HEC-RAS在洪水模拟中的应用

1、HEC-RAS在洪水模拟中的应用Application of HEC-RAS in simulation of flood摘 要：HEC-RAS是一款河流水力分析程序，在国外及台湾地区已得到广泛应用。本文结合小沂河治理工程，简述HEC-RAS的研发过程、基本原理、功能特性，介绍该程序运行前的准备工作、运作流程及其在洪水模拟中的应用效果，得出几点结论，希望对HEC-RAS的推广有所裨益。关键词：HEC-RAS；洪水模拟；水面线1 前言随着为期三年、轰轰烈烈、卓有成效的“山东省小型病险水库除险加固工程”进行攻坚收关阶段，我省水利工作下一步将转入河流防洪整治。加强中小河流治理作为国家公共服务重点工程

2、防洪减灾的重要内容和水利建设的主要任务，已明确列入中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要和水利发展“十二五”规划。水利部、山东省水利厅已颁布相关文件（水利部办规计2008211号关于做好重点地区中小河流治理规划编制工作的通知、鲁水规计字2008143号关于做好重点地区中小河流治理规划编制工作的通知），为中小河流治理指明了方向。为此，邹城市政府启动小沂河治理工程，以此作为河流治理试点，为河流治理工程全面展开积累经验。本文结合小沂河治理工程，介绍HEC-RAS模型在洪水模拟中的应用，希望对HEC-RAS的推广有所裨益。2 HEC-RAS简介HEC-RAS是由美国陆军工程兵团水文工程中

3、心（Hydrologic Engineering Center，HEC）编制的河流水力分析程序（River Analysis System，RAS），其第一个版本(HEC-RAS1.0)发布于1995年,此后,先后发布了多个升级版本。该程序为全 Windows 图形界面，操作简单，可以计算恒定流、非恒定流，可模拟桥梁、涵洞、溢流坝，可定义死水区、堤线等等。该程序采用的公式都可以在武汉水院编的水力计算手册找到。由于水面线计算方程有三个解，该程序可自动确定正确的水深，判断水流流态：缓流、急流和临界流。计算结果有大量的图表，并可定义动画，可生成三维水面图，自动生成计算书。HEC-RAS把河道中涉水建

4、筑物引起的能量损失分为三部分。第一部分为涉水建筑物占用过流断面使上游水流收缩引起的能量损失；第二部分为收缩的水流经过涉水建筑物后再扩散所引起的能量损失；第三部分为各种形状及排列的涉水建筑物本身造成的能量损失。该程序既根据糙率的纵横向分布考虑了主河道与滩地部分的流量分配，又考虑了糙率随水位变化的因素，还结合各种形状涉水建筑物的阻水机理考虑了各种局部阻力。其基本原理如下：恒定流水面线计算。可对河网、树枝状河系或单个河段的急流(Fr1)、缓流(Fr1)和临界流(Fr=1)进行水面线计算。计算公式采用能量方程。 能量方程： 式中u 、p、 z分别表示流速、动水压强和相对于基准面的高度；为液体容重；g为

5、重力加速度；hw为能量损失。非恒定流模拟。计算公式采用连续性方程和动量方程。连续性方程：式中为液体密度；u为流速；下标遵守爱因斯坦求和约定。动量方程：式中f为质量力；为压力；为流体运动黏性系数。3 HEC-RAS应用实例邹城市小沂河治理工程位于邹城东部30公里处、泰沂山区边缘，凤凰山北麓，尼山水库上游，属淮河水系南四湖流域，流域面积34.04平方公里，干流总长度9.13公里。该区域多年平均降雨量760毫米，来水量较为充沛。小沂河是一条山洪冲刷而形成的季节性自然河道。由于经济条件的限制，多年来未能有效地进行治理，汛期洪水多漫溢，冲毁堤防、桥涵、农田，威胁人民生命财产的安全，给两岸群众的生产、生活

6、、交通造成很大困难。小沂河治理工程总投资3068.0万元。主要建设内容包括：河道开挖工程；堤防加固工程；河道护砌工程；进水涵管工程；交通桥建设工程；防汛路工程。主要工程量包括：土方开挖40.9万方、土方填筑17.4万方、混凝土2.2万方、砌石5.0万方。根据防洪标准（GB50201-94），小沂河治理工程采用二十年一遇防洪标准进行设计，水面线采用HEC-RAS程序进行推求。运行HEC-RAS程序前需要准备的基础资料：河道断面测量成果及糙率n ；洪峰流量设计值。运行HEC-RAS程序流程：当有桥梁、溢流坝等建筑物时，需加设断面。设计断面尺寸、河道纵比由设计流量反向推求。限于篇幅，小沂河水面线计算成果不进行列举。经与实测资料对比，该成果比较合理，而且显示简单清晰。此外，该成果还可以表格形式将各断面的各项模拟项目列出，并能三维显示河道水面情况，使计算成果更加直观。4 结语HEC-RAS在国外已得到广泛应用，在国内应用程度仍然较低，有待普及。HEC-RAS的一大特色是不断完备模块，并整合其他