淡仓 吴欧俣 王春明

摘 要：中小河流治理项目规划设计的基础工作是河道水面线推求。对于山区底坡较陡的河道和多跨河建筑物河道，常采用HEC-RAS软件进行水面线推求。通过对实际工程水面线推求过程的应用分析，介绍山区天然河道水面线推求的方法，并根据计算结果和实际应用经验得出了治理河段不满足防洪要求的结论，同时提出了软件使用的几点建议。

关键词：HEC-RAS;河道治理;水面线

中图分类号：TV122文献标识码：A文章编号：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

河道水面线推求是中小河流治理项目规划设计最主要的内容，直接影响工程的规模和治理措施的制定。目前，推求河（渠）道水面线常用的方法有谢才公式法、一维能量方程法以及一维圣维南方程法等。通常采用的计算软件有MIKE11软件、SOBEK-RURAL软件以及HEC-RAS软件等。对于底坡较陡的山区河道，多采用HEC-RAS软件进行推求[1-2]。

1 HEC-RAS软件简介

USACE开发的HEC-RAS软件可直接计算并生成河道各横断面、纵断面的水面线图形以及河道三维水面透视图等分析图表，给水面线推求带来了极大便利[3-4]。运用HEC-RAS软件进行天然河道水面线推求主要包括5个步骤，即新建工程项目、输入河网几何资料、设定流量及边界水位、执行程序计算水面线以及查看导出计算结果。

1.1 新建工程項目

①选择主菜单“Options”→“Unit system”，在弹出界面修改单位系统为国际单位（Metric）系统;②选择主菜单“File”→“New Project”，在弹出界面新建工程项目。

1.2 输入河网几何资料

①选择主菜单“Edit”→“Geometric Data”，调出几何资料输入窗口;②添加背景图片描绘河网并给各河段命名;③输入或者导入GIS、HEC、MIKE、CSV或GML等格式的横断面数据，横断面数据包括断面特征点的坐标值、左右岸河滩及河槽距离下游断面的距离、左右岸河滩及河槽所采用的糙率值、左右岸河滩和河槽的分界点里程以及断面扩散和收缩系数;④选择汇流点计算方式（能量法和动量法），并输入相应的几何参数;⑤输入跨河建筑物（桥梁、涵洞等）的几何参数;⑥设置断面阻水区和水流无效区域;⑦点击几何资料输入窗口菜单“File”→“Save Geometric Data”，保存创建的几何数据。

1.3 设定流量及边界水位

①选择主菜单“Edit”→“Steady Flow Data”，调出恒定流数据输入窗口;②设定计算工况数量;③输入不同工况各河段控制断面所对应的流量数值;④点击“Reach Boundary Conditions”按钮，调出恒定流边界条件输入界面;⑤根据河道水流流态，输入各河段上下游边界起推水位;⑥点击“Apply Data”按钮，保存流量与边界条件数据。

1.4 执行程序计算水面线

①选择主菜单“Run”→“Steady Flow Analysis”，调出恒定流计算窗口;②选择几何文件和流量文件;③选择河道流态（Subcritical、Supercritical、Mixed）;④点击“Compute”按钮进行水面线计算。

1.5 查看导出计算结果

①选择主菜单“View”→“Cross-Sections”，查看河道各横断面水位图;②选择主菜单“View”→“Water Surface Profiles”，查看各河段纵断面水面线图;③选择主菜单“View”→“X-Y-Z Perspective Plots”，查看河道三维水面透视图;④选择主菜单“View”→“Profile Summary Table”，查看河道各横断面水力计算成果表，包含流量、流速、过流面积、深泓高程以及水位高程等数据，待复制到剪切板后可粘贴到Excel中。

2 工程实例应用分析

2.1 工程概况

X河道位于云南省西北部，为金沙江一级支流，全长68.9 km，平均比降10.0‰，集水面积1 238 km2。河道防洪工程建设从20世纪50年代开始至今，断断续续进行，尚未形成完整的防洪体系。本次治理河段为三级水电站至四级水电站取水坝之间的河段，治理段总长2.833 km。治理河段内有6座道路桥和1座取水坝。根据实测的1∶1 000带状地形图和现场实地调查，本次治理河段两岸大部分天然河堤采用人工种树的方式进行加固，河道基本被稳定在现状河岸线范围内。现状河槽宽40～45 m，局部宽度达到55～60 m。

2.2 河网模型创建

2.2.1 河网几何资料输入。河网几何资料的输入是HEC-RAS模型创建过程中工作量最大的环节，主要任务是在横断面数据输入窗口创建河网，输入横断面数据和桥梁几何数据。由于横断面数量较多，因此可先在计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）测量图中将横断面数据导入Excel，然后另存为CSV格式文件，再批量导入HEC-RAS软件。如果测量精度足够高，则可将测量点数据导入Civil 3D软件生成地形曲面，然后利用软件中的“路线创建”与“采样线”等命令创建河道中心线与横断面，最后直接将河网信息导出为HEC-RAS软件可以识别的GIS格式文件。需要注意，须对调导出数据的左右岸位置，才可用于软件计算[5]。

治理河段间隔100 m布设一个横断面，遇跨河建筑物处横断面间距适当加密，共布设40个横断面。所有测量横断面数据先通过CAD二次开发软件（ZDM、远盛水工等）批量导出到Excel，然后另存为CSV格式文件，再批量导入HEC-RAS软件，从而节省了大量建模时间。横断面其他参数（糙率、断面间长度、收缩扩散系数以及河滩分界点位置）均可在几何资料输入窗口的“Tables”菜单下调出相应参数表格，批量进行添加和修改。

桥梁几何参数在桥涵资料编辑窗口（Bridge Culvert Data）进行输入，主要输入桥梁的桩号、桥面板的宽度、桥面板上下游的几何形状参数、桥墩个数、桥墩上游端和下游端的坐标位置以及上游端和下游端的几何形状参数。本项目1#～5#道路桥为混凝土矩形桥梁，6#桥为浆砌石拱桥。几何资料编辑完成后的河网平面见图1。

2.2.2 计算参数选取。影响河道水面线精度的参数有收缩扩散系数和河道糙率，其中河道糙率的取值对水面线结果的影响非常大，因此一定要慎重取值。本项目河道横断面扩散系数为0.3，收缩系数为0.1。河道糙率首先根据治理河段下游水文站实测水位-流量率确定，然后参考河道已治理河段的糙率取值，查阅水力学手册等资料后，综合确定治理河段河槽糙率为0.04、河滩地糙率为0.05。

2.3 设计流量及边界条件

2.3.1 设计洪峰流量。治理河段防洪标准十年一遇，各防洪控制断面洪峰流量见表1[6]。

2.3.2 起推断面及起推水位。治理河段末端为河道四级水电站取水堰，堰型为折线堰，堰宽35 m。此处水流流态由缓流突变为急流，故可以判断此断面为起调断面，可采用折线堰流量计算公式计算起推水位。

2.4 水面线计算结果

将河道几何资料、控制断面设计流量及起推水位输入软件，即可进行水面线的计算。本项目采用缓流流态进行计算，软件可一次计算多种频率洪水对应的水面线，部分计算结果见表2。

3 结语

从河道水面线计算成果可以看出，所治理的河段不满足十年一遇洪水的标准，急需新建堤防使河道防洪能力达到治理要求。HEC-RAS软件计算天然河道水面线非常实用，特别是对于山区陡坡河道急流断面，用临界水深替代计算水深，可避免能量方程发生计算不收敛的情况，且计算结果稍大，有利于维护工程安全。HEC-RAS软件建模时，河道幾何资料输入较烦琐，但采取批量导入横断面数据的方法可减少大量建模时间。对于横断面形状和底坡变化不大的河道，可适当扩大测量横断面的间距。如果河滩地较缓，为防止水面线超出测量横断面边界高程，可人为加高横断面两侧点高程，防止软件计算出错。起推断面建议选择在缓流突变到急流的断面。如果不存在这样的断面，建议选择在河道治理末段下游1.5～3.0 km处。此外，底坡取大值，以有效消除明渠均匀流公式反算起推水位时由于底坡取值误差对治理段水面线产生的影响。

参考文献：

[1]刘洋.几种水面线推算方法的比较[J].人民黄河，2011（2）：51-53.

[2]王森，赵新益，黄尔.基于DEM和HEC-GeoRAS软件的洪水模拟[J].人民黄河，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]黄海龙.基于Civil 3D与HEC-RAS的快速水面线计算方法[J].低碳世界，2017（23）：51-53.

[6]徐詠久，闫悦玲.国家标准《防洪标准》GB 50201—94经建设部批准发布施行[J].水利水电标准化与计量，1995（2）：44-45.