出水面线计算是河沟治理工程的一项基本工作，水面线推求合理与否直接关系到工程规模的合理性。水面线计算的常用方法有，图解法、简易计算方法及逐段式算法等[1]。图解法需要查图，效率较低，精度受主观影响较大；简易计算法常用于水库回水曲线等快速粗估计算，河道水面线推求很少采用；逐段式算法精度较高，且能利用计算机技术进行电算，适用性广。根据实际工程经验，逐段式算法在推求平原区缓流河道时，基本没有问题，但在推求山洪沟的急流水面线时，往往由于断面流速过大而导致能量方程不收敛，致使推算过程终止。因此，山区急流河道的水面线推求工作往往成为困扰工程设计的主要问题。吕洪波等通过对“天然河道水面线系统”的研究认为，逐段式算法仅适用于缓流，不适用于急流[2]。刘洋等通过“SOBEK软件”及“HEC-RAS软件”的对比研究，顺利地解决了急流水面线推求问题，并且后者计算的水面线略高于前者，对工程设计偏于安全[3]。本文将结合桦甸市某山洪沟治理工程实例，介绍HEC-RAS软件在山洪沟治理中的应用，并总结几点使用心得，以供使用者参考。2HEC-RAS计算原理HEC-RAS是由美国陆军工程兵团水文工程中心（HydrologicEngineeringCenter，即HEC）开发的河流模拟分析软件。该软件可对天然或人工河道进行一维恒定流和非恒定流的水力推演；可计算缓流、急流及混合流等各种流态；还可进行如防洪堤、桥梁、涵洞、堰闸、泵站等涉水建筑物的水面线分析计算；同时，能够生成横断面形态图、流量及水位过程曲线、河道三维断面图等分析图表。该软件操作便捷，适应范围广。HEC-RAS软件水面线推求原理主要采用以下方法。2.1恒定流（SteadyFlow）恒定流计算基于一维能量方程，采用直接步进法推求水面线[5]，基本公式如下。z1+α1v122g=z2+α2v222g+hr+hj(1)驻z=z1-z2=hr+hj+驻hv(2)式中：z1、z2为上、下游断面相应水位；α1、α2为上、下游断面流速系数，山区河流一般取1.5—2.0，或根据相关书籍[1]经验公式计算；v1、v2为上、下游断面平均流速；hf、hj为上下游断面之间的沿程水头损失、局部水头损失；hv为上、下游断面的流速水头之差。利用HEC-RAS软件计算山洪沟水面线叶楠，陈永明（吉林省水利科学研究院，吉林长春130022；吉林省银河水利水电新技术设计有限公司，吉林长春130022）［摘要］本文以桦甸市某山洪沟为例，采用HEC-RAS软件，模拟分析了山洪沟在设计频率洪水下的水面线，为山洪沟治理工程的规模确定提供科学依据。计算结果表明，HEC-RAS软件在分析计算山区急流水面线时有较好的适用性，计算结果对工程有利，在山区河道及山洪沟治理工程中推荐使用该软件。［关键词］HEC-RAS软件；山洪沟治理；水面线推求；方法探讨［中图分类号］TV122+.5［文献标识码］B5--吉林水利利用HEC-RAS软件计算山洪沟水面线叶楠等2013年11月2.2非恒定流（UnsteadyFlow）非恒定流计算基于一维连续性方程和动量方程：鄣籽w鄣t+鄣（籽wvi）鄣xi=0(3)鄣vi鄣t+vj鄣vi鄣xj+鄣p鄣xi=fi+v鄣2vi鄣xj鄣xi(4)式中：籽w为水的密度；vi、vj为为断面流速；xi、xj为为距离；p为压力；fi为质量力；ν为流体的运动粘滞系数。2.3分叉河口该软件在处理河道汇流或分流时按以下方法处理[5]：对于恒定流，分别采用能量方程（EnergyE鄄quation）和动量方程(MomentumEquation)计算，当分叉角度对能量损失起决定作用时，建议采用动量法。对于非恒定流，分别采用强制水面法（ForceEqualWSElevation）和能量平衡法（EnergyBalanceMethod），一般推荐使用能量平衡法。3工程实例以桦甸市红石镇陈家沟治理工程为实例，介绍使用HEC-RAS软件推求山洪沟水面线的方法。3.1工程概况陈家沟发源于桦甸市红石砬子镇陈家趟子屯北3.1km处的山谷，流经陈家趟子屯、陈木沟屯、江北二队三个村屯后汇入松花江，控制流域面积26.56km2，河道长度为11.95km，河道平均比降为48.6‰，局部河段比降达到100‰。由于河道坡降大，水流急，行洪断面不足，每到汛期，山洪携带泥土砂石，沿陈家沟倾泻而下，山洪冲出河槽，形成山洪灾害，对周围村庄及耕地造成极大威胁。1991、1992、2010等多个年份发生较大灾情，平常年份小灾时有发生，因此，对该山洪沟进行治理是十分迫切和必要的。3.2模拟分析过程3.2.1输入山洪沟几何数据1）新建工程，并在几何资料编辑窗口，画出河道趋势线（建议从屏幕上方向下方画，为准确反映河道形状，可以实测地形图为背景描绘），按软件要求给河道及河段命名。2）从下游开始依次录入各横断面数据，该数据由横断面个测量点的相对坐标组成。3）确定河道糙率，陈家沟为典型的山洪沟，河底为砂卵砾石，间有孤石；两侧滩地平面、纵面、横面不太规整，床面粗糙，根据参考资料[1]，该沟可划分为主河槽和滩地，主河槽糙率0.035，滩地糙率为0.04；相邻断面局部水头损失系数采用软件默认值。4）输入水工建筑物资料。本工程主要涉水建筑物为桥梁，包括铁路桥1座，公路桥2座，由于以上桥梁在设计时均有相应防洪标准，且均大于山洪沟治理标准（10年一遇），故在推求水面线时暂不考虑其影响。河道几何资料录入完成后，可在图3.2所示窗口中查询和编辑相应断面。3.2.2输入山洪沟边界条件1）流态的选择，本工程按恒定流计算。根据本工程需要，在进行水文计算时确定了5个控制断面，因此计算出5个相应洪峰流量（10年一遇），在录入资料时各断面录其对应的洪峰流量。2）起推水位的确定。陈家沟河口汇入第二松花江，在入河口处有1座公路桥涵，根据现场勘测，桥涵底高程高于相应松花江水位，经查阅当地资料，松花江10年一遇洪水对陈家沟没有顶托作用，故起推水位以桥涵上游水位为准，采用宽顶堰公式反算，经计算，相应10年一遇的桥涵上游起推水位为265.07m。图1山洪沟几何资料编辑窗口局部截图6--3.2.3执行计算以上各参数输入完成并检查无误后，即可保存数据，执行计算。首先执行的计算为天然情况下的水面线，根据设计后的断面，修改几何数据后再次执行计算，即可得到设计情况水面线。实践证明，使用HEC-RAS进行不同方案数据修改、存储及计算都十分方便。3.3计算结果陈家沟为典型的山洪沟，沟底比降较陡，平均4.86‰，局部段可达100‰，水流流态复杂，故计算时选择缓流及混合流两种计算模块分别计算，并取用对工程不利的水面线成果作为设计依据，天然及设计的水面线成果整理如下。在HEC-RAS软件执行计算过程中，并没有出现其它软件的终止或错误结果现象，很快就计算出结果。分析其原因，是因为该软件在计算急流及临界流的时候，直接采用该断面的临界水深代替正常水深，而在缓流断面处直接采用计算水深，从而避免了错误现象的出现。事实上，根据水力学理论计算，在急流断面处正常水深应该小于临界水深，但是从工程角度来说，在急流断面采用临界水深代替正常水深，对确定工程规模是偏于安全的，因此笔者认为软件的计算结果从工程安全角度是合理的。4结论及建议通过对桦甸市陈家沟水面线的模拟分析，笔者认为HEC-RAS软件在山洪沟治理工程中是合理和便捷的，软件合理地解决了山洪沟等复杂流态下的水面线问题，为山洪沟治理工程规模的确定提供了合理安全的依据。在使用软件分析不同类型河道水面线过程中，笔者也总结了一些心得，对水面线推求及软件使用提出以下建议：1）河道的几何数据要尽可能准确录入。比如，河道的中心线弯曲形状要尽可能符合实际情况，弯曲度直接关系到相关断面的能量损失；河道横断面应尽量选择有代表性的大断面，确保河岸两侧有足够宽度，高度也应留有余地，否则按软件默认计算易导致水面线成果偏高。2）糙率的选择应多方面考虑，综合选取。河道的糙率对水面线成果影响较大，划分河槽时应根据断面实际情况，力求准确。河道糙率应尽可能根据实测成果率定的糙率值，在缺乏实测资料的情况下，建议根据河床及河滩粗糙情况查阅相关书籍[1]选取。3）起推断面及相应水位的选择应科学合理。工程设计中发现，很多中小型河沟没有实测资料和系统的规划，在水面线推求时就会遇到起推断面位置及起推水位选择的困难。吴树煌等[6]通过理论推导证明：对于缓流，起推断面选择在下游；对于急流，起推断面选择在上游；只要起推断面距离工程位置足够远，起推水位对工程位置的水面线的影响几乎是可以忽略的。笔者在实际工作中也证明了该结论的正确性。河段桩号流量m3/s临界水深m天然水面m设计水面m支沟0+65210.2500.33500.33500.380+49410.2492.13492.13492.120+30910.2481.82481.82481.830+16510.2474.71474.71474.72主沟9+10612.9530.86530.96531.038+76812.9508.25508.25508.268+33312.9483.05483.05483.088+04830467.90467.90467.87+99630466.65466.65466.537+56330453.15453.15453.146+80069.6429.16429.16429.156+30069.6413.21413.21413.195+80069.6397.35397.35397.335+30069.6381.45381.45381.434+80069.6365.50365.50365.484+30069.6349.52349.52349.503+75269.6332.20332.20332.153+31269.6321.47321.47321.333+08769.6316.65316.65316.542+72876.8311.06311.06310.842+32376.8303.67303.83304.062+09276.8300.53300.53300.351+84376.8295.82295.82295.771+53976.8290.29290.59290.681+22676.8285.04285.14285.20+89576.8278.47278.57278.610+66976.8275.08275.08275.10+33176.8270.91270.91270.840+00076.8265.07265.07265.07陈家沟10年一遇水面线成果表表1吉林水利利用HEC-RAS软件计算山洪沟水面线叶楠等2013年11月7--DiscussiononSeveralmajortechnicalproblemsofdroughtearlywarningZouWen-an，ZhangShu-an，XinYu-chen，JiangBo，YangJian-qingAbstract：DroughtisoneofChina’smajornaturaldisasters.Inrecentyears，theimpactoffrequentoccurrenceofdroughtoneconomicsocialityisgrowing.itisverynecessaryandurgenttostrengthendroughtmonitoring，droughtcomprehensiveevaluationtoimprovetheabilitytoexplorethedroughtearlywarningmethods.Atpre鄄sent，China’sdroughtmonitoringworkisrelativelyweak，andthedroughtfore