HEC-RAS中关于水位、糙率演算的方法
HEC-RAS及SOBEK-RURAL软件推算山区天然河道水面线
HEC 与 SOBEK 差值 P = 10 % 0.00 -1.64 -2.73 0.03 -1.37 -1.40 -0.49 -0.02 -1.03 -0.61 -0.79 -1.94 -1.45 -0.86 -0.01 -1.05 0.10 -0.95 -2.26 -0.12 -0.19 -0.44 -1.54 0.84 -0.72 -0.82 P=5% 0.00 -2.99 -2.19 -1.02 -0.95 -1.09 -0.49 -0.42 -0.94 -1.03 -0.91 -1.55 -1.52 -0.33 -0.15 -0.88 0.21 -1.06 -2.36 0.10 -0.42 -0.61 -1.58 0.98 -0.77 -0.88
断面名称 控制断面流量 1 控制断面流量 2 控制断面流量 3
长园河洪峰流量表
洪峰流量
m3/s
P=5% 128 192 250
P = 10 % 99 146 189
9085 8605 8310 8000 7600 7200 6799 6400 6000 5600 5200 4800 4400 3999 3600 3195 2801 2400 2000 1593 1000 799 400 0 -91
和临界流 （Fr=1） 3 种流态进行水面线计算 。 计算原理 基于一维能量方程 ， 逐断面采用直接步进法推 求 。 其
收稿日期 ： 2008 - 10 - 07 作者简介 ： 刘洋 （1980 — ）， 男 ， 助理工程师 。
SOBEK-RURAL 软件 SOBEK-RURAL 软 件 是 由 荷 兰 代 尔 夫 特 水 力 学 所 （ WL — Delft ） 研 制 和 开 发 的 一 维 二 维 耦 合 数 值 计 算 软
HEC-RAS
ＨＥ Ｃ — Ｒ Ａ Ｓ软件 可 自行计 算
２ ． ２ ． ５ 计 算 成 果
通过 Ｈ Ｅ Ｃ — Ｒ Ａ Ｓ软 件 计 算 ． 设计 、 校 核 两 种 工 况下 ． 溢 洪道 水 面线计 算 成果 如表 １
面 高 程 与 渠 底 高程 相 减 即 可 得 到 各 断 面 的 水 深 ． 各 断面计 算 成果 见 表 ２ 。 在表 ２中 ． Ｈ Ｅ Ｃ — Ｒ Ａ Ｓ软 件
快捷 并 能够 真 实 的反 应溢 洪 道在 收 缩 或者 扩 散 等 处水 流形 态 。 计 算成 果较 精确
在 实 际溢 洪 道 工程 应 用 中 ．水 面线 的计 算 成
对 比分 析 ． 对 比成 果 如表 ２
２ ． ２ ． ６ 成 果 分 析
校核 。 ５ ０年 一 遇设 计 ， 校 核 洪 峰流 量 ２ ７ １ ｍ ３ ／ ｓ ． 设 计 洪 峰 流量 １ ５ ０ ｍ３ ／ ｓ 。在 ＨＥ Ｃ — Ｒ Ａ Ｓ软 件恒 定 流数 据
表 １
由表 １ ． 可 知运 用 ＨＥ Ｃ — Ｒ Ａ Ｓ软 件 计 算 溢洪 道
吉林 水利
２ ． ２ ． ２ 防 洪 标 准
ＨＥ Ｃ — Ｒ Ａ Ｓ在 津桥 湖 水库 溢洪 道水 面线 计算 的应 用
林 开放 等 ２ ０ １ ５年 ｌ １月
模块 中 ． 可 同时 输 入 设 计 、 校 核 两 个 标 准 的洪 水 ，
并 可 同 时计算 水 面线 溢洪 道 泄洪 时 ， 自桩号 溢 ０ ＋ ０ ０ ８ ． ８ ０起 水 流 状态 属 急 流模 态 ．边 界 条 件需 在 上 游侧 输 入 ． 在 恒定 流 数 据模 块 中 ， 边 界条 件 可 输 入 流量 水 位 、 临 界水 深 、 正常 水 深 和水 位 流 量关 系 曲 线 四种 津桥 湖 水 库溢 洪 道 采用 的正槽 式 宽 顶 堰 泄洪 ， 结合 《 溢 洪 道 设计 规 范 》 （ Ｓ Ｌ ２ ５ ３ — ２ ０ ０ ０ ） ， 起 始 计算 断 面定 为泄 槽首 部 ．即桩 号溢 ０ ＋ ０ ０ ８ ． ８ Ｏ由宽
HEC-RAS软件在水面线计算中的应用
咱 摘 要暂 分别利用 H EC - R A S 软件和传统试算法对渭河眉县段进行水面线推求袁 分析 H EC - R A S 软件和传 统试算法差异性遥 H EC - R A S 软件主要方法是根据拟定堤距尧河段糙率尧控制断面水位 ~ 流量关系和实测断面资料袁计 算各断面水力因素袁并以最下游实测断面作为边界起算断面袁逐步向上推算袁最终推求出各断面设计洪水水面线遥 分别 推求渭河眉县段 10 年尧5 年和 2 年一遇的洪水位袁并利用传统试算法进行校核与对比分析袁认为软件计算虽与传统试 算法结果有偏差袁但偏差在合理范围内袁其结果可采用袁同时计算较传统方法简单明了袁故推荐使用软件进行计算水面线遥
系数袁根据相关书籍经验公式计算曰v1尧v2 为上尧下游断面平均流 速曰hr尧hj 为上尧下游断面之间的沿程水头损失尧局部水头损失曰 吟hv 为上尧下游断面的流速水头之差遥
按上式由下游向上游逐段进行设计洪水位推算袁即可推求
出各断面的洪水位遥
2 H E C -R A S 软件的应用分析
2.1 研究区现状
渊 3冤 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ道糙率选取
本文河段上游渭河魏家堡水文站实测的洪水比降尧 糙率统计
情况:魏家堡水文站根据流量尧水面比降等实测资料计算的河道糙
率值一般在 0.025耀0.034 之间袁高水时的糙率值稳定在 0.033 左右遥
渭河调查到野 2003.8冶洪水袁发生洪峰流量 3000 m 3/s袁依据
河道实测断面袁洪水水位袁及河道比降袁利用曼宁公式推算河道糙
渭河眉县县城段河床宽度不一袁通过现场查勘袁此河段南 北两岸大堤已完成修筑袁主堤防设防标准为渭河 50 年一遇袁堤 距在 578耀836 m 之间袁 本段处于渭惠渠拦河坝下游冲刷段袁除 两处滩地夹于河道中间外袁水流较为顺平袁槽窄水深岸高急流袁 河床河岸多由砂卵石组成袁一般坎高 2耀4 m 袁属弯曲性河渠袁多 年来河道处于稳定状态遥 2.2 H E C - R A S 计算水面线
HEC-RAS原理
HEC-RAS原理HEC-RAS 程序一维恒定流计算原理1 一维恒定流计算能量方程原理一维恒定流水面线可通过求解能量方程来获得，具体表达式如下：eh gV Y Z gV Y Z +++=++222111122222αα（1）式中：Z 1，Z 2为河道底高程；Y 1，Y 2为断面水深；V 1，V 2为断面平均流速；1α，2α为动能修正系数；g 为重力加速度；h e 为水头损失。
两个断面间的水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，水头损失表达式如下：gV gV CS L h f e 22211222αα-+=（2）式中：L 为断面平均距离；f S 为两断面间沿程水头损失坡度；C 为收缩或扩散损失系数。
断面平均距离表达式如下：robch lob robrob ch ch lob lob Q Q Q Q L Q L Q L L ++++=（3）式中：L lob ，L ch ，L rob 分别是两断面间左边滩地、主槽、右边滩地的距离；lob Q ，ch Q ，rob Q 分别是左边滩地、主槽、右边滩地平均流量。
根据不同糙率分界点划分滩地，利用曼宁公式计算每个分区的流量，表达式如下：2/1fKS Q =（4）3/21AR nK =（5）式中：K 为流量模数；n 为曼宁糙率系数；A 为分区面积；R 为水力半径。
动能修正系数α可通过滩地和主槽流量来进行计算，表达式如下：()32323232trob robch ch loblob t K A K A K A K A ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=α（6）式中：A t 为整个过流断面面积；A lob ，A ch ，A rob 分别为左边滩地、主槽、右边滩地过流面积；K t 为整个过流断面的流量模数；K lob ，K ch ，K rob 分别为左边滩地、主槽、右边滩地流量模数。
沿程水头损失坡度f S 可通过下式求解：22121⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=K K Q Q S f（7）2 一维恒定流计算动量方程原理当水面线越过临界水深，能量方程已经不再适用。
HECRAS原理
HEC-RAS1序一维恒定流计算原理1 一维恒定流计算能量方程原理一维恒定流水面线可通过求解能量方程来获得，具体表达式如下：Z 2 丫2 ¥ 乙 Y F h e（ 1）2g2g式中：乙，乙为河道底高程；丫!，丫2为断面水深；V V 2为断面平均流速；i ， 2为动能 修正系数；g 为重力加速度；h e 为水头损失。
两个断面间的水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，水头损失表达式如下：h e LS f C 学-f（ 2）2g 2g式中：L 为断面平均距离；S f 为两断面间沿程水头损失坡度；C 为收缩或扩散损失系数断面平均距离表达式如下：式中：L ob ，L ch ，L rob 分别是两断面间左边滩地、主槽、右边滩地的距离； Q lob ，Q ch ，Q rob分别是左边滩地、主槽、右边滩地平均流量。
根据不同糙率分界点划分滩地，利用曼宁公式计算每个分区的流量，表达式如下:Q KS ；/2 1 2/3K —AR（ 5）n式中：K 为流量模数；n 为曼宁糙率系数；A 为分区面积；R 为水力半径。
动能修正系数 可通过滩地和主槽流量来进行计算，表达式如下：式中：A 为整个过流断面面积；A ob ，Ah , Aob 分别为左边滩地、主槽、右边滩地过流面积; K 为整个过流断面的流量模数；K ob ，K., Kob 分别为左边滩地、主槽、右边滩地流量模数。
沿程水头损失坡度S f可通过下式求解：L|ob Q lobL ch Q chL rob Q robQ lob Q chQ rob(3)(4)A tK I ：2 Aob(6)K ch典 2A222 一维恒定流计算动量方程原理当水面线越过临界水深，能量方程已经不再适用。
自然界中从缓流过渡到急流或者 从急流过渡到缓流现象十分普遍，例如在比降变化较大的渠道、桥梁、堰、河流汇合处, 都可能发生这种现象。
因此，需要采用动量方程对水面线进行求解。
动量方程是通过牛 顿第二定律推导得来的，表达式如下：F x maS fQ 1 Q 2 K i K 2(7)(8)P 2 P W xF f QV x(9)式中：P i 、P 2分别为断面1和断面2上所受的水压力；W 为水重力沿X 轴分量；F f 为摩擦 力；Q 为流量； 为水的密度； V x 为流速变化沿X 轴分量其中:P 1 A 1Y i (10) 式中：为水的容重；A 、A 分别为断面1和断面2的过水面积；丫1、丫2分别为断面1W x宁LS 0(12)式中：L 为断面1至断面2距离沿X 轴方向的分量；S o 为河底比降。
HECRAS原理
HECRAS原理HECRAS（Hydrologic Engineering Centers River Analysis System）是一种用于河流水文、水力学和水质模拟的计算机程序，是美国军事工程中心（Hydrologic Engineering Center）开发的一款流水模型软件。
首先，HECRAS采用二维数值流模型，将河流系统划分为一个个的断面，然后通过对流体运动方程和能量方程的求解，计算流体在每个断面上的水流速度、水位和水深等参数的变化。
同时，考虑到地形、河床坡度和摩擦阻力等因素，对水流进行动力学模拟，以获取河流断面处的水流特性。
其次，HECRAS考虑水体的流量输入和输出，通过模拟入口处的径流量和出口处的水位变化，对流量进行平衡计算。
通过这样的方式，可以精确地模拟各种情况下的水流变化，如洪水过程、河床沉积物运动和水质变化等。
此外，HECRAS还可以进行水质模拟，通过考虑溶解氧、氨氮、溶解态氮和磷等因素的迁移和转化过程，预测水质的变化情况。
它可以分析水流对水质的影响，比如水动力对溶解氧的影响，从而指导水资源管理和污染物治理等工作。
另外，HECRAS还考虑到河流中的各种防洪措施，如堤坝、闸门和泄洪道等。
通过给定这些措施的特性参数，HECRAS可以模拟它们对水流变化的影响，从而评估不同防洪措施的效果和可行性。
最后，HECRAS提供了可视化的结果展示功能，可以生成二维和三维的水流图像、流速剖面和水质分布等，以及洪水淹没区域、河床变化等重要信息。
这些结果可以帮助工程师和水利管理者更好地理解河流的流变特性和水质情况，并基于此做出有效的决策。
总结起来，HECRAS应用了数值分析和模拟技术，结合水动力学和水质过程理论，提供了全面细致的河流水文、水力学和水质模拟分析。
它的原理主要包括二维数值流模型、流量平衡计算、水质模拟、考虑防洪措施和可视化结果展示等方面。
通过HECRAS的应用，可以更好地了解河流系统的运行情况，为水资源管理和工程决策提供科学依据。
HEC-RAS在水面线计算中的应用
237智能水利&NO.072020智能城市INTELLIGENT CITYH EC-RAS在水面线计算中的应用陈肖（广东力盟规划设计咨询有限公司，广东广州510220）摘要：应用HEC-RAS模型对韶关市新丰县新丰江河段进行水面线计算，并与已有报告成果进行对比。
结果表明：通过合理确定上下游水文边界条件及模型参数，工程河段一维水面线模拟计算结果与已有报告成果整体较为吻合，对实际工程管理具有一定参考意义。
关键词：HEC-RAS;水面线计算；模型参数Application of HEC-RAS in water surface line calculationCHEN XiaoAbstract:The HEC-RAS model was used to calculate the water surface line of the Xinfeng River section of Xinfeng County, Shaoguan City,and compared with the reported results.The results show that by reasonably determining the hydrologic boundary conditions of the upper and lower reaches and model parameters,the simulation calculation results of the one-dimensional water surface line of the project reaches are in good agreement with the reported results,which has certain reference significance to the actual project management.Key words:HEC-RAS；water surface line calculation；model parameters在中小河流治理、河道确权划界等水利工程项目中均需进行河道水面线推算，准确的水面线推算是规划设计的工作重点。
hecras浅水方程
hecras浅水方程Hecras浅水方程的魅力Hecras浅水方程是水文学中一项重要的计算工具，可以用于模拟水流和水位变化。
它采用了基于方程的数值方法，使我们能够更好地理解和预测河流、湖泊和水库等水域的水文过程。
本文将介绍Hecras浅水方程的原理和应用，并探讨它在水文学研究中的重要性。
我们来了解一下Hecras浅水方程的背景。
它是基于连续性方程和动量方程推导而来的，用于描述水流的运动规律。
通过考虑流体的质量守恒和动量守恒，Hecras浅水方程可以准确地模拟水流的变化和演变过程。
它可以考虑多种因素，如流量、地形、摩擦力等，从而提供了全面的水文学分析工具。
在实际应用中，Hecras浅水方程有着广泛的应用领域。
首先，它可以用于洪水预测和防洪规划。
通过输入相关的水文数据和地理信息，我们可以利用Hecras浅水方程来模拟洪水的传播过程，从而帮助我们制定合理的防洪措施。
其次，Hecras浅水方程还可以用于水库调度和水资源管理。
通过对水库的水文过程进行模拟和预测，我们可以更好地管理和利用水资源，确保水资源的合理分配和利用。
此外，Hecras浅水方程还可以应用于湖泊和河流的沉积物运动和水质模拟等方面。
Hecras浅水方程的优势在于它的准确性和灵活性。
通过对水文数据的输入和相关参数的调整，我们可以得到准确的水文模拟结果。
同时，Hecras浅水方程还可以通过建立不同的场景和模型来研究不同的水文问题，从而提供了灵活的研究工具。
Hecras浅水方程是水文学研究中一项重要的计算工具，它可以帮助我们更好地理解和预测水文过程。
通过模拟和分析水流的变化和演变过程，我们可以制定合理的水资源管理和防洪规划措施，从而保护人类的生命和财产安全。
在未来的研究中，我们可以进一步优化和改进Hecras浅水方程，使其更加适应不同的水文环境和问题，为水文学研究提供更好的工具和方法。
HEC-RAS原理
HEC-RAS 程序一维恒定流计算原理1 一维恒定流计算能量方程原理一维恒定流水面线可通过求解能量方程来获得，具体表达式如下：e h gV Y Z gV Y Z +++=++222111122222αα （1）式中：Z 1，Z 2为河道底高程；Y 1，Y 2为断面水深；V 1，V 2为断面平均流速；1α，2α为动能修正系数；g 为重力加速度；h e 为水头损失。
两个断面间的水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，水头损失表达式如下：gV gV CS L h f e 22211222αα-+= （2）式中：L 为断面平均距离；f S 为两断面间沿程水头损失坡度；C 为收缩或扩散损失系数。
断面平均距离表达式如下：robch lob robrob ch ch lob lob Q Q Q Q L Q L Q L L ++++=（3）式中：L lob ，L ch ，L rob 分别是两断面间左边滩地、主槽、右边滩地的距离；lob Q ，ch Q ，rob Q 分别是左边滩地、主槽、右边滩地平均流量。
根据不同糙率分界点划分滩地，利用曼宁公式计算每个分区的流量，表达式如下：2/1f KS Q = （4）3/21AR nK =（5） 式中：K 为流量模数；n 为曼宁糙率系数；A 为分区面积；R 为水力半径。
动能修正系数α可通过滩地和主槽流量来进行计算，表达式如下：()32323232trob robch ch loblob t K A K A K A K A ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=α （6） 式中：A t 为整个过流断面面积；A lob ，A ch ，A rob 分别为左边滩地、主槽、右边滩地过流面积；K t 为整个过流断面的流量模数；K lob ，K ch ，K rob 分别为左边滩地、主槽、右边滩地流量模数。
沿程水头损失坡度f S 可通过下式求解：22121⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=K K Q Q S f （7）2 一维恒定流计算动量方程原理当水面线越过临界水深，能量方程已经不再适用。
HEC-RAS使用手册
HEC-RAS一維水理分析模式大致可分為三個部分：1.資料輸入：幾何資料、水理資料。
2.模擬分析：穩定流水理分析、水力設計程式（橋樑沖刷）。
3.圖表輸出：幾何斷面、水剖面線、率定曲線、3-D透視圖。
該模式建立，由命令列左至右依序將相關資料輸入，必要之輸入包括：Edit：Geometric Data（幾何資料），Steady Flow Data（穩定流資料）。
Simulate：Steady Flow Analysis（穩定流分析），Hydraulic Design Functions（水力設計程式）。
View：Cross Section（幾何斷面），Water Surface Profiles（水剖面線），Rating Curves（率定曲線），X-Y-Z Perspective Plots （3-D透視圖）。
【範例】今有一河流，假設該流況為穩定流，共包含三個測量斷面資料、一座橋樑斷面資料，渠道之10年頻率洪水流量Q10為250CMS，5年頻率洪水流量Q5為150CMS，穩定流邊界條件假設S=0.005……………..。
〈模式建立〉STEP 1開新檔案：File/New Project輸入計畫目錄及檔名，但HEC-RAS必須以英文目錄及檔名存取，切記！！STEP 2輸入幾何資料：Edit/Geometric Data/New Geometry Data…..在本視窗最左邊六個icon中，點選，並於視窗中畫出計畫河流。
此外，亦可加入經由定位過之影像圖檔，直接於圖檔上繪出計畫河流與斷面測點，待計畫河流相關資料完成後，即可進行幾何斷面資料之建立。
幾何斷面建立：點選，進入下面視窗。
選擇Option/Add a new cross section。
依序鍵入三個斷面相關資料。
輸入完畢後，按Apply Data鍵，並關閉該視窗。
橋樑斷面建立：點選，進入下面視窗。
選擇Option/Add a Bridge and/or Culvert，加入新橋樑。
Civil3D结合Hec-ras计算河道水面
Civil3D结合Hec-Ras水文计算1 软件版本1、Autodesk Civil3D 20172、Hec-Ras4.13、Global Mapper 192 步骤2.1 Civil3D中的操作2.1.1 Civil3D中的地形曲面建模（略过，参见各Civil3D书籍）注意：1）由于Hec-Ras4.1不支持中文，因此所有地形曲面名称，路线名称、采样线编组名称等均不能使用中文。
2.1.2 Civil3D中创建路线建议以河道深泓线创建路线，具体步骤略。
注意：由于Hec-ras中的河道桩号从下游向上游编号，因此创建路线时，应从下游向上游开始创建。
这样后面采样线编组的序号从下游向上游逐渐增加，与Hec-Ras中的桩号一致。
2.1.3 Civil3D中以路线建立采样线编组具体步骤略。
注意：1）建议场地为<无>，否则有可能出错2.1.4 导出河道断面GIS数据。
点击“Export”导出GIS数据，后缀名*.GEO。
保存文件以后点击OK关闭导出窗口。
2.1.5 手动修改导出的文件2.1.5.1 修改非ascii字符【！！！非常重要】由于Civil3D为中文版，导出的文件中有汉字，必须手动修改，使用文本编辑软件打开导出的geo后缀名的文件，如下图所示，文本中显示，单位为“米”，手动修改为m，保存即可。
同时可以检查其他位置，如果出现了非ascii字符，必须手动修改，否则Hec-Ras不能识别。
2.1.5.2 修改中心线点顺序修改其中中心线内容，将CENTERLINE一节中的点顺序完全颠倒过来。
按照从上游到下游的顺序排列中心线的点坐标及编号。
修改后的顺序与原顺序正好相反。
【捷径】将Centerline一节中的坐标点，拷贝到excel，再在excel 后面增加一列，拖出序号1,2,3……选择该列，排序，降序，然后将前面的坐标列复制，在另一张表中，选择值粘贴方式，这时候排序已经颠倒过来了，复制该列，直接粘贴到前述的Geo文本文件中即可。
HECRAS原理
HEC-RAS 程序一维恒定流计算原理1 一维恒定流计算能量方程原理一维恒定流水面线可通过求解能量方程来获得，具体表达式如下：e h gV Y Z gV Y Z +++=++222111122222αα （1）式中：Z 1，Z 2为河道底高程；Y 1，Y 2为断面水深；V 1，V 2为断面平均流速；1α，2α为动能修正系数；g 为重力加速度；h e 为水头损失。
两个断面间的水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，水头损失表达式如下：gV gV CS L h f e 22211222αα-+= （2）式中：L 为断面平均距离；f S 为两断面间沿程水头损失坡度；C 为收缩或扩散损失系数。
断面平均距离表达式如下：robch lob robrob ch ch lob lob Q Q Q Q L Q L Q L L ++++=（3）式中：L lob ，L ch ，L rob 分别是两断面间左边滩地、主槽、右边滩地的距离；lob Q ，ch Q ，rob Q 分别是左边滩地、主槽、右边滩地平均流量。
根据不同糙率分界点划分滩地，利用曼宁公式计算每个分区的流量，表达式如下：2/1f KS Q = （4）3/21AR nK =（5） 式中：K 为流量模数；n 为曼宁糙率系数；A 为分区面积；R 为水力半径。
动能修正系数α可通过滩地和主槽流量来进行计算，表达式如下：()32323232t rob rob ch ch lob lob t K A K A K A K A ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=α （6）式中：A t 为整个过流断面面积；A lob ，A ch ，A rob 分别为左边滩地、主槽、右边滩地过流面积；K t 为整个过流断面的流量模数；K lob ，K ch ，K rob 分别为左边滩地、主槽、右边滩地流量模数。
沿程水头损失坡度f S 可通过下式求解：22121⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=K K Q Q S f （7）2 一维恒定流计算动量方程原理当水面线越过临界水深，能量方程已经不再适用。
EHP和HEC-RAS计算水位差异分析
试算ꎬ当被推求断面水位满足上述方程时ꎬ即为被推求断面
的水位结果ꎮ
收稿日期:２０２０￣０８￣２４
★:西北电力设计院有限公司科研项目( ＸＢ１￣ＴＭ０７￣２０１９) ꎻ中国能源建设集团规划设计有限公司科研项目( ＧＳＫＪ２￣Ｗ０２￣２０１９)
作者简介:胡进宝(１９８２￣ ) ꎬ男ꎬ高级工程师
ＥＨＰ 和 ＨＥＣ￣ＲＡＳ 计 算 水 位 差 异 分 析 ★
胡进宝 蒋雪琴 韦小辉
ห้องสมุดไป่ตู้
( 中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司ꎬ陕西 西安 ７１００７５)
摘 要:通过工程实例对比分析了工程水文气象分析计算制图系统( ＥＨＰ) 和美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水面线计算
软件包( ＨＥＣ￣ＲＡＳ) 计算水位结果的差异ꎬ并对水面线计算过程中断面数据、起始断面水位计算存在的问题进行了讨论ꎬ结果表
一遇洪水仍按天然河道计算值选用ꎬ即该河厂址段 １００ 年
８０ ｍ ~ １１０ ｍꎮ 由于其防洪标准为 １０ 年一遇ꎬ低于电厂防
洪标准ꎬ因此ꎬ当发生 １００ 年一遇洪水时ꎬ厂址和煤场处会
受该河洪水影响ꎮ 依据上游水库运行方案ꎬ水库不承担下
游防洪任务ꎮ 根据水库泄流能力计算ꎬ发生 １００ 年一遇洪
水时ꎬ出库流量与入库流量相同ꎬ即百年一遇频率的来水全
部采用河床式泄洪ꎬ不在库区内存留ꎮ 因此厂址处 １００ 年
种分析图表ꎮ ＨＥＣ￣ＲＡＳ 软件采用标准步骤通过迭代解能
量方程从而求得不同断面的水面线ꎬ方程如下 [５] :
α２ ｖ２２
α１ ｖ２１
ｚ２ ＋
＋ Ｙ２ ＝ ｚ１ ＋ Ｙ１ ＋
＋ ｈｅ ꎮ
２ｇ
hec-ras模型及其在桥梁阻水壅高计算中的应用
hec-ras模型及其在桥梁阻水壅高计算中的
应用
HEC-RAS（Hydrologic Engineering Centers' River Analysis System）是美国陆军工程部（US Army Corps of Engineers）开发的一种水力学建模软件，用于分析和模拟河流、水库和河口系统的水动力学行为。
HEC-RAS可以模拟水流的流速、流向、水位、流量等参数，并提供详细的水力学计算结果。
在桥梁阻水壅高计算中，HEC-RAS可以用于评估不同水位条件下的水流行为，包括流速、流量和水位的变化。
通过建立河流模型，可以模拟水流在桥梁下方的流动情况，并计算出流量、水位、流速等参数，从而评估桥梁的阻水壅高情况。
具体应用步骤如下：
1. 收集所需数据，包括河流几何信息、水流入口和出口信息、桥梁几何信息等。
2. 利用HEC-RAS软件建立河流模型，包括河流的几何结构、水流的流量输入与输出等。
3. 对模型进行参数设置，并进行模型的校核和验证，确保模型结果准确可靠。
4. 进行水动力计算，模拟不同水位条件下的水流行为，包括流速、流量和水位的变化。
5. 分析模型计算结果，评估桥梁的阻水壅高情况，判断是否满足设计要求。
6. 根据评估结果，进行桥梁的优化设计或者采取其他措施来解决阻水壅高问题。
HEC-RAS在桥梁阻水壅高计算中的应用可以提供准确的水动力参数，为桥梁设计提供重要的参考依据，有助于优化桥梁的设计和阻水
壅高问题的解决。
同时，HEC-RAS还可以用于河流管理、水库调度、洪水预警等方面的水力学分析和模拟，具有广泛的应用价值。
基于HEC-RAS软件和公式法两种水面线计算结果对比分析
各个断面的水力要素袁采用公式法袁按明渠水力计算方法进行袁
计算采用公式[2]为院12 NhomakorabeaQ
=
1 n
A i2
R
3
2 水面线计算
2.1 实例 渭河马家段内河床宽窄不定袁两岸主堤防已建成袁且堤防
的设防标准为 50 年一遇袁堤距在 600耀900 m 范围内遥 渭河马家 段糙率取值采用传统野 试糙法冶袁其原理依据调查洪水资料推求 一个糙率袁再利用试糙法反复试算得到最终的糙率遥 调查得知 2003 年 8 月发生洪水袁洪峰流量为 3000 m 3/s袁再以调查洪水洪 痕作为控制袁依据河道实测断面袁洪水水位袁及河道比降袁推算 出河道糙率袁并依据马家段地质资料袁通过查表初选糙率袁最后 参考魏家堡水文站实测洪水糙率尧叶 陕西省渭河全线整治方案曳 中糙率并结合马家段两岸滩面具体状况袁最终确定此段河道糙 率为 0.036袁 两岸滩地中主流靠岸侧为 0.039袁 滩面较大侧为 0.050袁为之后 H E C -R A S 软件和公式法提供基础数据遥
咱 关键词暂 水面线曰H EC - R A S曰公式法曰渭河曰对比分析曰最优方案 咱 中图分类号暂 TV 122 咱 文献标识码暂 B
1 两种方法简介
1.1 H E C - R A S 软件简介
. AlHlECR-RiAgSh[1]是ts由美R国es陆e军r工ve程d兵.团水文工程中心开发的
HEC-RAS中关于水位、糙率演算的方法
HEC-RAS中关于⽔位、糙率演算的⽅法HEC-RAS中关于⽔位、糙率演算的⽅法刘斌摘要：为了获得定流量情况下河道各断⾯⽔位和河段糙率，通过勘测数据建⽴河道⼏何资料及⽔⽂数据建⽴边界条件，应⽤HEC-RAS软件对河道进⾏了数值计算。
计算结果经与测试结果验证⽐较，吻合较好，表明HEC-RAS可以适⽤于河道⽔⾯线计算及糙率试算。
数值模拟的可操作性强，精度及效率均较⾼，可⼴泛应⽤于防洪评价等⽔⼒分析计算中。
关键词：HEC-RAS；断⾯；边界条件；⽔位；糙率1.HEC-RAS简单介绍1.1发展历史HEC-RAS是由美国陆军⼯程兵团⽔⽂⼯程中⼼开发的⽔⾯线计算软件包，最早的第1.0版本公布于1995年7⽉，随后出现了1.1、1.2、2.0、2.1、2.2、2.2.1、3.0、3.1等修正或更新版。
⽬前最新的版本是4.10，本基于4.0正式版（2008年3⽉）。
1.2应⽤领域①洪⽔位计算（包括定、变流量）；②结构物影响分析：桥梁、涵洞、堰、溢洪道、冰、抽⽔站、堤防、障碍物；③渠道整治分析；④淹⽔分析（包括河道及陆地）；⑤桥梁局部冲刷（包括桥墩及桥台）；⑥稳定渠道设计；⑦河道输沙量计算；⑧溃坝分析；⑨溃堤分析。
1.3定流量数值计算步骤1.4界⾯说明其中：1打开案例2储存案例3开启⼏何资料编辑视窗4开启定流量编辑视窗5开启变流量编辑视窗6开启执⾏定流量视窗7开启执⾏变流量视窗8开启⽔⼒计算（例如桥梁冲刷、河道输沙量计算等）9开启河道断⾯展⽰视窗10开启⽔⾯剖线展⽰视窗11开启河段⽔⼒参数计算结果展⽰视窗12开启率定曲线计算结果展⽰视窗13开启河道三维计算结果展⽰视窗14开启变流量⽔位、流量关系线展⽰视窗15开启河道⽔⼒特性展⽰视窗16开启单⼀断⾯或结构物⽔理计算成果展⽰窗17开启所有断⾯计算成果展⽰窗18开启计算过程中所产⽣之警告或错误通知视窗19开启数据存储系统视窗20显⽰案例名称21显⽰计划名称22显⽰河道⼏何资料档案名称23显⽰定流量河道⽔⽂资料档案名称24显⽰变流量河道⽔⽂资料档案名称25案例说明26显⽰档案存取路径27延展案例说明栏位28显⽰⽬前案例所⽤之单位2．⽔位的计算根据河道断⾯⼏何资料、糙率以及初始⽔位、河段流量推求各断⾯⽔位等⽔⼒特征。
举例介绍HEC-RAS解读
File档案Simulate模拟View结果视察Rating curves:率定曲线Sum Err,warm,notes:View computed rating curves summary of rrors, warnings,and notesHEC-RAS窗口主要菜单按钮示意图HEC-RAS水利模式应用实例如下略述其主要使用步骤，详细演练内容及操作过程应参考原版之使用者手册。
一.Starting a new project开始新计划二.Entering geometric data输入几何数据数据三.Entering Steady flow data输入稳定水流边界数据数据四.Performing the hydraulic calculations做水利模式演算五.Viewing results演算结果的展示六.Printing graphics and tables打印图型及数据表七.Exiting the program退出计算机程序Starting a new project开始新计划(由主要菜单之File 开立New project)Title输入标题名称File Name: 输入文件名(*)如*.prjOK当完成Title及File Name 请按此键一.Entering geometric data输入几何数据数据：由主要菜单之Edit 选择Geometric data后则产生如下面之空白的绘图数据框，如下实案由三条河域将联结成二条河流，由下述操作步骤来构成而描绘此河流如图一。
(输入此项之前，一定要先在主要菜单Options项之Units system选择公制或英制)1.Geometric data窗口按River Reach钮。
2.移动鼠标之指针于你喜欢的绘图区开始描绘第一河道。
3.按鼠标左键开始描绘流域草图（流域之描绘必须由上游往下游），移动鼠标指针及可间续按鼠标左键在描绘在线增加线段，当流域之线段尾端，按鼠标左键两次，则鼠标指针点即为流域尾端。
HEC-RAS使用说明
幾何資料.. 目錄使用中說明) 沖積物資料(New project.新計畫. Steady flow analysis 穩定水流分析.. Cross Sections.橫斷面圖Open project..打開原有計畫 Unsteady flow analysis 不穩定水流分析(未提供此程式) Water surface profiles.水位剖面圖. Save project..儲存計畫 Sediment analysis 沖積物分析(目前未提供此程式) Rating curves..率定曲線 Save project As.另存計畫. Hydraulic design functions 水利設計功能.. Hydrographs..水位圖Rename project..更改計畫名稱 X-Y-Z Perspective plots 三維透視圖. Delete Project 刪除計畫 Cross section table 橫斷面資料表 Import HEC-2 Data..以舊版Hec-2檔案格式輸入 Profile table....剖面資料表Import HEC-RAS Data..以舊版Hec-ras 檔案格式輸入 Summary Err, Warn, Notes...總結(錯 Generate Report..執行後可產生輸入資料及輸出結果之格式報告 誤,警示,註解) Export GIS Data..以GIS 資料輸出 EXIT 退出檔案============================================================================================ )) Open Project 打開原有計畫檔案 Cross table 斷面資料表Open an existing project View detailed output at sections ,bridges,culverts,and Inline weirs 顯示各斷面、橋樑、涵洞和溢流堰等輸出詳細演算結果HEC-RAS 視窗主要功能表按鈕示意圖HEC-RAS 水利模式應用實例如下略述其主要使用步驟，詳細演練內容及操作過程應參考原版之使用者手冊。
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HEC-RAS中关于水位、糙率演算的方法刘斌摘要：为了获得定流量情况下河道各断面水位和河段糙率，通过勘测数据建立河道几何资料及水文数据建立边界条件，应用HEC-RAS软件对河道进行了数值计算。
计算结果经与测试结果验证比较，吻合较好，表明HEC-RAS可以适用于河道水面线计算及糙率试算。
数值模拟的可操作性强，精度及效率均较高，可广泛应用于防洪评价等水力分析计算中。
关键词：HEC-RAS；断面；边界条件；水位；糙率1.HEC-RAS简单介绍1.1发展历史HEC-RAS是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水面线计算软件包，最早的第1.0版本公布于1995年7月，随后出现了1.1、1.2、2.0、2.1、2.2、2.2.1、3.0、3.1等修正或更新版。
目前最新的版本是4.10，本基于4.0正式版（2008年3月）。
1.2应用领域①洪水位计算（包括定、变流量）；②结构物影响分析：桥梁、涵洞、堰、溢洪道、冰、抽水站、堤防、障碍物；③渠道整治分析；④淹水分析（包括河道及陆地）；⑤桥梁局部冲刷（包括桥墩及桥台）；⑥稳定渠道设计；⑦河道输沙量计算；⑧溃坝分析；⑨溃堤分析。
1.3定流量数值计算步骤1.4界面说明其中：1打开案例2储存案例3开启几何资料编辑视窗4开启定流量编辑视窗5开启变流量编辑视窗6开启执行定流量视窗7开启执行变流量视窗8开启水力计算（例如桥梁冲刷、河道输沙量计算等）9开启河道断面展示视窗10开启水面剖线展示视窗11开启河段水力参数计算结果展示视窗12开启率定曲线计算结果展示视窗13开启河道三维计算结果展示视窗14开启变流量水位、流量关系线展示视窗15开启河道水力特性展示视窗16开启单一断面或结构物水理计算成果展示窗17开启所有断面计算成果展示窗18开启计算过程中所产生之警告或错误通知视窗19开启数据存储系统视窗20显示案例名称21显示计划名称22显示河道几何资料档案名称23显示定流量河道水文资料档案名称24显示变流量河道水文资料档案名称25案例说明26显示档案存取路径27延展案例说明栏位28显示目前案例所用之单位2．水位的计算根据河道断面几何资料、糙率以及初始水位、河段流量推求各断面水位等水力特征。
2.1建立案例点击“File”“New Project”打开新建案例窗口，在左栏“Title”下输入“jintangbridge”，创建jintangbridge案例文件，右边为你创建案例选择的存储路径，然后选择“OK”键，表示已完成创建。
2.2建立河道几何资料（1）河道几何资料编辑视窗说明按下主视窗第3个按钮开启河道几何资料编辑视窗。
河道几何资料编辑视窗说明：1加入新河段（Reach）至河系图层（Scheme）2加入新蓄水区（Storage Area）至河系图层（Scheme）3连接河系图层中的两个蓄水区4加入抽水站（Pump Station）至河系图层5设定河道里程6加入及编辑河系图层的背景图片7编辑汇流点（Junction）8编辑或新增断面（Cross Section）资料9编辑或新增桥梁（Bridge）、涵洞（Culvert）资料10编辑或新增主流向结构物（Inline Structures），如堰/坝（Weir/Embankment）、闸门（Gate）11编辑或新增测流向结构物（Lateral Structures）12编辑蓄水区资料13编辑蓄水区连接资料14编辑抽水站资料15编辑变流量模式的水力参数16河系图层编辑区（2）建立河系图层1）创建新河段2）河段编辑点击河道几何资料编辑视窗⑥加入及编辑河系图层的背景图片，点击Add...，打开湘江金堂大桥断面布置图1作为背景，描绘河段。
不需要的时候，选择Remove...，又可去除背景图片。
3）输入河系及河段名称根据背景图片，从上游至下游绘图，选择起点，单击左键表示开始绘图，手动选择绘图点，点越多越好，直至终点，双击左键表示绘图结束。
白色线条为湘江背景图，蓝色线条为所绘湘江河段，红色线条表示将要设置的断面位置和形状。
绘图结束后，出现通知窗口，需要输入河系（River）名称及河段（Reach）名称，这里河系输入“xiangjiang”，河段输入“upstream”，点击“OK”结束，表示创建名为“湘江上游段”的河道。
单击右键，其中Zoom in表示局部放大，Zoom previous表示先前视图，表示Zoom out 表示退出当前视图，Full plot表示全部展示，Pan表示平移，可方便查看和绘图，上图即为局部放大的结果。
4）储存河道几何资料点击河道几何资料编辑窗口中“File”，“Save Geometry Data”，输入“jintangbridge-3”，创建“jintangbridge-3”河道几何资料文件名，点击“OK”储存。
（3）编辑或新增断面资料1）开启“编辑或新增断面资料”窗口。
2）编辑或新增断面资料及视窗各项功能说明：1River：选取河系2Reach：选取河段或支流3Description：断面说明4Apply Data：写入断面资料至档案5River Sta：选取既有断面及显示目前正编辑的断面编号6移至下一个断面7移至上一个断面8输入断面里程（Station）及高程（Elevation）9LOB、Channel、ROB：分别输入本断面至下一个下游断面间之左岸高滩地流心距离、主深槽谿线距离、右岸高滩地流心距离10LOB、Channel、ROB：分别输入本断面左岸高滩地、主深槽、右岸高滩地之曼宁系数n值几种典型的不同河床型式的糙率：河床型式糙率n值沙纹0.018~0.030沙垄0.020~0.035冲刷沙垄0.014~0.025平面河床0.012~0.022固定波形0.014~0.025逆行沙垄0.015~0.03111Left Bank、Right Bank：分别输入左岸高滩地与主深槽、右岸高滩地与主深槽接点所代表之断面里程12Contraction、Expansion：分别输入本断面至下一个下游断面间之收缩、扩散系数局部水头损失系数参考表：流况突扩系数突缩系数渐变0.30.1桥梁0.50.3剧变0.80.5 13断面展示区在“编辑或新增断面资料视窗”中选择①河系②河段名称，然后点击“Options”“Add a new cross section”，出现以下界面，输入78，表示在该河段创建了一个编号为78的断面。
.根据现有的河道几何资料，在编辑或新增断面资料视窗⑧栏输入断面里程（Station）、高程（Elevation）（小技巧：将两栏全部反蓝，粘贴数据即完成输入）；在⑨栏分别输入本断面至下一个下游断面间之左岸高滩地流心距离（LOB）、主深槽谿线距离(Channel)、右岸高滩地流心距离(ROB)，在⑩栏分别输入左岸高滩地、主深槽、右岸高滩地的糙率，在⑪栏分别输入左岸高滩地与主深槽、右岸高滩地与主深槽接点所代表之断面里程，在⑫栏分别输入本断面至下一个下游断面间之收缩、扩散系数，因为河道边界可视为渐变边界，故收缩、扩散系数可取为0.1、0.3。
点击④“Apply Data”写入断面资料至档案，在⑬断面展示区即显示78号断面形态。
继续添加断面，然后按照以上操作进行编辑，即可完成河道几何资料的输入。
2.3建立边界条件（1）打开定流量资料编辑视窗按下主视窗第4个按钮，开启定流量资料编辑视窗。
（2）定流量编辑如下图所示，点击“Add A Flow Change Location”，添加编号为78、62、61、59、58、1的断面，然后点击“Options”“Edit Profile Name”，将案例命名为“p=1%”。
在p=1%栏分别输入流经该断面的流量。
然后点击“Apply Data”完成流量边界条件输入。
定流量编辑视窗的各项功能说明如下：1选取河系2选取河段或支流3选取断面4River：河系名称5Reach：河段名称6RS：流量流入之断面7PF1：流量输入栏8设定分析流量之案例数例如要同时分析重现期距100年及200年两组流量案例，则首先将设定分析流量之案例数设为2，这时⑦就会变成两栏9Reach Boundary Conditions：设定河段边界条件10Apply Data：写入边界条件至档案11新增流量汇入点边界条件编辑水位边界条件编辑（3）水位点击定流量编辑视窗⑨Reach Boundary Conditions，设定河段边界条件。
因为是回水复核，故下游边界设为已知水位高程（Known W.S.），输入56.1；上游边界应为正常水深，输入河床底坡0.0002（通过手工估算确定）。
点击“OK”，完成水位边界条件编辑。
1）编辑边界条件视窗各项功能说明如下：1选择所有的流量案例采用同一组边界条件2选择每一组流量案例采用个别的边界条件3设定边界水位为已知水位高程4设定边界水位为临界水深5设定边界水位为正常水深6设定边界水位依据率定曲线变动7删除设定8上游边界条件水位设定栏（当流况为超临界流或者混合流时，必须设定此栏）9下游边界条件水位设定栏（当流况为亚临界流或者混合流时，必须设定此栏）2）各个边界水位设定方法所需输入的资料说明如下：（1）已知水位高程：输入水位高程；（2）临界水深：不需输入资料，程序自动计算；（3）正常水深：输入河床底坡；（4）率定曲线：输入水位高程-流量数据（表格形式）。
3）关闭“编辑边界条件视窗”后，切记！必须按下“Apply Data”键才算完成边界条件输入操作。
2.4执行案例（1）开启开启““执行定流量执行定流量””视窗（2）设定流况已知流量及几何断面资料，根据弗劳德数定义，估算出下游边界弗劳德数Fr<1，故可认为此段河流属于亚临界流，选择“Subcritical ”，然后点击“COMPUTE ”开始执行计算。
（3）执行案例如果输入资料正确，各项设定无误，则会出现下面执行完成的画面。
2.5输出计算结果（1）查看横断面水位成果图按下主视窗中开启河道断面展示视窗。
选取断面所在的河系、河段及断面编号，展示各横断面计算成果，如图为78号断面水位图。
（2）查看纵断面水面剖线成果图按下主视窗中开启水面剖线展示视窗选择河段及流量案例展示纵断面计算成果。
窗口说明：（3）查看成果表按下主视窗中开启所有断面计算成果展示视窗。
展示各断面计算成果表，各栏水力参数的英文缩写代表含义如下。
1．Q Total：总流量2．Min Ch El：主深槽最低点高程3．W.S.Elev：水位高程4．Crit W.S.：临界水位高程5．E.G.Elev：能量线高程6．E.G.Slop：能量线坡度7．Vel.Chnl：主深槽平均流速8．Flow Area：过水面积9．Top Width：水面宽度10．Froude#Chl：主深槽弗劳德数2.6成果获取计算完成后，下次若需查看或者获取数据，点击HEC-RAS主视窗“File”“open project”，选择jintangbridge.prj文件，即可全部获得河道几何资料、定流量边界条件设定资料、计算结果查看及输出。