邰肇悦，赵通阳

（1．河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016）

HEC-RAS在中小河流治理中的应用

邰肇悦，赵通阳

（1．河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016）

结合沱河支流宋沟的治理工程，探讨了采用HEC－RAS水面线计算软件进行天然河道水面线推算的原理和步骤。计算结果表明，HEC－RAS不仅适用于天然河道复杂的断面型式，还能直观判断现状河道的除涝能力，节省计算时间，提高设计效率和精度。

沱河支流宋沟；中小流域河流治理工程；HEC－RAS；水面线计算；计算时间；设计效率

0 引言

在河道治理工程中，推求河道水面线是重要的基础工作。由于大多数天然河道尤其是中小河流的断面形式复杂，应用传统的河道水面线推算方法（即逐段试算法）进行计算，不仅会浪费大量的时间，也得不到理想的计算成果。HEC－RAS是一个针对一维恒定流和非恒定流的水力计算软件包，包括洪水调度分析、河道水面线计算、涉水建筑物（桥、堰等）阻水分析、动床输沙模拟、闸门及水泵启闭模拟、水质分析等功能［1～3］。 用 HEC－RAS水面线计算软件计算河道水面线，既能够节省工作量和计算时间，又可以提高设计效率和精度［4］。笔者试以沱河支流宋沟为例，探讨HEC－RAS软件在河道治理工程中的实际应用。

1 工程概况及治理标准

1．1 工程概况

宋沟是沱河左岸的主要支流，全长41km，流域总面积125km2，主要流经夏邑县和永城市。沿河村庄人口较多，人均耕地少。多年来，该河道由于缺乏治理，除涝能力低，极易发生洪涝灾害。故宋沟被列入永城市中小河流治理河道之一。

1．2 治理标准

根据 《永城市中小河流治理重点县综合整治及水系连通试点规划》，宋沟为5级河道，按5年一遇除涝标准疏浚。在工程治理中，通过HEC－RAS，计算宋沟在5年一遇设计洪水下的状况以及设计断面除涝水面线，指导河道工程断面设计。

2 HEC－RAS的计算原理和步骤

2．1 HEC－RAS 的计算原理

HEC－RAS进行恒定流水面线计算是基于一维能量方程，采用直接步进法逐段推求水面线，计算公式如式（1）所示［5～6］。

式中：Y1、Y2分别为上、 下游断面水深，m；Z1、Z2分别为上、下游断面河底高程，m；a1、a2为流速系数；V1、V2分别为上、 下游断面平均流速，m／s；g 为重力加速度，m／s2；he为水头损失，m。

2．2 计算步骤

运用该软件计算时，需要河道地形及断面数据、流量、水位等基础资料。其操作流程如图1所示。

图1 HEC－RAS软件操作流程Fig.1 HEC-RAS software operation process

2．2．1 计算断面参数输入

本次治理工程起于永城市和夏邑县交界处，止于入沱河口，河道长为22．3km。设定几何资料时，共输入242个实测横断面，横断面数据编辑界面如图2所示。

图2 横断面数据编辑界面Fig.2 Cross section data editing interface

2．2．2 边界条件设置

根据工程资料，采用HEC－RAS恒定流计算方法，选择自下游向上游逐段推求的缓流模式。在宋沟各控制断面设置上游洪峰流量。设置边界条件时，选择输入下游端已知水位。

（1）流量计算。宋沟为豫东平原河道，设计暴雨、降雨径流关系根据 《河南省水利工程水文计算常用图集》（73图集）查算，设计洪水用平原排涝模数法计算，计算公式如式（2）和式（3）所示。宋沟设计流量计算成果如表1所示。

式中：Q 为洪峰流量，m3／s；M 为排涝模数，F＜50km2时，按50km2计算；R为24h设计暴雨径流深，mm；F为流域面积，km2；K为洪峰流量关系综合系数，本次计算取0．035。

表1 宋沟设计洪水流量表Tab.1 Songgou River designed flood flow

（2）糙率选取。河道糙率反映了河床对水流的阻力影响，是河道水力学计算的重要参数。在水力计算中，糙率值的选取对计算结果影响很大。如无实测资料，应进行实际调查，并根据工程经验与实测资料确定的糙率资料表，选用合适的糙率值［7］。宋沟为平原天然河道，河床为土质，河槽清洁、顺直、无沙滩和深潭，滩地有正在耕种的农作物，选取宋沟现状断面河槽糙率 n＝0．03，滩地糙率n＝0．035。治理后，主槽清淤，取 n＝0．025，滩地平整，取 n＝0．03。

（3）起推水位的确定。宋沟入沱河处5年一遇设计水位与沱河水位相应。因此，采用32．92m作为下游水位边界，自下而上推求水面线。

3 水面线计算结果分析

3．1 水面线计算结果

基础资料及参数输入完成后，保存数据，即可执行HEC－RAS恒定流一维计算。计算结果输出形式可以为图或表（如表2和图3所示）。

表2 宋沟现状断面水力计算成果表Tab.2 Songgou River present situation section hydraulic calculation result

图3 宋沟现状河道水面纵剖面图Fig.3 Watercourse water surface vertical section of Songgou River present situation

图4 现状不满足除涝要求断面及设计后断面对比（桩号0＋800）Fig.4 Comparison of present section and designed section(Pile number0+800)

3．2 现状河道水位分析

根据现状河道水面线模拟结果，宋沟现状五年一遇水位为32．92～38．10m， 水位自上游至下游递减。大部分断面设计水位低于两岸地面高程0．21～1．35m，只有局部断面水位超出地面（如图4所示）。现状断面基本能够满足五年一遇除涝水位低于地面0．2～0．5m 的设计要求。

从纵断面（图3）中可以看出，桩号0＋000～2＋600以及桩号17＋300～22＋300河段河底淤积抬高约0．2～1m。河底的明显抬升会造成水位的雍高。河底的凹凸不平也会增大糙率，从而影响河道的过水能力。

表3 宋沟设计断面水力计算成果对比表Tab.3 Comparison of Songgou River designed section hydraulic calculation results

根据现状河道断面以及除涝水位与地面的关系，宋沟设计断面仅需对河道进行清淤和岸坡整治，即可满足五年一遇除涝要求。

3．3 设计水位分析

结合现状水位分析，在满足除涝水位与两岸地面高差要求的前提下，兼顾投资经济因素，经多次试算，最终确定设计断面。应用HEC－RAS计算软件设计断面的除涝水位，模拟结果如表3和图5所示。

河道断面经过清淤整治后，设计除涝水位降低了0．10～0．66m，下游受沱河水位顶托影响水位变化不明显；除涝水位低于地面0．34～1．6m，能够满足五年一遇除涝要求。经清淤清障，河底顺畅无淤积，水位也比整治前平缓，无明显雍水，流速增加了0．05～0．28m／s。这说明，河道整治对于宋沟提高河道过水能力和降低除涝水位效果显著。

图5 宋沟设计水位纵剖面图Fig.5 Vertical section of Songgou River designed water level

4 结语

在河道治理工程中，推求河道水面线是重要的基础工作，其计算结果会影响工程的安全和规模。设计河道水面线时，需经多次试算，最终确定最为经济安全的设计断面。

HEC－RAS软件操作简便，计算效率高，并且适用于各种复杂的天然河道断面形式，无需进行断面概化以及试算。宋沟治理的工程实例证明了HECRAS软件适用于平原河道水面线的推算。用该软件计算水面线，节省了设计时间，提高了设计精度和效率。软件计算结果可以更直观地说明现状河道除涝能力，并能用以分析影响水位的主要问题，从而指导河道治理工程的纵横断面设计工作。

［1］ 张昭，倪立萍，张晓鹏．HEC－RAS在柳川河二期工程水力计算中的应用［J］．水科学与工程技术，2013，37（1）：38－40．

［2］ 侯艳，王龙．HEC－RAS在溢洪道水面线计算中的应用［J］．云南水力发电，2012，28（4）：33－35．

［3］ 叶楠，张蔚，白忠亮．HEC－RAS软件在山区中小河流治理工程中的应用［J］．计算机应用，2013，33（11）：70－73．

［4］ Davis．Hydrologic Engineering Center．HEC － RAS user＇s Manual version3．1［Z］.U．S．A．U．S．Army Corps of Engineers，2002：3－17．

［5］ 刘洋，孙晓英，王俊英，等．HEC－RAS 及 SOBEKRURAL 软件推算山区天然河道水面线［J］．北京水务，2008，33（6）：34－36．

［6］ 管振范．黑龙江省中小河流治理问题与对策［J］．黑龙江水利科技，2009，37（1）：101－102．

［7］ 赵振兴，何建京．水力学［M］.北京：清华大学出版社，2005：246－248．

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B

10．13681／j．cnki．cn41－1282／tv．2017．04．006

2017-01-10

邰肇悦（1988－），女，河南郑州人，工程师，硕士，主要从事水利规划设计工作。

[责任编辑 杨明庆]