淡倉 吳歐俁 王春明

摘 要：中小河流治理項目規(guī)劃設計的基礎工作是河道水面線推求。對于山區(qū)底坡較陡的河道和多跨河建筑物河道，常采用HEC-RAS軟件進行水面線推求。通過對實際工程水面線推求過程的應用分析，介紹山區(qū)天然河道水面線推求的方法，并根據(jù)計算結果和實際應用經(jīng)驗得出了治理河段不滿足防洪要求的結論，同時提出了軟件使用的幾點建議。

關鍵詞：HEC-RAS;河道治理;水面線

中圖分類號：TV122文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0068-03

Abstract： The basic work of design planning of Middle-size and small-scale river regulation is to determine the water surface profile. The software of HEC-RAS is often used to infer the water surface profile for river courses with steep bottom slope and many cross-river buildings in mountainous areas. Based on the application analysis of the water surface profile in practical engineering， The article details the method of the water surface profile in natural river course in mountainous area， and according to the calculation results and practical application experience， puts forward the conclusion that the treated river reach does not meet the flood control requirements and some suggestions on the application of software.

Keywords： HEC-RAS;river regulation;water surface profile

河道水面線推求是中小河流治理項目規(guī)劃設計最主要的內(nèi)容，直接影響工程的規(guī)模和治理措施的制定。目前，推求河（渠）道水面線常用的方法有謝才公式法、一維能量方程法以及一維圣維南方程法等。通常采用的計算軟件有MIKE11軟件、SOBEK-RURAL軟件以及HEC-RAS軟件等。對于底坡較陡的山區(qū)河道，多采用HEC-RAS軟件進行推求[1-2]。

1 HEC-RAS軟件簡介

USACE開發(fā)的HEC-RAS軟件可直接計算并生成河道各橫斷面、縱斷面的水面線圖形以及河道三維水面透視圖等分析圖表，給水面線推求帶來了極大便利[3-4]。運用HEC-RAS軟件進行天然河道水面線推求主要包括5個步驟，即新建工程項目、輸入河網(wǎng)幾何資料、設定流量及邊界水位、執(zhí)行程序計算水面線以及查看導出計算結果。

1.1 新建工程項目

①選擇主菜單“Options”→“Unit system”，在彈出界面修改單位系統(tǒng)為國際單位（Metric）系統(tǒng);②選擇主菜單“File”→“New Project”，在彈出界面新建工程項目。

1.2 輸入河網(wǎng)幾何資料

①選擇主菜單“Edit”→“Geometric Data”，調(diào)出幾何資料輸入窗口;②添加背景圖片描繪河網(wǎng)并給各河段命名;③輸入或者導入GIS、HEC、MIKE、CSV或GML等格式的橫斷面數(shù)據(jù)，橫斷面數(shù)據(jù)包括斷面特征點的坐標值、左右岸河灘及河槽距離下游斷面的距離、左右岸河灘及河槽所采用的糙率值、左右岸河灘和河槽的分界點里程以及斷面擴散和收縮系數(shù);④選擇匯流點計算方式（能量法和動量法），并輸入相應的幾何參數(shù);⑤輸入跨河建筑物（橋梁、涵洞等）的幾何參數(shù);⑥設置斷面阻水區(qū)和水流無效區(qū)域;⑦點擊幾何資料輸入窗口菜單“File”→“Save Geometric Data”，保存創(chuàng)建的幾何數(shù)據(jù)。

1.3 設定流量及邊界水位

①選擇主菜單“Edit”→“Steady Flow Data”，調(diào)出恒定流數(shù)據(jù)輸入窗口;②設定計算工況數(shù)量;③輸入不同工況各河段控制斷面所對應的流量數(shù)值;④點擊“Reach Boundary Conditions”按鈕，調(diào)出恒定流邊界條件輸入界面;⑤根據(jù)河道水流流態(tài)，輸入各河段上下游邊界起推水位;⑥點擊“Apply Data”按鈕，保存流量與邊界條件數(shù)據(jù)。

1.4 執(zhí)行程序計算水面線

①選擇主菜單“Run”→“Steady Flow Analysis”，調(diào)出恒定流計算窗口;②選擇幾何文件和流量文件;③選擇河道流態(tài)（Subcritical、Supercritical、Mixed）;④點擊“Compute”按鈕進行水面線計算。

1.5 查看導出計算結果

①選擇主菜單“View”→“Cross-Sections”，查看河道各橫斷面水位圖;②選擇主菜單“View”→“Water Surface Profiles”，查看各河段縱斷面水面線圖;③選擇主菜單“View”→“X-Y-Z Perspective Plots”，查看河道三維水面透視圖;④選擇主菜單“View”→“Profile Summary Table”，查看河道各橫斷面水力計算成果表，包含流量、流速、過流面積、深泓高程以及水位高程等數(shù)據(jù)，待復制到剪切板后可粘貼到Excel中。

2 工程實例應用分析

2.1 工程概況

X河道位于云南省西北部，為金沙江一級支流，全長68.9 km，平均比降10.0‰，集水面積1 238 km2。河道防洪工程建設從20世紀50年代開始至今，斷斷續(xù)續(xù)進行，尚未形成完整的防洪體系。本次治理河段為三級水電站至四級水電站取水壩之間的河段，治理段總長2.833 km。治理河段內(nèi)有6座道路橋和1座取水壩。根據(jù)實測的1∶1 000帶狀地形圖和現(xiàn)場實地調(diào)查，本次治理河段兩岸大部分天然河堤采用人工種樹的方式進行加固，河道基本被穩(wěn)定在現(xiàn)狀河岸線范圍內(nèi)?，F(xiàn)狀河槽寬40～45 m，局部寬度達到55～60 m。

2.2 河網(wǎng)模型創(chuàng)建

2.2.1 河網(wǎng)幾何資料輸入。河網(wǎng)幾何資料的輸入是HEC-RAS模型創(chuàng)建過程中工作量最大的環(huán)節(jié)，主要任務是在橫斷面數(shù)據(jù)輸入窗口創(chuàng)建河網(wǎng)，輸入橫斷面數(shù)據(jù)和橋梁幾何數(shù)據(jù)。由于橫斷面數(shù)量較多，因此可先在計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）測量圖中將橫斷面數(shù)據(jù)導入Excel，然后另存為CSV格式文件，再批量導入HEC-RAS軟件。如果測量精度足夠高，則可將測量點數(shù)據(jù)導入Civil 3D軟件生成地形曲面，然后利用軟件中的“路線創(chuàng)建”與“采樣線”等命令創(chuàng)建河道中心線與橫斷面，最后直接將河網(wǎng)信息導出為HEC-RAS軟件可以識別的GIS格式文件。需要注意，須對調(diào)導出數(shù)據(jù)的左右岸位置，才可用于軟件計算[5]。

治理河段間隔100 m布設一個橫斷面，遇跨河建筑物處橫斷面間距適當加密，共布設40個橫斷面。所有測量橫斷面數(shù)據(jù)先通過CAD二次開發(fā)軟件（ZDM、遠盛水工等）批量導出到Excel，然后另存為CSV格式文件，再批量導入HEC-RAS軟件，從而節(jié)省了大量建模時間。橫斷面其他參數(shù)（糙率、斷面間長度、收縮擴散系數(shù)以及河灘分界點位置）均可在幾何資料輸入窗口的“Tables”菜單下調(diào)出相應參數(shù)表格，批量進行添加和修改。

橋梁幾何參數(shù)在橋涵資料編輯窗口（Bridge Culvert Data）進行輸入，主要輸入橋梁的樁號、橋面板的寬度、橋面板上下游的幾何形狀參數(shù)、橋墩個數(shù)、橋墩上游端和下游端的坐標位置以及上游端和下游端的幾何形狀參數(shù)。本項目1#～5#道路橋為混凝土矩形橋梁，6#橋為漿砌石拱橋。幾何資料編輯完成后的河網(wǎng)平面見圖1。

2.2.2 計算參數(shù)選取。影響河道水面線精度的參數(shù)有收縮擴散系數(shù)和河道糙率，其中河道糙率的取值對水面線結果的影響非常大，因此一定要慎重取值。本項目河道橫斷面擴散系數(shù)為0.3，收縮系數(shù)為0.1。河道糙率首先根據(jù)治理河段下游水文站實測水位-流量率確定，然后參考河道已治理河段的糙率取值，查閱水力學手冊等資料后，綜合確定治理河段河槽糙率為0.04、河灘地糙率為0.05。

2.3 設計流量及邊界條件

2.3.1 設計洪峰流量。治理河段防洪標準十年一遇，各防洪控制斷面洪峰流量見表1[6]。

2.3.2 起推斷面及起推水位。治理河段末端為河道四級水電站取水堰，堰型為折線堰，堰寬35 m。此處水流流態(tài)由緩流突變?yōu)榧绷鳎士梢耘袛啻藬嗝鏋槠鹫{(diào)斷面，可采用折線堰流量計算公式計算起推水位。

2.4 水面線計算結果

將河道幾何資料、控制斷面設計流量及起推水位輸入軟件，即可進行水面線的計算。本項目采用緩流流態(tài)進行計算，軟件可一次計算多種頻率洪水對應的水面線，部分計算結果見表2。

3 結語

從河道水面線計算成果可以看出，所治理的河段不滿足十年一遇洪水的標準，急需新建堤防使河道防洪能力達到治理要求。HEC-RAS軟件計算天然河道水面線非常實用，特別是對于山區(qū)陡坡河道急流斷面，用臨界水深替代計算水深，可避免能量方程發(fā)生計算不收斂的情況，且計算結果稍大，有利于維護工程安全。HEC-RAS軟件建模時，河道幾何資料輸入較煩瑣，但采取批量導入橫斷面數(shù)據(jù)的方法可減少大量建模時間。對于橫斷面形狀和底坡變化不大的河道，可適當擴大測量橫斷面的間距。如果河灘地較緩，為防止水面線超出測量橫斷面邊界高程，可人為加高橫斷面兩側(cè)點高程，防止軟件計算出錯。起推斷面建議選擇在緩流突變到急流的斷面。如果不存在這樣的斷面，建議選擇在河道治理末段下游1.5～3.0 km處。此外，底坡取大值，以有效消除明渠均勻流公式反算起推水位時由于底坡取值誤差對治理段水面線產(chǎn)生的影響。

參考文獻：

[1]劉洋.幾種水面線推算方法的比較[J].人民黃河，2011（2）：51-53.

[2]王森，趙新益，黃爾.基于DEM和HEC-GeoRAS軟件的洪水模擬[J].人民黃河，2017（5）：41-44.

[3]US Army Corps of Engineers Hydrologic Engineering Center.HEC-RAS river analysis system hydraulic reference manual version 5.0[Z].2016.

[4]US Army Corps of Engineers Hydrologic Engineering Center.HEC-RAS river analysis system user's manual version 5.0[Z].2016.

[5]黃海龍.基于Civil 3D與HEC-RAS的快速水面線計算方法[J].低碳世界，2017（23）：51-53.

[6]徐詠久，閆悅玲.國家標準《防洪標準》GB 50201—94經(jīng)建設部批準發(fā)布施行[J].水利水電標準化與計量，1995（2）：44-45.