齊云飛

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，沈陽 110006)

文章編號：1007-7596(2015)12-0097-03

HEC-RAS在山區(qū)性河流水面線計算上的應(yīng)用

齊云飛

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，沈陽 110006)

山區(qū)性河流坡降很大，斷面形狀變化復雜，蜿蜒曲折，流態(tài)多為急流或混合流，一般軟件計算過程中能量方程不收斂，導致推算過程出錯或終止。文章通過闡述HEC-RAS軟件的計算原理，并結(jié)合桓仁縣漏河山洪溝治理應(yīng)用實例，模擬計算了山區(qū)性河流的水面線計算，為工程的相關(guān)設(shè)計提供了依據(jù)。

HEC-RAS；山區(qū)性河流；水面線計算；漏沙；應(yīng)用

0 前 言

水面線計算是河道治理工程中的一項基礎(chǔ)工作，水面線推求是否合理直接影響工程規(guī)模確定的合理性。水面線計算的常用方法有：圖解法、簡易計算方法及逐段式算法等[1]。圖解法需要查閱相關(guān)圖表，效率很低，精度受主觀影響，誤差較大；簡易計算法則常應(yīng)用在回水曲線等快速粗估計算中，河道水面線推求應(yīng)用較少；逐段式算法精度高，且能利用計算機技術(shù)進行求解，適用性廣，是目前水面線計算的主要方法。

天然河道按類型可分為平原區(qū)天然河道與山區(qū)天然河道。平原區(qū)天然河道相對規(guī)整，一般為緩流，易于推求計算，水面線計算的相關(guān)軟件也較多，技術(shù)較成熟；而山區(qū)天然河道坡降很大，斷面形狀變化復雜，蜿蜒曲折，流態(tài)多為急流或混合流，一般軟件計算過程中往往出現(xiàn)能量方程不收斂，導致推算過程出錯或終止，而HEC-RAS軟件則可以很好的仿真模擬山區(qū)天然河道水面線，精度較高，且不容易發(fā)生錯誤，可應(yīng)用于河道治理工程的規(guī)劃設(shè)計之中。

1 HEC-RAS簡介

HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團水文工程中心(Hydrologic Engineering Center)開發(fā)的一款河流模擬分析計算軟件。該軟件功能強大，操作簡潔，易于上手，適用面廣?？蓪μ烊弧⑷斯ず拥肋M行一維非恒定流或恒定流的水力推演計算，可針對涵洞、防洪堤、堰閘、泵站、橋梁等涉水建筑物進行相應(yīng)設(shè)置，進行水面線分析計算；可進行急流、緩流、混合流等各種流態(tài)的計算。

HEC-RAS推求水面線的基本計算方法采用直接步進法[2]，方程如下：

(1)

式中：Z1、Z2為上、下游斷面相應(yīng)水位，m；α1、α2為上、下游斷面流速系數(shù)，山區(qū)性河流取值范圍為1.5～2.0；v1、v2為上、下游斷面平均流速，m/s；hf、hj分別為上、下游斷面之間的沿程水頭損失和局部水頭損失。

2 工程應(yīng)用實例

文章以桓仁縣漏河山洪溝防洪治理工程為實例，介紹使用HEC-RAS軟件推求山洪溝水面線的方法。

漏河流域位于E125°26′48″～125°38′21″，N40°59′25″～41°11′31″。漏河發(fā)源于桓仁縣沙尖子鎮(zhèn)影壁山，最高點海拔高程約1 040 m，流經(jīng)沙尖子鎮(zhèn)影壁山、小圍子、下甸子村至沙尖子村，從左岸匯入渾江。河長31 km，流域面積205 km2，河道比降6.77‰，其中上游河段局部比降達20‰。水面線計算采用綜合糙率，取值范圍為0.03～0.034。漏河河流走向及斷面布置見圖1。

圖1 漏河斷面布置示意圖

漏河屬于典型的山區(qū)性河流，洪峰流量大，流速及水流流態(tài)變化均較大，河流曲折蜿蜒，局部區(qū)域變化明星，急緩流交替頻繁出現(xiàn)。本次計算中首先分別選取河流上下游的2個典型斷面進行流態(tài)判別，初步判定河流為上游急流、下游緩流的混合流。

因此在應(yīng)用HES-RAS軟件計算中，采用了混合流的計算方法。同時，根據(jù)支流匯入情況，結(jié)合產(chǎn)雨面積，分不同段設(shè)置不同的設(shè)計洪水流量。漏河全線供設(shè)置57處大斷面，局部變化很大區(qū)域又加設(shè)了50m間隔的小斷面，由于篇幅所限，水面線計算成果僅整理重要斷面如表1所示，漏河河底及水面線縱剖面示意圖如圖2所示。

圖2 漏河水面線示意圖

設(shè)計過程中，最先采用的并非HEC-RAS軟件，但在嘗試采用SOBEK-RURAL軟件計算時，在斷面18、斷面33處出現(xiàn)終止或錯誤結(jié)果現(xiàn)象，其他軟件嘗試中也出現(xiàn)過各式各樣的錯誤，計算無法順利進行。而應(yīng)用HEC-RAS軟件則可以很好的得到計算結(jié)果，檢驗后并無明顯差錯，計算結(jié)果可作為設(shè)計依據(jù)。

究其原因，在山區(qū)性河流水面線計算中，如斷面18及斷面33區(qū)域附近，流態(tài)為急流、緩流交替頻繁出現(xiàn)，從而導致能量方程不收斂，出現(xiàn)終止或錯誤結(jié)果現(xiàn)象。而HEC-RAS軟件計算急流及臨界流的時候，如出現(xiàn)能量方程不收斂時，則直接采用該斷面的臨界水深作為該斷面水深，而在緩流斷面處直接采用計算水深，從而避免了錯誤現(xiàn)象的出現(xiàn)。

根據(jù)水力學原理，在急流斷面處正常水深應(yīng)該小于臨界水深，但是從工程角度來說，在急流斷面采用臨界水深代替正常水深來確定工程規(guī)模是偏安全的，同時，急流、緩流交替出現(xiàn)區(qū)域一般也往往為重點防護區(qū)域，因此HER-RAS的計算結(jié)果從工程安全角度來看是合理的，可作為設(shè)計依據(jù)。

3 結(jié)論和建議

在桓仁縣漏河水面線計算的應(yīng)用實例中，可以看出在山區(qū)性河流水面線計算中HEC-RAS軟件是穩(wěn)定可靠的，HEC-RAS軟件可解決山區(qū)性河流急流、緩流頻繁交替情況下的的水面線推算問題，適用面廣，求解能力強，計算結(jié)果從工程安全角度來看是合理的，可作為設(shè)計依據(jù)。

在使用HEC-RAS軟件計算山區(qū)性河流水面線中，通過分析計算，總結(jié)了一些經(jīng)驗，對斷面布置選取及HER-RAS軟件使用提出以下建議：

1)山區(qū)性河流流態(tài)復雜多變、斷面形狀不規(guī)則，因此在選擇斷面時應(yīng)盡量選擇典型斷面，減少計算誤差，同時河岸兩側(cè)選取足夠的計算空間，防止水面線計算中出現(xiàn)懸河現(xiàn)象，使水面線計算成果更加準確。

2)由于山區(qū)性河流蜿蜒曲折，變化較大，對于擬設(shè)工程段處附近可適當加密布置斷面，根據(jù)筆者經(jīng)驗，在擬設(shè)工程段及鄰近區(qū)域每50m設(shè)置一處計算斷面可有效增加工程段水面線的計算精度，效果顯著。

3)水面線計算中，河道的糙率選取對計算結(jié)果影響很大，應(yīng)根據(jù)斷面實際情況進行河槽的劃分，同時應(yīng)多方面考慮，如有可能，結(jié)合洪痕等現(xiàn)場勘測成果綜合選取適宜的糙率。

4)HEC-RAS在計算過程中會在各斷面留下提示信息。采用HEC-RAS計算時，應(yīng)注意檢查各斷面提示信息，及時核對相應(yīng)數(shù)據(jù)，并分析其原因，提高計算精準度。

表1 漏河10 a一遇水面線計算成果

[1]李煒．水力計算手冊(第2版)[M]．北京：中國水利水電出版社，2011：38-60．

2015-07-28

齊云飛(1978-)，男，遼寧開原人，滿族，高級工程師，從事規(guī)劃、水資源配置與水利經(jīng)濟管理工作。

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