Civil 3D和HEC-RAS在河道模型建立与水面线计算中的应用

张荣上

（广东省水利水电科学研究院，广州 510610）

河道水面线计算是河道治理工程的重要内容，水面线计算成果是方案设计的前提，用以指导水工建筑物、河道堤防等的设计[1]。目前常用的水面线计算软件包括MIKE、HEC-RAS、FLUENT 等，在河渠水面线推求方面，HEC-RAS 河流分析系统以其通用性强、操作简便和应用范围广等的特点，已成为水力分析和水面线计算的一个标准模型[2]。

对于简单的河道或者长度较短的河道，HECRAS模型的建立比较简单，通过手动输入断面参数可以快速建模。然而，对于天然河道和复杂人工渠道，断面极不规则，选取断面数量较大，依靠手工读取各断面信息（断面位置、断面点坐标等）并输入程序中进行河道建模，效率很低且容易出错，同时，若需对渠道不同开挖和修改方案进行对比分析时，建模工作量更是巨大[3]。

本文以海丰县大湖水治理工程为例，介绍Civil 3D 和HEC-RAS 相结合的河道模型建立和水面线计算方法。

1 工程概况

海丰县位于广东省东南部，属汕尾市管辖。全县总面积1750 km2，境内西北群峰林立，中部平原连片，东南绵布台地、丘陵，从西北至东南呈马鞍地势，地形复杂。

大湖水发源于大湖镇城埔山，自西向东流经大德、埔羌箖、洪厝园3 个自然村，经港仔水闸流入东溪入海，根据地形图进行流域划分，总流域面积约11.10 km2，河长约6.00 km，平均坡降0.0 388%。河道治理河长3.54 km，清淤3.54 km，护岸2.80 km。测量河道长度4.30 km，测量断面间距20 m，测量断面个数215个，测量高程采用1985国家高程基准。

大湖干流段河道两岸多为天然岸坡，岸顶为农田、居民点较分散，果林、岸坡均无护岸，根据《广东省山区中小河流治理工程设计指南意见》设计理念和治理原则，本次设计综合考虑，大湖治理标准为2年一遇洪水。

2 Civil 3D三维模型的建立

2.1 测量数据前处理

根据本人的工作经验，从测量人员手中拿到的测量资料一般分两种情况，第一种情况是，测量数据为*.dat的原始文件和dwg测量图；第二种情况是测量数据仅有*.dwg 测量图形，而没有*.dat 文件。以下就两种文件的前处理做一个简单的介绍。

第一种情况。当我们获得的工程原始测量数据是以编号和断面编号为前缀的带坐标和高程的*.dat 格式文件时，需要对原始测量数据进行处理，把*.dat格式文件转换为Civil 3D软件识别的*.txt格式文件，并且需要把逗号替换为空格符号，处理成果见图1。

图1 测量点文件格式转换

第二种情况。当我们获得的测量数据为*.dwg文件时，有两种方法来转化*.dwg 文件。两种处理方法分别简述如下:

（1）借助第三方软件“ZDM CAD 辅助设计软件”的“输出高程数据”命令（见图2），把地形测量图输出为*.txt 文件，输出后的数据文件可以直接用于Civil 3D数据导入。

图2 ZDM转化测量图

（2）利用Civil 3D 软件中国本地化包（Civil 3D Country Kit –中国）自带的“转换文本”功能，直接把测量数据文件转换为Civil 3D 点对象，该对象具有编号、高程、坐标等信息，可用于三维地形曲面的创建。

2.2 生成地形曲面

转换后的数据文件仅保留了X，Y，Z坐标格式，是Civil 3D 所需要的数据文件格式，利用软件的数据导入功能，快速生成河道地形三维模型（见图3）。

2.3 河道中心线和采样线的创建

由于HEC-RAS 支持的中心线类型为多段折线，线路中不能出现弧线，因此在河道模型生成时，采用无圆弧段的河道中心线。点选Civil 3D“路线”→“从对象创建路线”工具，创建河道中心线，为了满足HEC-RAS的使用，路线起始点为河道下游，桩号递增方向为上游，终点为河道上游。使用采样线创建工具，点选河道中心线，创建采样线编组，此处的采样线即为水面线计算的剖切断面。

图3 河道地形三维模型

2.4 计算模型导入HEC-RAS

点击Civil 3D“导出到HEC-RAS”命令，将创建好的河道模型导出为“*.geo”文件格式。点击“导出到HEC RAS”命令，将河道中心线和河道断面线导出为HRC-RAS识别的gis数据格式。

由于HEC-RAS 的河道断面方向为从左到右，Civil 3D创建的河道断面方向为从右到左。两者的区别见图4和图5，可见Civil 3D导出的数据不能直接用于水面线计算。 下面用“ReverseCiv⁃il3DHECRASgeoFile_r2.xls”插件（见图6），将“*.geo”转换为“*_rv.geo”格式文件，调整水流方向和批量调整断面方向。

图4 HEC-RAS 河道模型

图5 Civil 3D河道模型

图6 模型转化插件

2.5 HEC-RAS河道模型的创建

以上文件转换完毕，便可利用“Geometric Date”导入数据文件直接创建河道模型。本工程建立的河道模型见图7。河道模型创建完毕，便可以输入沿程跨河、拦河建筑物，在HEC-RAS中进一步细化模型。

图7 HEC-RAS平面河道模型

2.6 边界条件的输入及水面线计算

2.6.1 跨河建筑物

根据测量资料和沿线调查，本工程治理段河道阻水建筑物主要包括水陂8座，跨河桥梁4座，水陂工程统计见表1，跨河桥梁统计见表2。

表1 大湖水沿线水陂统计表

表2 大湖水沿线桥梁统计表

2.6.2 河床糙率确定

糙率是河道阻力的综合反映，它直接影响水面线的计算结果。河道糙率参考《水力计算手册（第二版）》（中国水利水电出版社，2006 年），并结合现场调查确定糙率。

本工程为“小河”（汛期最大宽度30 m），地区为“山区河流”，河底“砾石、卵石”[4]。由于工程前天然河床多卵石，工程后河床护岸仍然采用生态护岸，河床材料仍然保持为砂卵石，但是工程后河道经过清淤、清障，河底平顺，糙率会有所降低。因此，河道整治前河床糙率取河道糙率取值0.04。

2.6.3 起推水位确定

起推水位是水面线计算的重要边界条件，本工程所在河流位于汕尾市，靠近海边，为感潮河流，国家海洋局南海分局在汕尾设立了汕尾海洋潮位站，有1970 年以来的历年潮位观测资料，资料可靠，可作为设计依据站。

根据《广东省海堤工程设计导则（试行）》，汕尾潮位站设计年最高潮（水）位成果见表3，汕尾潮位站多年平均高潮（水）位、多年平均低潮（水）位分别为0.934、0.014 m。该站历史最高潮水位2.554 m历史最低潮水位-0.816 m。大湖水2年一遇洪水遭遇2.554 m最高潮位的可能性不大，遭遇多年平均高潮位的可能性更大一些，因此，本次设计考虑大湖水2年一遇洪水遭遇多年平均高潮位0.934 m。

表3 汕尾潮位站设计年最高潮（水）位成果表

2.6.4 设计洪水

设计洪水采用水文章节计算成果，根据各个支流汇入节点，分别输入设计洪水作为洪水计算边界条件。洪水计算成果见表4，边界条件输入见图8。

表4 大湖水各节点设计洪水计算成果表

图8 大湖水水面线计算流量数据

2.6.5 水面线计算

根据HEC-RAS 使用手册可知，该软件对恒定流水面线推求基于一维能量方程，对非恒定流水面线推求基于一维连续性方程和动量方程[1]。模型和计算边界条件准备就绪以后，便可以进行稳定流计算水面线。大湖水面线纵剖面图见图9，水面线计算三维鸟瞰图见图10。

海丰县大湖治理工程共有测量断面215 个，采用Civil 3D与HEC-RAS相结合的水面线计算方法，快速准确的建立河道模型并推求水面线。水面线计算成果经过专家评审论证，达到《水利水电工程初步设计报告编制规程》（SL619-2013）要求的深度和精度。

图9 水面线纵剖面图

图10 水面线计算三维鸟瞰图

3 结语

本文以大湖水天然河道水面线计算为例，介绍了一种Civil 3D 和HEC-RAS 相结合的水面线计算方法，可以快速便捷地计算复杂河道、河网水面线，很大程度上提高了水面线计算的效率。相比于传统的水面线计算建模方法，本方法不仅建模速度快，而且模型更加直观，模型精度更高，便于检查模型中的错误。

结合本人的工作经验，Civil 3D 和HEC-RAS 进行模型计算的一些注意事项，总结如下:

（1）Civil 3D的河道模型与HEC-RAS的河道模型有一定的差异，特别是断面方向是相反的，因此在“*.geo”数据导入HEC-RAS 之前，一定要进行数据转换。

（2）Civil 3D 生成的“*.geo”数据文件中包涵有中文字符“米”，而HEC-RAS是不识别中文字符的，因此需要对“*.geo”文件中的中文字符进行英文替换，可以替换为“m”或“metre”。

（3）在有水文测站的河流，应尽对河床糙率进行率定，以提高水面线计算的精度。

（4）Civil3D 默认的左右岸距离都是等距的，对于转弯河道断面应在HEC-RAS中进一步细化。