申寶玉

摘 要：介紹美國工程兵團(tuán)編制的HEC-RAS軟件對恒定流計(jì)算方法，對比當(dāng)前常用河道水面線計(jì)算方法的差異性。采用兩種方法，通過山區(qū)河道實(shí)際地形條件下的洪水水面線模擬，對比結(jié)果表明，當(dāng)采用一致的河道橫截面、糙率時，兩種計(jì)算成果差距較小，HEC-RAS計(jì)算成果略微偏大。特別是在橋梁處的計(jì)算時，我們通常采用寬頂堰方法進(jìn)行計(jì)算，HEC-RAS則針對不同條件采用堰流和動量方程進(jìn)行計(jì)算，精確度應(yīng)更好一些。

關(guān)鍵詞：HEC-RAS 山區(qū)河道 洪水水面線 模擬 應(yīng)用

中圖分類號：P333 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（c）-0026-03

1 HEC-RAS軟件與《水力學(xué)計(jì)算手冊》方法的對比

1.1 河道水面曲線計(jì)算的理論基礎(chǔ)

HEC-RAS是美國工程兵團(tuán)編制的河道水流分析系統(tǒng)，其代碼和文檔可自由使用、復(fù)制、開發(fā)。本次應(yīng)用是2016年5月發(fā)布的HEC-RAS5.0.3版本1。HEC-RAS在天然或人工渠道計(jì)算恒定流和漸變流的河流水面的理論依據(jù)包括：水面曲線計(jì)算的基本方程、河道橫截面、河道的糙率復(fù)合值、速度水頭加權(quán)系數(shù)α、收縮和膨脹系數(shù)等，以上這些內(nèi)容與我國當(dāng)前計(jì)算河道水面的基本理論一致，只是在個別公式應(yīng)用上有所不同。

水面曲線計(jì)算的基本方程：

該公式以兩個截面之間的流量與流速有關(guān)。

《水力學(xué)計(jì)算手冊-第二版》中稱為動能修正系數(shù)，動能修正系數(shù)與斷面上流速分部的不均勻性有關(guān)。山區(qū)河道α值較大，平原河道α值較小。單式斷面的α值較復(fù)式斷面α值小。其計(jì)算式為：

其他如：水力坡度、流量計(jì)算公式、流量模數(shù)等公式兩種計(jì)算方法是一致的。因此。其計(jì)算方法的理論依據(jù)是一致的。

1.2 HEC-RAS河道水面曲線計(jì)算方法差異

HEC-RAS橫截面上未知水面高程是基本方程和速度加權(quán)系數(shù)進(jìn)行二分迭代求解的。計(jì)算過程如下。

步驟（1）：假定上游橫截面上的水面高程（或計(jì)算下游截面臨界水位）；步驟（2）：在假定水面高程的基礎(chǔ)上，確定相應(yīng)的總流量和速度水頭。步驟（3）：使用步驟（2）的值計(jì)算水力坡度并使用方程2求解截面間的水頭損失。步驟（4）：使用步驟（2）和（3）的值和基本方程求解水面高程。步驟（5）：比較水面高程計(jì)算值與步驟（1）中假定的值；重復(fù)步驟（1）～（5）直到偏差值小于0.03m。

在迭代過程中假定水面高程在每次試算時各不相同。方法如下：

WSI=WSI-2—ErrI-2*Assum_Diff/Err_Diff

式中：WSI為新假設(shè)水面；WSI-1為上一次迭代假設(shè)水面；WSI-2為前兩次試驗(yàn)的假定水面；ErrI-2為兩次試算的差值；Assum_Diff為假設(shè)水面與前兩次試算的差值；Err_Diff為前兩次試算差值的差異。

水力學(xué)計(jì)算手冊采用逐段試算法，逐段試算法是對基本方程的應(yīng)用，只將其變量函數(shù)v變換成流量Q，整理基本方程，得出公式為：

利用E1=E2，進(jìn)行列表計(jì)算或用二分迭代法求解。

2 山區(qū)縣城段水面模擬應(yīng)用

2.1 地形資料收集

永和縣位于呂梁山的西側(cè)，有人口6.2萬人，芝河自東北至西南從永和縣城穿過，將縣城分為東、西兩部分，芝河城區(qū)段干流是從縣城東北的老東風(fēng)橋上游開始，至縣城西南的藥家灣橋，干流長4180m。因河道兩岸居民將生活、建筑垃圾倒入河中，造成河道淤積嚴(yán)重，實(shí)際過水能力只能抵御5年一遇（20%）洪水。芝河屬黃河一級支流，發(fā)源于永和縣城東北約20km的坡頭鄉(xiāng)，在交口鄉(xiāng)取材灣匯入黃河，全長62km，河道平均縱坡為15‰。流域面積792km2，流域平均寬度12.8km?？h城城區(qū)段干流全長4.65km，控制流域面積415km2，平均縱坡為1/125，平均流域?qū)挾?3.1km，縣城段依次有東風(fēng)橋、永安橋、永紅橋、郵電橋和藥家灣橋。2017年，該縣城市建設(shè)要求計(jì)算芝河50年一遇洪水位，為了準(zhǔn)確反映縣城實(shí)際地形與建筑情況，我們利用無人機(jī)進(jìn)行了三維激光掃描，結(jié)合地面像控點(diǎn)、當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)與高程，生成區(qū)域點(diǎn)云圖，作為地理數(shù)據(jù)，用于洪水計(jì)算。

2.2 截面數(shù)據(jù)錄入

根據(jù)河道走勢，繪制河道示意圖。將河道截取30個橫截面，在mapgis中生成橫截面數(shù)據(jù)文件，從下游開始逐個導(dǎo)入到HEC-RAS橫截面，選擇河道糙率和河灘糙率。逐個輸入現(xiàn)有6座橋梁的位置，并在橋的上下游附近增設(shè)橫斷面，輸入橋板尺寸、橋墩位置尺寸，按無損耗、漸變、典型、突變四種形式橋梁處的收縮與擴(kuò)張系數(shù)從0、0到0.6、0.8變化。HEC-RAS采用幾種不同的形式分析橋梁過水能力：低水位堰流，壓力流、壓力堰流、淹沒流。有4種方法可以計(jì)算橋梁過水損失：能量方程（標(biāo)準(zhǔn)步長法）、動量平衡、亞內(nèi)爾方程、FHWA WSPRO方法，將四種方法計(jì)算結(jié)果對比分析，最終確定其中一種計(jì)算方法的結(jié)果，各種方法的橋墩形狀系數(shù)略有不同。本次計(jì)算采用能量方程計(jì)算。

根據(jù)《永和河道治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》等已有資料，該河各段的20年一遇洪峰流量分別為：老東風(fēng)橋（F=253km2）1272m3/s，永紅橋（F=287km2）1402m3/s，郵電橋（F=400km2）1859m3/s，藥家灣橋（F=415km2）1886m3/s，段家河（F100.3km2）471m3/s。

將流量資料錄入HEC-RAS恒定流數(shù)據(jù)表，設(shè)定緩流的邊界條件為下游河道縱坡12‰，執(zhí)行程序計(jì)算。

2.3 HEC-RAS計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果由HEC-RAS導(dǎo)出，并與斷面尺寸比較發(fā)現(xiàn)：永和縣芝河發(fā)生10%洪水時，河道過洪順暢，無淹沒。發(fā)生5%洪水時，老東風(fēng)橋不能通過20年一遇洪水，將漫頂；永紅橋段河道水位偏高，距離橋板底部僅0.1m，缺少安全超高，但不會造成洪水進(jìn)入城區(qū)；藥家灣橋?qū)⒙敗０l(fā)生2%洪水時，所有橋梁均不能通過洪水，縣城街道將形成城市內(nèi)澇，部分地段淹沒深度將達(dá)到2m以上。永和縣芝河上游段河道較窄，過水能力較差，但勉強(qiáng)滿足5%洪水過流；下游藥家灣橋過水不暢，在5%洪水時就會漫過橋面；洪水流速較大，水頭壓力較大，會對河岸護(hù)堤造成沖刷損壞，見圖1、圖2。endprint

計(jì)算發(fā)現(xiàn)永和縣芝河目前最大只有20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，不能防御50年一遇洪水。

2.4 計(jì)算成果比較分析

根據(jù)《永和河道治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》等資料，永和縣城城區(qū)段共有6座橋，經(jīng)復(fù)核最大過流能力如下：東風(fēng)橋1251.3m3/s、永紅橋1420.8m3/s、府西橋1812.3m3/s、郵電橋1871.5m3/s、藥家灣橋1875.4m3/s。從HEC-RAS計(jì)算結(jié)果對比藥家灣橋在通過20年一遇洪水（1886m3/s）時會出現(xiàn)漫頂，與設(shè)計(jì)資料基本一致，見表1。

3 結(jié)語

HEC-RAS軟件河道分析功能與我國水力學(xué)計(jì)算的理論依據(jù)基本一致，斷面分析較為準(zhǔn)確，糙率系數(shù)采用與《水力學(xué)計(jì)算手冊》第二版（中國水利水電出版社）一致，計(jì)算方法準(zhǔn)確強(qiáng)大，計(jì)算速度快，精度能在設(shè)定的范圍內(nèi)。HECRAS則針對不同條件采用堰流和動量方程進(jìn)行計(jì)算，精確度應(yīng)更好一些。HEC-RAS還能直接輸出縱斷面圖、橫斷面圖、3D演示圖，方便展示計(jì)算成果；并且可以按照用戶需求以表列出計(jì)算數(shù)據(jù)，如、總流量與分區(qū)流量、流速與分區(qū)流速、能量水頭、水面高程、水力坡降、臨界水位、弗雷德數(shù)、水深、水面寬、過水面積等水力學(xué)要素。HEC-RAS5.0版的二維計(jì)算分析功能，可以形象的反映出洪水淹沒等過程。HEC-RAS與ESRI公司開發(fā)了HEC-GeoRAS，可以從GIS圖中直接讀取河道截面信息和河灘地理信息，更方便計(jì)算。HEC-RAS是美國工程兵團(tuán)編制的免費(fèi)使用程序，目前在我國應(yīng)用并不廣泛，有待于專業(yè)學(xué)術(shù)部門進(jìn)一步推廣開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

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