学习周报：文献阅读+HEC RAS案例

摘要

Abstract

文献阅读：通过HEC RAS软件为罗马尼亚布加勒斯特市的Dâmbovița河水管理的水力模型

文献摘要

讨论|结论

理论知识

边界条件计算

流量计算方式

曼宁公式 (Manning's Equation)

连续性方程 (Continuity Equation)

能量方程 (Energy Equation)

弗劳德数 (Froude Number)

达西-魏斯巴赫方程 (Darcy-Weisbach Equation)

速度公式 (Velocity Formula)

建模设置

HEC—RAS实例：一维恒定流的计算

数据导入

地形编辑

来水条件设置

计算条件设置

截面结果查看

总结

摘要

在本周，阅读的文献为：通过HEC RAS软件为罗马尼亚布加勒斯特市的Dâmbovița河水管理的水力模型，通过HEC-RAS软件建立了Dâmbovița河流域的1D水力学模型，成功模拟了不同流量条件下的水位变化。通过调整闸门开度，模型能够有效控制水位，避免洪水和干旱期间的生态问题。关于案例部分，使用HEC RAS软件，基于网络上所取得数据进行了一维恒定流的简单计算建模，初步学习了该软件的基本操作于计算流程。

Abstract

In this week, the literature which I read was: Hydraulic model for water management of Dambovița River in Bucharest, Romania through HEC RAS software. 1D hydraulic model of Dambovița river basin was established through HEC-RAS software, and water level changes under different flow conditions were successfully simulated. By adjusting the gate opening, the model can effectively control the water level and avoid ecological problems during floods and droughts. As for the case part, I used HEC RAS software to carry out a simple calculation modeling of one-dimensional constant flow based on the data obtained from the network, and initially learned the basic operation of the software and the calculation process.

文献阅读：通过HEC RAS软件为罗马尼亚布加勒斯特市的Dâmbovița河水管理的水力模型

文献摘要

该文献研究了布加勒斯特市内的达姆博维察河渠道的水力特性，使用1D HEC-RAS软件对流量在3至45 m3/s之间的流量进行模拟，以找到每组闸门的最佳开口，从而使沿河段的水位保持在目标正常池水位(NPL)高度。该项目的主要目的是通过优化控制结构的闸门开启高度，以在不同流量条件下维持各段水池的正常运行水位(NPL)。通过实验和模型验证，该研究提供了达姆博维察河在不同流量条件下的水位分布和闸门开启策略

文章重点探讨了通过数值模拟优化河道控制结构的操作，以实现水资源的高效管理和生态保护的目标。这些研究对城市水管理和洪水防控具有重要的实践意义。

讨论|结论

计算出的最大流量的水面剖面可以检查河岸是否被淹没，而最小的3立方米/秒的生态流量的流速值突出了夏季干旱期间生物群可能受到影响的范围。Dambovița河流流经一条梯形运河(称为“清水”运河)，全长约17公里。通过一系列的11个河段(池)，增加了沿河的水深，重塑了天然河道。

文献提出：利用HEC-RAS软件开发并实现一维水力数值模型，模拟Dambovița运河及其坝控结构的水流。该模型旨在找到流量高达45立方米/秒(通过运河的最大允许流量)的每组闸门的最佳开口，以便水池中的水位保持在设计所指示的正常运行水池水位。下图为河道及水库的平面视图：

图中所示：共有十一个控制结构，每个拦河坝都配备一个或三个襟翼(倾斜)闸门，可以控制上游河段的水位，在控制结构7和10之间，水流经Unirii广场下面的涵洞:9是上游(U/S)入口，8是下游(D/S)出口。

研究结果表明，通过合理调节闸门开启高度，可以在各种流量条件下有效控制达姆博维察河各段的水位，避免河岸淹没。尤其是在最高流量45 m³/s的情况下，模型验证了大多数控制结构能够有效地维持水位。然而，在Unirii广场附近，由于复杂的几何形状和从开放渠流到压力流的过渡，模型的计算误差较大。

虽然模型在多数情况下表现出较高的准确性，但在某些复杂区域仍存在一定的计算误差。未来研究可以进一步优化模型的几何设置和计算方法，尤其是在处理复杂地形和流动状态过渡区域时，改进模型的精度。

理论知识

在水力学基础中，有几个关键的公式和原理需要掌握。这些公式和原理在分析和模拟河道中的水流特性时尤为重要。

边界条件计算

边界条件为U/S端流量恒定(Ciurel坝)，D/S端流量均匀(坡)。

当上游截面处于门控堰时，执行迭代以找到与上游正常操作池标高相匹配的最佳开口。开度计算公式为: $Q_{r}=C_{b}\sqrt{2g}BH^{3/2}=CH^{3/2}$ .

式中:Cd为Chadwick和Morfett[16]提出的考虑摩擦和收缩的无因次流量系数，取0.4;H为浇口上方的水头;B为浇口总宽度;C为考虑重力加速度的无因次流量系数。

流量计算方式

从运河下游端开始，采用标准阶跃有限差分法，沿着以两个连续截面(i-D/S和i+1-U/S)为界的初等计算区间，计算稳态流动条件下的逐渐变化的流量:

Z为横截面上的水位;A——截面上的湿润面积;x—D/S距离;K—考虑摩擦损失的计算河段平均输送量;—收缩膨胀系数;

曼宁公式 (Manning's Equation)

曼宁公式用于计算开放渠道中的平均流速或流量。公式为:

$V=\frac{1}{n}R^{3/2}S^{1/2}$

其中：

V 是流速（m/s）
n 是曼宁粗糙系数，无量纲
R 是水力半径（m），定义为横截面积 A 与湿周 P 的比值
S是水面的坡度（m/m）

对于流量 Q 的计算，可以使用：

$Q=A\times V$

连续性方程 (Continuity Equation)

连续性方程描述了在稳定流条件下，通过任意断面的流量保持不变。公式为：

$Q=A\times V$ ;

其中：

Q 是流量（m³/s）
A 是流动截面积（m²）
V 是平均流速（m/s）

能量方程 (Energy Equation)

能量方程用于分析不同断面之间的能量变化，特别是用于计算水流中的能量损失。公式为：

$H=z+\frac{p}{\gamma }+\frac{v^{2}}{2g}$ ；

其中：

H 是总能量水头（m）
z 是高程水头（m）
$\frac{p}{\gamma}$ 是压力水头（m），其中 p 是压力（Pa），γ 是水的比重（N/m³）
$\frac{V^2}{2g}$ 是速度头（m），其中 g 是重力加速度（9.81 m/s²）

在水流通过不同断面时，总能量头的变化可以用伯努利方程表示：

$H_{1}+h_{l}=H_{2}$

弗劳德数 (Froude Number)

弗劳德数用于判断水流的状态，是无量纲数。计算公式为：

$Fr=\frac{v}{\sqrt{gD}}$

其中：

Fr是弗劳德数
V是流速（m/s）
g 是重力加速度（9.81 m/s²）
D 是水深（m）

根据弗劳德数，可以判断水流的状态：

Fr<1 ：水流为亚临界流（缓流）
Fr=1：水流为临界流
Fr>1：水流为超临界流（急流）

达西-魏斯巴赫方程 (Darcy-Weisbach Equation)

达西-魏斯巴赫方程用于计算沿程能量损失（即摩擦损失），公式为：

$h_{f}=f\frac{L}{D}\frac{V^2}{2g}$

其中：

hf是摩擦损失头（m）
f 是摩擦因子，无量纲
L 是管道长度（m）
D是管道直径（m）
V 是流速（m/s）

速度公式 (Velocity Formula)

计算平均流速的一般公式为：

$V=\frac{Q}{A}$ ;

其中：

V 是平均流速（m/s）
Q 是流量（m³/s）
A是流动截面积（m²）

建模设置

在HEC-RAS软件中实现的一维模型被认为再现了这17公里河段的水力特性，沿此河段，主要的水动力变量(速度、深度)主要沿一个方向变化。对沿运河建造拦河坝的11个控制结构进行了以下简化假设:(i)将现有的挡板闸门建模为垂直溢流闸门;(ii)假设对于任何开口和水头值，闸门流量系数都是恒定的。运河的几何形状是通过沿11条河段的横截面和设计带有门控堰的控制结构的几何特征来建模的，如下图所示：

每200米进行一次几何插值，每个闸门可以独立操作，但出于与水推特形状相关的美学原因，在实践中，它们是同时操作的。此外，闸门可以移动，以允许在0和最大高度之间的任何开度，截面如下所示：

由于HEC-RAS只能模拟径向闸门和水闸闸门，因此简化了现有襟翼闸门的几何形状及其运行方式，因此，选择其作为垂直溢流闸门，流量系数被认为与水头保持恒定。在一维模型中实现的Unirii Square涵洞简化几何结构如图7所示：

由于几乎所有的拦河坝都建在桥的上游，这样桥就不会被水淹没。因此，另一种简化假设是忽略桥梁对水流的影响。

通过调整所有截面上的曼宁粗糙度系数，根据在9个控制结构上观察到的最大流量为45 m3 /s的水位值对水力模型进行了校准。所有的大门都完全打开了。

表2给出了观测和计算水位值(相对于黑海水位测量)及其相对于深度(或Unirii涵洞的压力水头)的误差之间的比较：

可以看出，除U/S Unirii Square涵洞断面外，相对于压头的最大误差可接受值为5%。观测值与计算值之间的巨大差异可能是由于复杂的几何形状以及从明渠流到增压流的过渡，而使用的一维模型无法处理这一问题。

因此，该水力模型可以很好地近似于Dambovița河除Unirii Square涵洞外的运河稳态流动条件。

采用3/45 m3 /s范围内的一组流量值对模型进行了闸门开度优化，以保持各坝的U/ s内的NPL标高。

图8显示了三个考虑的流量值:3、20和45立方米/秒，沿河流的水面剖面以及NPL高程(红点)。可以看出，河岸(绿色虚线)没有被淹没，最重要的回水效应发生在第二个D/S河段(Popești - Sere)：

图9描绘了布加勒斯特市前9个U/S控制结构中考虑的排放范围的最终闸门开口。可以看出，除了St. furtunu坝的流量超过35 m3 /s外，所有闸门和流量值都可以保持NPL标高：

通过开闸优化得到的三个额定值曲线如图10所示。可以看出，除了Șt外，NPL的水面高度保持不变。

对于3 m3 /s的生态流量，计算所有横截面的平均流速是有用的，以便突出显示流速最小的河段。因此，操作人员可以采取具体措施，防止或限制不希望出现的现象，如在干旱时期水中植被的增殖和生物群的生存情况：

运河在3、20和45 m3/s三种流量值下的计算流速如图11所示。

可以看出，带有拦河坝的控制结构通过收缩增加了局部流速，也有助于水流的通气性。在Unirii Square涵洞出口与Marașești控制构筑物之间的临界扩大河段，最小流速可能降至1 cm/s：

HEC—RAS实例：一维恒定流的计算

通过一维恒定流的计算，学习该软件在水文建模中的基本操作和基本的计算过程；（本次数据来源于网络）

数据导入

首先从工具栏开始，如下图所示，从左到右依次是：

第一个模块：文件、保存、

第二个模块：地形数据文件、来水条件（恒定流、准一维恒定流、非恒定流）、水质计算（沉积物、水质数据）、

第三个模块: 计算模块选择（恒定流计算、非恒定流计算、）

第四个模块：结果查看；

新建工程项目，名字必须为英文，接着下一步，采用批量导入的方法进行导入：

起点距和高程组成断面形态；
给断面编上编号与坐标、并在其中展示出糙率和左右间距

导入文件后，选择类型：坐标轴or起点距、高程文件：

地形编辑

进入下一步，选择以米（meteric），勾选河流线（steam line），赋予断面坐标后，河流线消失，右键点击空白处，选择最后一个设定示意图范围（schematic plot extents）：

改变后：

后续批量导入糙率、间距等数据，完善河流条件（tables→第一个曼宁系数后续批量导入糙率、间距等数据，完善河流条件（tables→第一个曼宁系数：

此处按照所对应的边坡点数据进行修改，若河道边上不存在建筑，这样设置即可。以6号槽口为例（对应其所需要的数据），地形文件设置完成：

来水条件设置

选择以下选项，进入来水条件设置；

在HEC RAS中编号为由大到小表示出上下游的关系（即编号大的为上游），该案例中如下设置：

在一维恒定流中，边界条件通常只需设置下游的状态，该案例中设定为临界水深：

完成边界条件设置后，该河槽的来水条件设置完成

计算条件设置

点击如下选项，进入计算方案选择：

在平原地区往往选择缓流，在山地等高程变化不一的地区则多用急流进行计算：

选择设置条件后，点击下方compute进行计算或在flie中选择进行保存和新建计算条件设置。

截面结果查看

选择以下选项进行查看各个断面的结果：

在查看数据的时候，可在左上角flie选项中选择边界条件设置中所设置的工况点进行统一或单独的查看，若要导出数据，则最好是一个工况点一个工况点上进行选取，计算结果如下图所示：

其中，流速并不是我们所需要的流速，我们所需的流速往往为断面平均流速。一维恒定流计算完成。

总结

本周我阅读了HEC RAS文献，了解了如何利用HEC-RAS软件进行一维恒定流模拟，优化控制结构的闸门开度以维持河道的正常运行水位。在HEC-RAS软件中进行了相关案例操作，模拟了不同流量条件下的河道水位变化，验证了文献中的模型设定和结论。这些实践操作不仅加深了我对理论知识的理解，也提升了我在实际应用中的操作技能。