HEC—RAS软件在山区县城的洪水分析中的应用

HEC—RAS软件在山区县城的洪水分析中的应用

作者：申宝玉

来源：《科技创新导报》2017年第24期

摘 要：介绍美国工程兵团编制的HEC-RAS软件对恒定流计算方法，对比当前常用河道水面线计算方法的差异性。采用两种方法，通过山区河道实际地形条件下的洪水水面线模拟，对比结果表明，当采用一致的河道横截面、糙率时，两种计算成果差距较小，HEC-RAS计算成果略微偏大。特别是在桥梁处的计算时，我们通常采用宽顶堰方法进行计算，HEC-RAS则针对不同条件采用堰流和动量方程进行计算，精确度应更好一些。 关键词：HEC-RAS 山区河道 洪水水面线 模拟 应用

中图分类号：P333 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（c）-0026-03 1 HEC-RAS软件与《水力学计算手册》方法的对比 1.1 河道水面曲线计算的理论基础

HEC-RAS是美国工程兵团编制的河道水流分析系统，其代码和文档可自由使用、复制、开发。本次应用是2016年5月发布的HEC-RAS5.0.3版本1。HEC-RAS在天然或人工渠道计算恒定流和渐变流的河流水面的理论依据包括：水面曲线计算的基本方程、河道横截面、河道的糙率复合值、速度水头加权系数α、收缩和膨胀系数等，以上这些内容与我国当前计算河道水面的基本理论一致，只是在个别公式应用上有所不同。 水面曲线计算的基本方程：

该公式以两个截面之间的流量与流速有关。

《水力学计算手册-第二版》中称为动能修正系数，动能修正系数与断面上流速分部的不均匀性有关。山区河道α值较大，平原河道α值较小。单式断面的α值较复式断面α值小。其计算式为：

其他如：水力坡度、流量计算公式、流量模数等公式两种计算方法是一致的。因此。其计算方法的理论依据是一致的。

1.2 HEC-RAS河道水面曲线计算方法差异

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HEC-RAS横截面上未知水面高程是基本方程和速度加权系数进行二分迭代求解的。计算过程如下。

步骤（1）：假定上游横截面上的水面高程（或计算下游截面临界水位）；步骤（2）：在假定水面高程的基础上，确定相应的总流量和速度水头。步骤（3）：使用步骤（2）的值计算水力坡度并使用方程2求解截面间的水头损失。步骤（4）：使用步骤（2）和（3）的值和基本方程求解水面高程。步骤（5）：比较水面高程计算值与步骤（1）中假定的值；重复步骤（1）～（5）直到偏差值小于0.03m。

在迭代过程中假定水面高程在每次试算时各不相同。方法如下： WSI=WSI-2—ErrI-2*Assum_Diff/Err_Diff

式中：WSI为新假设水面；WSI-1为上一次迭代假设水面；WSI-2为前两次试验的假定水面；ErrI-2为两次试算的差值；Assum_Diff为假设水面与前两次试算的差值；Err_Diff为前两次试算差值的差异。

水力学计算手册采用逐段试算法，逐段试算法是对基本方程的应用，只将其变量函数v变换成流量Q，整理基本方程，得出公式为：

利用E1=E2，进行列表计算或用二分迭代法求解。 2 山区县城段水面模拟应用 2.1 地形资料收集

永和县位于吕梁山的西侧，有人口6.2万人，芝河自东北至西南从永和县城穿过，将县城分为东、西两部分，芝河城区段干流是从县城东北的老东风桥上游开始，至县城西南的药家湾桥，干流长4180m。因河道两岸居民将生活、建筑垃圾倒入河中，造成河道淤积严重，实际过水能力只能抵御5年一遇（20%）洪水。芝河属黄河一级支流，发源于永和县城东北约20km的坡头乡，在交口乡取材湾汇入黄河，全长62km，河道平均纵坡为15‰。流域面积792km2，流域平均宽度12.8km。县城城区段干流全长4.65km，控制流域面积415km2，平均纵坡为1/125，平均流域宽度33.1km，县城段依次有东风桥、永安桥、永红桥、邮电桥和药家湾桥。2017年，该县城市建设要求计算芝河50年一遇洪水位，为了准确反映县城实际地形与建筑情况，我们利用无人机进行了三维激光扫描，结合地面像控点、当地坐标与高程，生成区域点云图，作为地理数据，用于洪水计算。 2.2 截面数据录入

根据河道走势，绘制河道示意图。将河道截取30个横截面，在mapgis中生成横截面数据文件，从下游开始逐个导入到HEC-RAS横截面，选择河道糙率和河滩糙率。逐个输入现有6

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座桥梁的位置，并在桥的上下游附近增设横断面，输入桥板尺寸、桥墩位置尺寸，按无损耗、渐变、典型、突变四种形式桥梁处的收缩与扩张系数从0、0到0.6、0.8变化。HEC-RAS采用几种不同的形式分析桥梁过水能力：低水位堰流，压力流、压力堰流、淹没流。有4种方法可以计算桥梁过水损失：能量方程（标准步长法）、动量平衡、亚内尔方程、FHWA WSPRO方法，将四种方法计算结果对比分析，最终确定其中一种计算方法的结果，各种方法的桥墩形状系数略有不同。本次计算采用能量方程计算。

根据《永和河道治理工程初步设计报告》等已有资料，该河各段的20年一遇洪峰流量分别为：老东风桥（F=253km2）1272m3/s，永红桥（F=287km2）1402m3/s，邮电桥

（F=400km2）1859m3/s，药家湾桥（F=415km2）1886m3/s，段家河（F100.3km2）471m3/s。 将流量资料录入HEC-RAS恒定流数据表，设定缓流的边界条件为下游河道纵坡12‰，执行程序计算。

2.3 HEC-RAS计算结果

计算结果由HEC-RAS导出，并与断面尺寸比较发现：永和县芝河发生10%洪水时，河道过洪顺畅，无淹没。发生5%洪水时，老东风桥不能通过20年一遇洪水，将漫顶；永红桥段河道水位偏高，距离桥板底部仅0.1m，缺少安全超高，但不会造成洪水进入城区；药家湾桥将漫顶。发生2%洪水时，所有桥梁均不能通过洪水，县城街道将形成城市内涝，部分地段淹没深度将达到2m以上。永和县芝河上游段河道较窄，过水能力较差，但勉强满足5%洪水过流；下游药家湾桥过水不畅，在5%洪水时就会漫过桥面；洪水流速较大，水头压力较大，会对河岸护堤造成冲刷损坏，见图1、图2。

计算发现永和县芝河目前最大只有20年一遇防洪标准，不能防御50年一遇洪水。 2.4 计算成果比较分析

根据《永和河道治理工程初步设计报告》等资料，永和县城城区段共有6座桥，经复核最大过流能力如下：东风桥1251.3m3/s、永红桥1420.8m3/s、府西桥1812.3m3/s、邮电桥1871.5m3/s、药家湾桥1875.4m3/s。从HEC-RAS计算结果对比药家湾桥在通过20年一遇洪水（1886m3/s）时会出现漫顶，与设计资料基本一致，见表1。 3 结语

HEC-RAS软件河道分析功能与我国水力学计算的理论依据基本一致，断面分析较为准确，糙率系数采用与《水力学计算手册》第二版（中国水利水电出版社）一致，计算方法准确强大，计算速度快，精度能在设定的范围内。HECRAS则针对不同条件采用堰流和动量方程进行计算，精确度应更好一些。HEC-RAS还能直接输出纵断面图、横断面图、3D演示图，方便展示计算成果；并且可以按照用户需求以表列出计算数据，如、总流量与分区流量、流速与分区流速、能量水头、水面高程、水力坡降、临界水位、弗雷德数、水深、水面宽、过水面积

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等水力学要素。HEC-RAS5.0版的二维计算分析功能，可以形象的反映出洪水淹没等过程。HEC-RAS与ESRI公司开发了HEC-GeoRAS，可以从GIS图中直接读取河道截面信息和河滩地理信息，更方便计算。HEC-RAS是美国工程兵团编制的免费使用程序，目前在我国应用并不广泛，有待于专业学术部门进一步推广开发。 参考文献

[1] 武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室，李炜.水力学计算手册[M].2版.北京：中国水利水电出版社，2006.

[2] 《HEC-RAS River Analysis System Hydraulic Reference Manual》[M].U.S.ArmyCorpsof Engineers Institutefor Water ResourcesHydrologic Engineering CenterFebruary，2016. [3] HEC-RASRiver Analysis System User’s Manual[Z].2016.

[4] 王晓阳，邓赞新，喻娓厚.HEC-RAS模型及其在桥梁阻水壅高计算中的应用[J].湖北水利水电，2008（3）：31-32.

[5] 王伟，田忠，陈涛.HEC-RAS软件在溃坝洪水计算中的应用[J].四川水力发电，2013（b12）：78-80.

[6] 临汾水利勘测设计院.芝河永和县城段河道治理工程初步设计报告[R].