基于HEC-RAS軟件和公式法兩種水面線計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

劉碧波,任宏超,李文輝

（陜西省寶雞市水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，陜西 寶雞 721000）

1 兩種方法簡(jiǎn)介

1.1 HEC-RAS軟件簡(jiǎn)介

HEC-RAS[1]是由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的河流模擬分析軟件。該軟件可對(duì)河流或人工河道進(jìn)行一維恒定流和非恒定流的水力推演；可計(jì)算緩流、急流及混合流等各種流態(tài)；還可進(jìn)行如防洪堤、橋梁、涵洞、堰閘、泵站等涉水建筑物的水面線分析；同時(shí)，能夠生成橫斷面形態(tài)圖、能量及水位過程曲線、河道三維斷面圖等分析圖表。該軟件操作簡(jiǎn)便，適應(yīng)范圍廣。

軟件原理主要是恒定流計(jì)算基于一維能量方程，采用直接步進(jìn)法推求水面線，利用下列公式來進(jìn)行推求計(jì)算水面線。

依據(jù)公式由z2向z1逐步進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水位的推算，最終推出各切分?jǐn)嗝娴暮樗弧?/p>

1.2 公式法簡(jiǎn)介

根據(jù)選取斷面的河段糙率和實(shí)測(cè)的橫斷面資料，首先確定各個(gè)斷面的水力要素，采用公式法，按明渠水力計(jì)算方法進(jìn)行，計(jì)算采用公式[2]為：

2 水面線計(jì)算

2.1 實(shí)例

渭河馬家段內(nèi)河床寬窄不定，兩岸主堤防已建成，且堤防的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，堤距在600～900m范圍內(nèi)。渭河馬家段糙率取值采用傳統(tǒng)“試糙法”，其原理依據(jù)調(diào)查洪水資料推求一個(gè)糙率，再利用試糙法反復(fù)試算得到最終的糙率。調(diào)查得知2003年8月發(fā)生洪水，洪峰流量為3000m3/s，再以調(diào)查洪水洪痕作為控制，依據(jù)河道實(shí)測(cè)斷面，洪水水位，及河道比降，推算出河道糙率，并依據(jù)馬家段地質(zhì)資料，通過查表初選糙率，最后參考魏家堡水文站實(shí)測(cè)洪水糙率、《陜西省渭河全線整治方案》中糙率并結(jié)合馬家段兩岸灘面具體狀況，最終確定此段河道糙率為0.036，兩岸灘地中主流靠岸側(cè)為0.039，灘面較大側(cè)為0.050，為之后HEC-RAS軟件和公式法提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本次計(jì)算選取的工程區(qū)段位于渭惠渠攔河壩下游，標(biāo)準(zhǔn)為渭河10年一遇，洪峰流量為4050 m3/s。本文河段上游渭河魏家堡水文站實(shí)測(cè)的洪水比降、糙率統(tǒng)計(jì)情況:魏家堡水文站根據(jù)流量、水面比降等實(shí)測(cè)資料計(jì)算的河道糙率值一般在0.025～0.034之間，高水時(shí)的糙率值穩(wěn)定在0.033左右。

2.2 HEC-RAS計(jì)算水面線

利用HEC-RAS軟件首先創(chuàng)建河道信息，并編輯其邊界條件，如河床糙率、起始斷面各點(diǎn)高程、水位標(biāo)高、主槽深、左右岸曼寧系數(shù)的n值，第二步進(jìn)行各斷面的具體數(shù)據(jù)編輯，最后進(jìn)行各斷面水面線的推求[3]。

本次共切分4個(gè)斷面，其中起始斷面及各斷面的計(jì)算結(jié)果見圖1和表1。

2.3 公式法計(jì)算水面線

通過調(diào)查及經(jīng)驗(yàn)，分別將四個(gè)斷面的n、i及斷面數(shù)據(jù)整合處理后帶入曼寧公式，通過反復(fù)試算，直到試算出的水深與10年一遇洪水流量相匹配為止[4]。具體計(jì)算成果見表2。

3 結(jié)果分析

分別對(duì)兩種方法計(jì)算出的10水面線結(jié)果，見表3和圖2。

圖1 起始斷面10年一遇斷面

表1 HEC-RAS軟件計(jì)算渭河10年一遇水面線計(jì)算成果表

表2 公式法計(jì)算渭河10年一遇水面線計(jì)算成果表

圖2水面線對(duì)比圖

圖2可以看出，兩種計(jì)算方法下起始斷面的水位相同，但HEC-RAS軟件推求處的水面線較公式法偏高，1#斷面差距最大，2#斷面次之，但起始斷面水位較4#斷面水位高。由表3具體可以得出4#斷面水位相差1.6m，2#和3#斷面僅相差0.4m和0.3m，四個(gè)斷面相差平均值為+0.66m，但公式法計(jì)算結(jié)果較低，對(duì)于HEC-RAS計(jì)算的起始斷面水位為503.15m，4#斷面為501.26m，按照軟件推求原理起始段斷面位于下游處，而4#斷面位于地勢(shì)較高的上游地段，理論上4#斷面水位應(yīng)高于起始斷面，但實(shí)際計(jì)算結(jié)果卻偏低。

表3 兩種計(jì)算方法成果對(duì)比表

4 結(jié)論

本文通過采用兩種不同的方法對(duì)渭河馬家段水面線進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)兩種計(jì)算方法下的結(jié)果對(duì)比總結(jié)，結(jié)論如下：

（1） HEC-RAS軟件計(jì)算結(jié)果較公式法偏大，但起始斷面與公式法結(jié)果一致，其原因主要是HEC-RAS軟件起始斷面的邊界條件也是通過曼寧公式試算得來[5]。

（2）其余4個(gè)斷面計(jì)算結(jié)果HEC-RAS軟件均偏高，其原因?yàn)镠EC-RAS軟件計(jì)算的連續(xù)性及相關(guān)性[6]，HEC-RAS軟件主要通過起始斷面向上游逐層推求，其余斷面計(jì)算結(jié)果均基于起始斷面，上一層與下一層之間關(guān)聯(lián)性較為嚴(yán)密，且斷面切分越多，河段越長(zhǎng)結(jié)果就越趨于準(zhǔn)確，而公式法斷面與斷面間的相關(guān)性較差。

（3）針對(duì)起始斷面計(jì)算結(jié)果較4#斷面高，根據(jù)調(diào)查分析，近幾年由于城市的發(fā)展，河道采砂嚴(yán)重，起始斷面處由于沙場(chǎng)挖沙，導(dǎo)致河道下切嚴(yán)重導(dǎo)，斷面高程降低，引起水位降低，而4#斷面由于淤積作用，河道高程提升，計(jì)算水位反而較高。此類問題在運(yùn)用HEC-RAS軟件計(jì)算時(shí)影響較大，故起始斷面的選擇和分析也很重要。

（3）綜合以上各種結(jié)果的對(duì)比分析，認(rèn)為各有適用性。公式法對(duì)于河段較短、斷面要求不高時(shí)，計(jì)算既簡(jiǎn)便，準(zhǔn)確性又偏高，且相互之間誤差的傳遞性較少；HEC-RAS軟件更適宜河段較長(zhǎng)，斷面切分較密時(shí)采用，此時(shí)計(jì)算簡(jiǎn)便，只需輸入各斷面基礎(chǔ)信息即可?？偟膩碚f，具體采用哪種計(jì)算方法均能得出合理結(jié)果，但須結(jié)合具體情況采用精度更高且更便捷的方法運(yùn)用于實(shí)際工作。

[1]劉洋,孫曉英,王俊英,王富世,王海竹.HEC-RAS及SOBEK-RURAL軟件推算山區(qū)天然河道水面線[J].北京水務(wù).2008(06).

[2]水力計(jì)算手冊(cè)[M].中國(guó)水利水電出版社,李煒主編,2006.

[3]劉洋.幾種水面線推算方法的比較[J].人民黃河.2011(02).

[4]周斌,王義幫.天然河道水面線計(jì)算的一種改進(jìn)方法[J].廣東水利水電.2006(03).

[5]河道水面線計(jì)算方法[J].劉平,閆江鴻,候睿,龔江濱.內(nèi)蒙古水利.2014(04）.

[6]胡永超.防洪工程中的水面線計(jì)算[J].陜西水利水電技術(shù).2003(02).