HEC_RAS模型在洪水模拟中的应用

东北水利水电２００６年第１１期（第２４卷２６８期）［收稿日期］２００６－０８－１７［作者简介］陈建峰（１９８１－），男，重庆长寿人，在读硕士研究生，主要从事水文水资源和环境水力学研究。

ＨＥＣ－ＲＡＳ模型在洪水模拟中的应用陈建峰，王颖，李洋［摘要］介绍了ＨＥＣ－ＲＡＳ模型的组成和功能，探讨了其运行方式，并以黑河为例，模拟该河流金盆水库坝址至入渭河口的河道洪水（Ｐ＝１％）水面线。

初步模拟结果表明：ＨＥＣ－ＲＡＳ模型应用简便，适用性较好。

［关键词］ＨＥＣ模型；ＨＥＣ－ＲＡＳ模型；黑河；洪水模拟［中图分类号］ＴＶ１３９．１６［文献标识码］Ｂ［文章编号］１００２－０６２４（２００６）１１－００１２－０２（西安理工大学水利水电学院，陕西西安７１００４８）１ＨＥＣ－ＲＡＳ模型ＨＥＣ－ＲＡＳ（ＲｉｖｅｒＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍ）是河道一维恒定流／非恒定流水力分析模型，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，包括：ＨＥＣ－ＲＡＳ１．１，１．２，２．０，２．１，２．２，２．２．１，３．０，３．０．１，３．１，３．１．１，３．１．２等，其中，最新版３．１．２发布于２００４年６月。

（１）模拟功能。

如果共用同一河网几何资料，可一次进行多个项目的模拟。

其中，一维恒定流水面线计算可完全取代ＨＥＣ－２，并且计算结果较之更合理。

①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（Ｆｒ＞１）、缓流（Ｆｒ＜１）和临界流（Ｆｒ＝１）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水面线。

能量方程［１］：Ｙ２＋Ｚ２＋ａ２ｖ２２２ｇ＝Ｙ１＋Ｚ１＋ａ１ｖ２１２ｇ＋ｈｅ式中Ｙ１，Ｙ２—断面水深；Ｚ１，Ｚ２—主河道高程；ａ１，ａ２—流速系数；ｇ—重力加速度；ｈｅ—水头损失。

恒定流的模拟可应用于洪泛区管理和洪水保险研究，其特点是：多项目分析、多曲线计算、多桥涵分析以及实现分流最优化［１］。

②非恒定流模拟。

其计算原理基于连续性方程和动量方程。

连续性方程［２］：!"!ｔ＋!（"ｕｉ）!ｘｉ＝０式中"—流体密度；ｕ—流速；下标遵守爱因斯坦求和约定。

动量方程［２］：!ｕｉ!ｔ＋ｕｊ!ｕｉ!ｘｊ＝ｆｉ－１"!"!ｘｉ＋ｖ!２ｕｉ!ｘｊ!ｘｉ式中ｆ—质量力；"—压力；ｖ—流体运动黏性系数。

该模型可对河网一维非恒定流进行分析，非恒定流方程采用ＵＮＥＴ模型（Ｂａｒｋａｕ，１９９２和ＨＥＣ，１９９７）。

ＨＥＣ３．０及其以前的版本只能对缓流进行模拟，而ＨＥＣ３．１版本还可对混合流进行模拟。

③泥沙输移计算。

以适当的时间段，可对一维的泥沙冲刷或沉积进行模拟，时间段可为代表年，也可为单个洪水事件。

该模型在河道不同流量频率、水位变化或几何形状改变时仍可模拟泥沙输移情况，因此，可应用于评估水库淤积、设计航道水深、预报疏浚与沉积率的影响、估算洪水最大冲蚀量，以及评估河道沉积状况。

２模型运行流程应用该模型需要的基础资料：河网／河段的几何资料、恒定流资料／非恒定流资料，其运行流程如图１。

３实例应用本文以黑河流域Ｐ＝１％的洪水资料，经黑河金盆水库调洪后，推求从坝址至黑河与渭河汇合处共２２个断面的洪水水面线，研究的河道总长１２２００６年第１１期（第２４卷２６８期）东北水利水电（下转第４２页）约３２ｋｍ，计算间间隔为０．５ｈ。

限于篇幅，仅将部分结果列举如下，见图２～图５。

图３断面水面高程图（２１号断面，２４：００时）４模拟结果分析综合所有断面（２２个）的模拟结果，可以看出，各时段内，各断面水流均在河道内，其中，２１号断面水面高程最高（６７４ｍ，见图３），从上游至下游，各断面水面高程递减，在入渭河口处最低（４１０ｍ，０号断面）。

该结果表明：黑河金盆水库１００年一遇的设计洪水标准是合理的。

经与实测资料对比，水面线高程～总流量关系曲线、水位～时段～流速关系、水力特性等模拟结果比较合理（如图２、图４、图５），而且显示的结果简单清晰。

此外，该模型的模拟结果还可以表格形式将各断面的各项模拟项目列出，并能用Ｘ－Ｙ－Ｚ三维显示河道水面情况，使模拟结果更加直观。

根据该模型的模拟结果，对于洪水保险研究、洪泛区管理非常有用，据此可建立洪水事件下的人员撤退方案，还可进一步做出洪灾损失评估。

图１ＨＥＣ—ＲＡＳ运行流程图１．边界条件设定２．起始条件设定程序开始设定河道几何资料设定流态模拟是否成功存储资料结果分析是否１．绘河道地形图２．输入断面资料流量（ｍ３）４７４．０４７３．９４７３．８４７３．７４７３．６４７３．５３２００３０００２８００２６００２４００２２００２４：０００６：００１２：００１８：００２４：００水位（ｍ）时间水位流量图４水位￣时段￣流速关系图（２１号断面）图５水力特性曲线（２１号断面）输移流量４８０４７８４７６４７４４７２４７０４６８４６６０２０００４０００６０００水面高程（ｍ）水面面积（ｍ２）输移流量（１０００ｍ３）水面总面积图２水面高程￣总流量关系图（２１号断面）４７５４７４４７３４７２４７１４７０４６９４６８４６７水面高程（ｍ）０５００１０００１５００２０００２５００３０００３５００总流量（ｍ３）水面４８０４７８４７６４７４４７２４７０４６８４６６０１００２００３００４００５００６００７００断面位置（ｍ）河床水面高程（ｍ）１３东北水利水电２００６年第１１期（第２４卷２６８期）（上接第１３页）５结语ＨＥＣ－ＲＡＳ模型在国外已得到广泛应用，如美国ＦＥＭＡ（联邦应急管理局）分别于１９９７年、２０００年、２００１年应用该模型进行洪水保险研究，效果较好。

而在国内，除台湾地区有比较成熟的应用之外，只散见极少量尝试和探讨。

ＨＥＣ模型的一大特色是不断完备模块，并整合其他软件的功能，使其在增加模拟项目的同时，也增强了模拟能力。

比如结合ＧＩＳ，增强了模拟效果。

应用该模型，与常规的数值计算相比，可极大减轻工作量，提高工作效率。

同时，ＨＥＣ模型的模块设计思想也给我们提供了发展类似模型的思路。

［参考文献］［１］ＨｙｄｒｏｌｏｇｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｅｎｔｅｒ．ＨＥＣ－ＲＡＳｕｓｅｒ＇ｓＭａｎｕａｌｖｅｒｓｉｏｎ３．１［Ｚ］．Ｕ．Ｓ．Ａ．：Ｕ．Ｓ．ＡｒｍｙＣｏｒｐｓｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｄａｖｉｓ，ＣＡ，２００２：３～１７．升。

测孔内水位下降应与该阶段降雨量减少有关，测孔内水位随后的上升说明坝体蓄水后渗流场的变化已影响到下游河床。

（２）２０００年１月１日至４月３日期间，河床段ＵＰ０１～ＵＰ０３、ＤＰ０１～ＤＰ０３号孔的水位一直处于缓慢上升趋势，测值极为接近，各测孔水位变化规律性较强。

（３）２０００年４月３日至５月８日期间库水位下降，河床的ＵＰ０１～ＵＰ０３，ＤＰ０１～ＤＰ０３号孔水位则呈平稳之势。

（４）此后由于库水位上升较快，各孔水位也随之上升。

２０００年７月４日库水位达到４２５６．１０ｍ高程，泄洪洞开始泄流，此后库水位比较稳定，库水位维持在４２５６．５０ｍ左右，稍高于正常蓄水位４２５６．００ｍ。

ＵＰ０１～ＵＰ０３，ＤＰ０１～ＤＰ０３号渗流测孔内水位变化规律平稳一致，未见异常，说明目前大坝的渗流性态正常。

自１９９９年１０月２３日蓄水至１１月１８日期间，各测孔水位变化很有规律。

河床段１～６号孔的水位一直处于下降趋势，此期间降幅在０．２４～０．５３ｍ之间，且各孔内的水位也十分接近，在４１８０．６０～４１８０．７４ｍ之间。

从图２可以得出，漏水量与库水位之间具有明显相关性，漏水量随着库水位的上升而逐渐增加，但存在一定滞后性。

在２０００年９月１４日开始，漏水量显著增大，到２０００年１２月１３日达到最大，其渗漏量为２０．６３Ｌ／ｓ（１７８２．５１ｍ３／ｄ），在此期间，下游河床有明流发生，到２００１年３月底４月初下游河床明流消失。

以后渗漏量有显著下降，至２００１年３月３日降至６．９６Ｌ／ｓ（６０１．６１ｍ３／ｄ），以后又规律上升，到２００１年７月３日渗漏量升到１１．６７Ｌ／ｓ（１００８．４２ｍ３／ｄ）。

图２中渗漏量过程线出现的多个峰值，多数发生在雨季，明显为受降雨的影响。

由于坝下的渗流场条件比较复杂，测压管水位高低与上游库水位变化幅度、降雨强度大小、两岸山体绕渗补给和填筑坝体的材料的渗透性能等因素有关，因此无法精确计算出大坝的渗漏量。

计算所得的渗漏量包含绕坝渗流及降雨对坝下河床砂、卵、砾石层的补给，由于绕坝渗流与降雨补给量的不确定性，所以计算未对其进行剔除，计算所得渗漏量应大于实际渗漏量。

３结语（１）在正常蓄水位情况下，通过观测数据计算出的大坝最大渗漏量高于初步设计的数值（４１７．３９ｍ３／ｄ），计算中未剔除降雨量、天然地下水补给及观测方法误差等的影响；（２）应用该方法不仅节省了工程投资，也减少了设置防渗墙带来的工期延长，同时也避免了使用常规防渗墙观测土石坝渗漏量而导致的坝踵水位升高所带来的安全隐患。

［参考文献］［１］毛昶熙．渗流计算分析与控制［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９９０．０５．［２］张启岳．土石坝观测技术［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９９３．０３．观测日期上游水位渗漏量上游水位（ｍ）渗漏量（Ｌ／ｄ）４２６０４２４０４２２０４２００４１８０３０２０１００１０１１１２１２３４５６７８９１０１１１２１２３４５６７１９９９２０００２００１图２西藏满拉水利枢纽大坝渗漏量过程曲线!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!４２Ｎｏ．１１２００６（ＴｏｔａｌＮｏ．２６８）ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓ＆ＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔ７１Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏｃｋｆｉｌｌｄａｍｗｉｔｈｆａｃｅｓｌａｂＨＵＡＮＧＪｉｎｇ－ｚｈｏｎｇ，ＷＡＮＧＪｉａｎ－ｙｏｕ，ＨＵＬｉａｎｇ－ｍｉｎｇ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅｐａｐｅｒｅｎｇａｇｅｓｉｎｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｄａｍｔａｋｉｎｇＸｉａｌｉｕｊｉａｒａｃｋｆｉｌｌｄａｍｗｉｔｈｔｈｅｆａｃｅｓｌａｂａｓｔｈｅｅｘａｍｐｌｅ，ｃａｌｃｕｌａｔｅｓｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄａｍ，ｒｅａｃｈｅｓｔｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｃｌｅａｒａｐｐｒａｉｓａｌｏｆｄａｍｗｏｒｋｉｎｇｓｔａｔｅ．［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｒｏｃｋｆｉｌｌｄａｍｗｉｔｈｆａｃｅｓｌａｂ；ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；ＸｉａｌｉｕｊｉａｗａｔｅｒｃｏｍｐｌｅｘＢｌａｓｔｉｎｇｏｆｇｒａｉｌｃｅｍｅｎｔｅｄｒｏｃｋｃａｖｅｒｎｉｎＹｅｌｅｗａｔｅｒｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎＹＡＮＧＳｈｅｎｇ－ｌｉａｎｇ，ＸＵＥＪｉａｎ－ｊｕｎ，ＴＵＳｈｅｎｇ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｂｌａｓｔｉｎｇｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓｏｆｔｈｅｃａｖｅｒｎｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｓｏｍｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉ－ｅｎｃｅｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｂｌａｓｔｉｎｇｔｅｓｔｏｆｇｒａｉｌｃｅｍｅｎｔｅｄｒｏｃｋｃａｖｅｒｎｉｎＹｅｌｅｗａｔｅｒｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎ．［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｂｌａｓｔｉｎｇｏｆｃａｖｅｒｎ；ｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｂｌａｓｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒ；ＹｅｌｅｗａｔｅｒｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＨＥＣ－ＲＡＳｍｏｄｅｌｉｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｏｄＣＨＥＮＪｉａｎ－ｆｅｎｇ，ＷＡＮＧＹｉｎｇ，ＬＩＹａｎｇ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ＴｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＨＥＣ－ＲＡＳｍｏｄｅｌ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｓｉｔｓｏｐｅｒａｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎ，ｓｉｍｕｌａｔｅｓｔｈｅｗａｔｅｒｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｆｉｌｅｏｆｒｉｖｅｒｃｏｕｒｓｅｆｌｏｏｄ（Ｐ＝１％）ｆｒｏｍＪｉｎｐｅｎｒｅｓｅｒｖｏｉｒｔｏｗｅｉｈｅｒｉｖｅｒｍｏｕｔｈｔａｋｉｎｇＨｅｉｈｅｒｉｖｅｒａｓｔｈｅｅｘａｍｐｌｅ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＨＥＣ－ＲＡＳｉｓｓｉｍｐｌｅａｎｄｃｏｎｖｅ－ｎｉｅｎｔ，ｉｔｓａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｉｓｇｏｏｄ．［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ＨＥＳｍｏｄｅｌ；ＨＥＣ－ＲＡＳｍｏｄｅｌ；Ｈｅｉｈｅｒｉｖｅｒ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｏｄＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｂｅｄｌｏａｄｓｅｄｉｍｅｎｔｉｎｒｉｖｅｒＬＩＹａｎｇ－ｌｏｎｇ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅｓｈａｎｘｉｐｒｏｖｉｎｃｅｉｓｔｈｅｒｅｇｉｏｎｏｆｓｅｒｉｏｕｓｓｏｉｌａｎｄｗａｔｅｒｌｏｓｓ，ｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｓｌａｒｇｅ．Ｔｈｅｒｅｉｓｎｏｔａｎｉｄｅａｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｂｅｄｌｏａｄｓｅｄｉｍｅｎｔａｎｄｆｕｌｌ－ｓｅｄｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｓｅｔｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｂｅｄｌｏａｄｓｅｄｉｍｅｎｔａｎｄｆｕｌｌ－ｓｅｄｉｍｅｎｔｉｎｓｏｍｅｒｉｖｅｒｓｏｆＳｈａｎｘｉｐｒｏｖｉｎｃｅａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｍｅａｓｕｒｍｅｎｔｓｕｓｐｅｎｄｅｄｌｏａｄｄａｔａｏｆｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌｓｔａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓｗｉｔｈｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔｂａｌａｎｃｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｂｅｄｌｏａｄ；ｓｅｄｉｍｅｎｔ；ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ；Ｓｈａｎｘｉｐｒｏｖｉｎｃｅ。