HEC系列水利软件的应用

'第6期总第142期浙江水利科技No.6TotalNo.1422005年11月ZhejiangHydrotechnicsNovember2005HEC系列水利软件的应用112蔡新明,董志勇,张永华(1.浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州310032;2.浙江大学市政工程系,浙江杭州310027)摘要:HEC系列水利软件是国外一组功能强大,使用范围广泛的软件集。在河道水力分析、水文模拟、洪水预测、河道整治、水库管理规划等方面发挥着重要的作用。详细介绍了该软件包的组成和各主要子模块的结构原理及运行方式,并指出了其工程研究动态和发展方向。关键词:HEC模型;水力分析;水文模型;洪泛平原区;地理信息系统;可视化中图分类号:TP319文献标识码:B文章编号:1008-701X(2005)06-0020-04随着我国经济的发展以及全球气候的急剧变化,水利代版本则是可基于WINDOWS或其它平台下,具有更好的用灾害频发,水体污染,水资源短缺,严重制约了我国的可户操作界面:有用于计算降雨径流的HEC-HMS(Hydrologic持续发展。因此对水资源规划、洪水灾害预测、河道整治、ModelingSystem)模型,河道水力分析的HEC-RAS(River水库调度等水利工程措施的有效施行非常有意义。AnalysisSystem),洪水破坏分析的HEC-FDA(FloodDamage目前,我国水利工程中应用的水利软件大多是由单位System)模型,水库群运行管理的HEC-ResSim(Reservoir自主研发或者从国外购买昂贵的大型软件(如MIKE,SMS,SystemSimulation)模型,数据存储系统HEC-DSS(DataDELFT等),较难推广到基础工程应用中,制约了工程软件StorageSystem)等。随着地理信息系统(GIS)的发展,HEC的应用发展。研究中心与美国环研所(ESRI)合作开发了HEC-GeoHMS基于以上缘由,本文通过对一国外功能强大的,免费和HEC-GeoRAS扩展模块,用于数字高程模型DEM和数字获取的水文水力系列软件HEC的结构原理、使用方法以及地形模型DTM的处理,生成地理空间数据。它把HEC系列工程应用、发展趋势等的介绍,为广大水利工作者提供思软件的计算功能结合GIS强大的数据处理功能以及它的可路,促进我国水利事业的发展。视性,实时性结合起来,进一步扩展了该系列软件的应用功能和范围。1软件系列发展历史及构成HEC是HydrologicEngineeringCenter(水文工程中心)的简称,成立于1964年,隶属于美国陆军工程兵团(TheU1S1ArmyCorpsofEngineers)水资源机构,专门从事工程水文水力研究。现已经开发了几十种工程软件,并形成了完善的开发、培训体系。软件结果经过大量工程验证,现己成为国际上最为有名的水文水力工程软件之一,而且大部[1]分软件都可以从它的网站上免费下载。其涉及的研究领域包括:地表水文、河道水力、泥沙运动、水文统计和风险分析、水库系统分析、实时水资源图1HEC系列软件发展变化过程图控制和管理及其他相关技术研究。针对不同领域,其开发了一系列模型,统称HEC模型。主要软件及发展过程以及整合如图1所示。2各模块模型介绍早期的模型都是基于DOS平台,包括HEC-1(流域水在工程实际应用中,运用范围比较广泛的是RAS模型文计算)、HEC-2(河道水力计算)、HEC-3(水库系统分和HMS模型及其相关模块,故在此作详细介绍。析)、HEC-4(流速随机生成程序)、HEC-5(洪水控制及守211HEC-RAS模型恒模拟)和HEC-6(一维河道输沙演算模型)等。最新一河道水力分析模型)))HEC-RAS是一个针对一维恒定P收稿日期:2005-08-19非恒定流的水力模型,主要用于明渠河道流动分析和洪泛作者简介:蔡新明(1981-),男,硕士研究生,主要从事计算平原区域的确定。模型所得结果可以用于洪水区域管理以水力学和环境水力学研究。及洪水安全研究分析,用以评价洪水淹没区域的范围及危#20# 总第142期#浙江水利科技#2005年第6期害程度。如在进行河道整治以及新建桥梁等工程的时候,列稳定流动来代替流量水文过程图,用来计算和预测由于就要分析考虑河道壅水高度、流速变化、桥涵冲刷等这些沙、砾石、粘土在中等时间跨度内(一般为多年)的冲刷因素对河流输水,城市防洪的影响。或者淤积而造成的河道纵剖面线的变化程度。该模型考虑HEC-RAS可以对单个河段,树枝状河网系统或者环状整合了水力学、泥沙输移、渠道糙率以及相关边界条件变河网系统进行模拟。当前版本充分考虑了诸如池塘、泵站、化因素的影响。用该模型主要功能体现为:可分析河网、桥梁、涵洞、堰、闸门等建筑物的影响,甚至可以模拟结河道P水库泥沙淤积的疏浚、各种堤岸建设方案比较、提供[2]冰影响,对于河道水力模拟的适用性和可靠性的提高具多达13种方法来计算泥沙输移率。它在工程中应用于评价有显著的效果。水库淤积的量和位置、设计河道来保证航道水深、疏浚及该软件有恒定流求解,非恒定流求解以及河道输沙演其对淤积的影响、评价洪水期间最大的冲刷程度、分析由算3个模式功能。其中河道输沙演算模式还处于开发当中,于冲刷或淤积对河道边界的影响等。只能仍采用HEC-6。HEC-RAS模式,配合适当的水文与测量基本资料,从RAS进行河道水力过程模拟流程如图2所示。而计算所得河道行洪水位,加上地形地貌判断洪水可能到其中几何数据包括:横断面测点信息、糙率、断面间达的区域后,便可勾勒不同洪水频率的洪泛区域。经过规距、桥涵、闸门等信息。这些信息需要在实地进行采集,划后的洪泛区的土地区域管理,是实施洪灾保险不可或缺也可以从其他软件的数据格式导入,如GIS格式、HEC-2格的一环,也是目前洪水研究的一个热点。[2]式、UNET几何数据、MIKE11断面数据格式等。212HEC-HMS模型HEC-RAS在求解恒定流速时是基于能量方程守恒,非HEC-HMS是流域洪水预报模型,主要用于树状流域降恒定流的水力分析是基于著名的圣维南方程。其中对能量雨)))径流过程的模拟。它可以直接或与其它模型结合应2AV用于洪水预报、城市管网排水研究、水库调度、减灾分析方程H=Z+Y+采用直接步进法(thedirectstepmethod)2g等实际工作中。从模型操作上看,它属于集总式水文模型进行迭代求解而得(其中H为总水头线,势能(Z+Y)和[4,5](LumpedHydrologicModeling),基本构建思路是:根据2动能(aV/2g)。2个断面之间的能量差值即为水头损失。DEM将流域划分成若干网格单元或自然子流域,计算每一个单元(子流域)的产流量,汇流包括坡面汇流和河道汇流,最后演算至流域出口断面。模型充分考虑了流域下垫面和气候因素的时空变异性,对于洪水模拟精度的提高具有显著效果。HEC-HMS模拟的流域洪水过程包括两部分,即子流域产流、坡面汇流部分和河道汇流部分。前者控制着每个子流域内净雨的形成及汇集到各出口断面的流量过程;后者决定水流从河网向流域出口的运动过程。此外,模型还考虑在实际流域中起调蓄作用的水库、小水源(如泉水)、洼地(如池塘)以及起分流作用的水利工程等对洪水汇流过程的影响。在使用该模型时,还需要对流域的降雨损失、坡面汇流、基流计算和河道演算所采用的方法进行确定,并给出参数的初始值。该模型对降雨损失提供了初损和稳渗法、SCS曲线法、格网SMA法以及Green&Ampt法。在坡面汇图2HEC-RAS运行操作流程图流计算的基本方法有2种:运动波法和单位线法。模型提供的单位线有Clark法、Snyder法、SCS法以及User-Specified如果在某个横断面处的流量以及水面线的高程已知,单位水文曲线法。基流计算利用的是线性水库和地下水消则直接步进法就能对其邻近的横断面的水面高程进行求解。退曲线法[5]。软件结构和运行方式如图3所示。计算过程是从上游或从下游开始,要依据流态的类型。无HEC-HMS软件系统包括流域模型(BasinModel),气象量纲数佛汝德数(Fr)用以判断流态,即:Fr<1为缓流;模型(MeteorologicalModel)和控制设定(ControlFr>1为急流;Pr=1为临界流。Specifications),如果要进行结果的调整还应考虑参数最优化对于自然界或者人工明渠或天然河道而言,缓流是一过程(Parametersoptimization)[6]。其中流域模型是实际物理非常普遍的流态。对于该流态HEC-RAS从下游河段开始计系统的模型概化,包括该流域的子流域的划分情况,以及算,并沿着相邻的横断面逐段向上游计算直至结束,而急各个子流域的汇流方向等。在气象模型中则要输入该流域流则刚好相反。中相关雨量站的坐标及雨量、河道流量和蒸发等观测资料,[3]其中HEC-6为一维连续泥沙输移模型,它采用一系并且建立雨量站同各个子流域的关系,为整个流域的降雨#21# 总第142期#浙江水利科技#2005年第6期径流计算做好准备。控制设定部分时对各场洪水的起止时HEC软件也只能作为对某一简单的问题进行计算,不能满间,以及计算时间步长作出说明限制,便于读取和计算每足工程的需求。基于此,HEC中心开发了GeoRAS和场洪水的降雨资料和流量资料。GeoHMS模块,与GIS软件(ArcView,Arclnfo)结合,进行功能的扩展。21311HEC-GeoHMS模块[7]地理空间水文模型扩展模块(HEC-GeoHMS)是一基于GIS的ArcView或Arclnfo的软件包。模块作为HEC-HMS的数据接口,对输入的数字高程模型DEM进行地形处理,通过分析数字地形信息,HEC-GeoHMS把雨水排水路径和流域边界转化成水文数据结构(该数据结构表示流域与降雨之间的响应关系)。除了水文数据结构,HEC-GeoHMS还有如下功能:处理基于网格的线性准分布式径流运动的数据(ModClark法),HEC-HMS集流模型,物理流域和河流特性(如子流域面积、河道比降等)以及背景地图文件。生成HEC-HMS接受的格式文件后,把HEC-GeoHMS的水文结果导入到HEC-HMS中,以进一步进行水文过程的模拟,处理过程主要包括地形处理和工程处理2个部分(见图4)。图3HEC-HMS模型结构和运行方式图此外,它提供了一个综合式的工作环境,包括数据管理和自定义化的工具包。这些功能包括有菜单,工具,按213GeoHMS和GeoRAS模块钮的图像用户界面,另外的交互式功能允许用户在河道测最近30年来的信息技术革命已经从根本上改变了水科站、水工建筑物和其他控制点上建立流域的水文示意图,学和水利技术中传统的规划、模拟和决策的方法论。工程进行可视化的操作。涉及的因素越来越多,处理的信息量也越来越大,纯粹的图4HEC-GeoHMS模块运行处理过程图21312HEC-GeoRAS模块[8]一步生成的RAS输出文件,进行河道水力的模拟后生成第地理空间河道水力分析模块GeoRAS充当的角色更多的2个RAS输出文件,接着在ArcView的PostRAS菜单下导入是作为HEC-RAS和GIS之间的数据转换的媒介,进行不同该第2个RAS输出文件,进行洪泛平原区的勾勒以及河流类型数据之间的处理。在创建和评估水力模型的时候,比速度,水深的图面效果显示。过程如图5所示。如进行洪泛平原区地图生成、洪水破坏计算、生态修复、洪水预报响应分析的时候,需要数字地形数据,此时可通过从HEC-RAS模拟中导出的水面线和流速数据需要通过GeoRAS媒介导入到GIS中进行处理。运行操作过程:在ArcView导入HEC-GeoRAS模块后,会出现PreRAS、GeoRAS_Util、PostRAS三个菜单。GeoRAS主要功能模式及运行过程:在ArcView的PreRAS菜单中导入所研究区域的TIN(TriangularIrregularNetwork)三角形不规则格网)文件,绘出地形等高线,然后在其上建立河道中心线、中泓线、岸线、横断面切割线等,结合GeoRAS_Util图5HEC-GeoRAS模块与其它软件结合运作过程图菜单里面的,从地形使用的shapefile文件里创建曼宁系数值n的分布表格,生成RAS输出文件,在HEC-RAS中导入前#22# 总第142期#浙江水利科技#2005年第6期而不是一系列繁杂的数据。这能使人们能够形象明确地了3工程应用与发展方向解洪水影响的区域范围,对河道周围环境的影响幅度等,现阶段HEC系列软件在我国已经开始应用,文从而及时采取有效的措施进行防范。献[9,10,11,12]等对工程应用进行了介绍,在浙江省/万里清水由于人类频繁活动的影响,集雨面积、地形特征、河河道工程0的河道整治中也得到了应用。道特性都会经常改变,并且庞大的数据量已经使研究者面随着GIS技术发展以及国外应用的经验,基于地图信临着从基础数据获取水文模型概念的挑战,而通过和其它息的水文学水力学的融合分析,数据信息库的建立是当前大量专题数据的结合,快速准确地转换模拟结果是面临的水利工程的应用方向。HEC系列的每个子软件包都有很强另一个重大挑战。因此在进行城市规划,水利建设的时候,的针对性(对于一些软件包,它们的功能也不是完全独立建立一组连续有效的、可用于不同模拟研究的、可实时更的)。通过扩展模块,前处理软件(如HEC-Prepro,CRWR-新的数据就十分有利。Prepro等)和数据转换软件(HEC-DSS)能够实现各子软件通过引入基于数据库和GIS相结合的水文水利管理系之间甚至和其它软件(ArcView,ArcInfo等)之间的数据传统,最终建立决策支持系统DSS(DecisionSupportSystem),递处理,进一步扩展了HEC软件在水利工程中的应用范用来管理所研究区域的洪水灾害,水资源管理等。该类系围。如图6的例子,表明了各个HEC系列子软件包之间和统能够很好地体现地形数据提取、水力水文分析、政府政外部软件之间存在良好的互动性。策、自然条件变化、水资源利用等过程以及相互之间信息通过以上的图例,也可发现对基于地图信息的水文学的反馈。这是目前工程研究的一个热点。水力学的融合分析,最终得到一可视化的,三维的结果,图6HEC系列子软件模型之间应用关系图择范围,方便了使用者,减少了工作量,这些是HEC模型3结语最突出的优点,与此同时该系列减少了研究者在计算方法、目前,HEC系列软件在国外的应用已经较成熟,在实编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动,将更多践中也不断地完善和发展,并相继开发了许多扩展模块,的精力和时间投入到考虑问题的物理本质、优化算法选用、极大地丰富了HEC的使用范围和内涵。它在我国的应用还参数设定,因而提高了工作效率。处于起步阶段,但主要停留在简单的单独的水力水文计算参考文献:层面上,不能有效的整合这些软件资源(特别是结合GIS[1]www.HEC.usace.army.milPsoftware相关软件)。在数据处理和结果输出上,也不能充分发挥[2]HydrologicEngineeringCenter.HEC-RASUserpsManual310[k].U.HEC软件的功能。随着GIS技术在水利行业不断的发展成S.ArmyCorpsofEngineers,Davis,CA.,2001.熟,HEC软件在工程的不断应用探索,必然会获得越来越[3]HydrologicEngineeringCenter.HEC-6UserpsManual[k].U.S.多的应用,应用效果也必将越来越好。ArmyCorpsofEngineers,Davis,CA.,1998.HEC系列软件适用面广且在率定,模型构建,参数优[4]ArturoAndazola.ComparisonofDistributedandLumpedHydrologic化等方面,提供了建议最优值、目标函数值以及参数的选Modeling.http:PPwww.cees.ou.eduPugradP(下转第29页)#23# 总第142期#浙江水利科技#2005年第6期性的把握。理,并利用旋桨式流速仪和VDMS测流系统,对三门核电厂潮流泥沙物理模型试验中的大、中、小3种潮型中有关3VDMS与传统旋桨式流速仪的比较验证点位的流速、流向过程的量测进行了对比试验。试验(1)在潮流物理模型试验的流速较大的情况下,2种方表明,VDMS测流系统可以准确获取试验区域内的流速场信法得到的测量成果基本一致,但VDMS测速系统可以获得息,它不但解决了传统旋桨式流速仪只能测流速,不能测较旋桨式流速仪测流得到更多的信息,利用VDMS测流可流向的困难,同时使测量对象由有限的几个点位转向镜头以快速准确地获取整个试验范围的流场,断面流速分布以所涵盖的整个范围,使模型试验信息得到了更加完整准确及自定义测点的流速矢量变化过程,该系统使流体测速向记录,是今后进行潮流泥沙物理模型试验及其它河工模型自动化方向发展向前又大大迈进了一步。试验的强有力工具。(2)在潮流物理模型试验的小流速条件和转流期,传参考文献:统的旋桨式流速仪由于受旋转部件(发讯部件的载体)驱动机制的限制,及旋转部件不完整的频繁摆动,常导致不[1]申功祈.全场观测技术概念、进程与展望[J].北京航空航天大学学报,1997,23(3):332-339.可靠流速值的出现。VDMS测速系统因其直接采用光学技[2]罗罡.全场激光散斑测速和粒子像测速新技术研究[D].重术,测流部件不受水流干扰,在小流速水流流速测量时具庆大学博土论文,1997:21-43.有相当的优势。但VDMS测速系统在使用时对作为测速依[3]王兴奎,庞东明,王桂仙,安风玲1图像处理技术在河工模型据的粒子的抛洒具有一定要求。为了尽量减小粒子抛洒对试验流场量测中的应用[J].泥沙研究,1996,(4):21-26.VDMS测速范围水流干扰,粒子抛洒人员一般要求在VDMS[4]流场实时测量系统vdms411版用户说明书[M].清华大学,测速范围上下游2~3m以外。但由于粒子在随水流的运动2003.5.过程中并不能保持均匀分布,因此在VDMS测速范围较近[5]AdrainRJ,HasonRK,PrasedAK1Particle-imagingtechniquesfor处也应安排人员及时补充粒子,以确保粒子能均匀遍布测experimentalfluidmechanics[J]1Ann,Rev1ofFluidMech1,1991,速范围。23:261-304.(责任编辑韩继静)4结语本文简要介绍了VDMS测流系统的基本构成和基本原(上接第23页)[9]陆波,梁忠民,等.HEC子模型在降雨径流模拟中的应用研reuPfinal_presP2001_PresentationsPArturo.ppt究[J].水力发电.2005,(1):12-14.[5]熊立华,郭生练.分布式流域水文模型[M].北京:中国水[10]赵渭军.HEC-2方法在桥涵壅水水面线计算中的应用[J].浙利水电出版社,2004.江水利科技.1994,(4):49-54.[6]HydrologicEngineeringCenter.HEC-HMSUserpsManual211[k].U.[11]付鹏.HEC-2模型在古洪水研究中的应用[J].吉林水利.S.ArmyCorpsofEngineers,Davis,CA.,2001.2004,(10),4-7.[7]HydrologicEngineeringCenter.HEC-GeoHMSUserpsManual[k].U.[12]SUIJue-yi,KARNEYBryanW.ICEJAMSINASMALLRIVERANDS.ArmyCorpsofEngineers,Davis,CA.,2001.THEHEC-RASMODELING[J].JournalofHydrodynamics.2005,[8]HydrologicEngineeringCenter.HEC-GeoRASUserpsManual[k].U.17(2):127-133.S.ArmyCorpsofEngineers,Davis,CA.,2001.(责任编辑韩继静)(上接第26页)系统的延展性、安全性是首要注意的议题,而这些都是conn=DriverManager1getConnection(url,user,pass);J2EE的优势。另外在效率方面,J2EE主张通过硬件的效能}增加来弥补软件的不足,开放标准,功能强大,易于移植catch(Exceptione){这些都是J2EE的优点。e1printStackTrace();水利专业数字图书馆的系统建设信息涉及到多方面的}内容,具体的问题也是复杂多变的,本文就笔者在开发中returnthis.conn;发现的问题、基于J2EE的解决方法以及实际当中使用给出}了初步的描述。欢迎同行就本文提出的观点和看法进行讨}论,共同为水利专业数字图书馆建设中面临的问题的解决提供支持和给出建议。7结语(责任编辑韩继静)就水利数字图书馆的建设而言,内部众多系统的整合、#29#'