1广东省水利水电科学研究院；2 天津大学建筑工程学院
摘要：为快速构建HEC-RAS软件的河网模型，对模型构建的方法进行了总结。在介绍目前较为常见的csv文件及HEC-GEORAS软件建模原理的基础上，结合规划设计情况，分析了在实际运用中建模要点和存在的缺陷。为快速、精准将测量数据生成HEC-RAS河网模型，介绍了利用Civil3D软件构建HEC-RAS河网模型的基本原理。Civil3D构建河网模型是从曲面提取高程，实际往往遇到垂直“断崖式”断面及溪流、沟渠等小断面，曲面精度一般达不到要求。对此，提出要向曲面添加特征线，对曲面局部进行精确化处理，使采样线（横断面切线）上的高程数据与实测数据保持一致。最后引入ARDHEC-RAS介绍，该软件扩展了Civil3D创建HEC-RAS河网模型的功能，可一次生成整个河网模型，并可设置河道属性及死水区、阻水障碍物等要素，快速完成构建HEC-RAS河网模型的主要任务。
关键词：HEC-RAS；河网模型；GeoRAS；Civil3D；ARD
1 前言
HEC-RAS是美国陆军工程师兵团开发的河网分析系统软件，软件操作简单，所需输入参数较少，易学易用，初始计算即具有较高的精度和合理性。HEC-RAS即将发布5.0的最新版本，具有稳定流、非稳定流、泥沙淤积、水质分析和水利设计等5大河道模拟计算功能，能够考虑桥梁、涵洞、闸坝、泵站、闸门及蓄水区的影响[1]。软件具有的水利设计功能，可设置河道设计断面进行计算，在中小河道流域治理、渠道规划设计等方面应用前景广阔。跟其他数值模拟软件一样，HEC-RAS软件实际操作中，模型构建往往耗时较长，耗费工程技术人员在模型分析和项目设计中的精力，影响工作效率。有鉴于此，在使用HEC-RAS的过程中，快速构件HEC-RAS河网模型，就具有较高的应用价值。
2 河网模型构建分析
HEC-RAS模型具有统一的形式，即只要建立一个模型，就可进行稳定流、非稳定流、水质分析等任意模拟计算。模型以后缀名为.g01、.g02…的文本文件格式保存。模型文本文件中保存了河网模型的所有要素，包括中泓线、河滩线及横断面切线等在模型视图窗口中的显示位置等。手动构建河网模型，一般需要在模型视图窗口中导入河道底图（栅格图像、gis矢量文件、CAD文件等），在底图上先绘制出河网中泓线以及河段间连接点等，并对河段和对应河系命名，然后根据实际情况和模拟需要，绘制死水区、阻水障碍物、蓄水区等要素。手动构建河网往往存在大量的数据输入，特别是横断面数据的输入需要耗费大量时间。
一直以来，工程技术人员都希望有比较好的构建HEC-RAS河网模型的方法，而HEC-RAS软件也自带了比较多地导入模型文件格式，主要有CSV（逗号分隔符）格式、GIS格式（一般由HEC-GeoRAS生成）、USACE（美国陆军工程师兵团）勘察数据格式、HEC-2数据格式、UNET模型格式、MIKE11断面数据格式等。在实际项目中，河网主要由测量数据获得，如何将这些实测数据快速导入HEC-RAS模型就是本文探讨的重点。鉴于USACE、HEC-2、UNET、MIKE11等格式均是依赖于另一河网软件模型进行转化，在实际运用中使用并不多见，本文将对这些导入格式不做介绍。CSV及GIS格式则是以实测数据生成模型，目前使用则较为常见。
在实际操作中，CSV及GIS格式虽能够减少构建河网模型的时间，但均存在一定缺陷。鉴于实测河网数据一般均会以AutoCAD文件格式提供设计人员，因此在AutoCAD环境下构建HEC-RAS河网模型就具有无与比拟的优势。有鉴于此，Autodesk公司在其Civil3D软件中提供了一个输出HEC-RAS模型的接口程序，利用Civil3D特有的要素特性，实现了在AutoCAD平台下输出河网模型的功能。澳大利亚土木勘测咨询公司在Civil3D软件的基础上，又进一步拓展了构建河网模型的功能，功能强大，除可一次生成河网模型外，还能够生成河网中死水区，障碍物等，基本满足HEC-RAS的建模要求。
3.CSV格式
csv文件作为构建HEC-RAS模型的格式文件，主要集成横断面点数据，存在如下两种输入格式：
（1）河系名，河段名，断面编号，平距，高程（z）；
（2）河系名，河段名，断面编号，东距（x），北距（y），高程（z）。
第一种格式比较常用，一般河道横断面提供的测量文本数据格式为“桩号，平距，高程”，这类数据经过适当处理就可转换成第一种格式。
按照第一种格式生成河道断面，应先在模型视图窗口中绘制河网中泓线，然后导入断面数据，软件会通过对应的河段名将断面数据布置在中泓线上。断面间距离、河道糙率则需要在手动输入。由于该格式只是导入了横断面数据，断面间距离还没有确定，导致横断面位置无法确定，因此需要手动导入断面间距离后才能确定。
第二种格式由x、y、z可以确定河道断面测量点的位置，因此不需要利用底图事先绘制河网中泓线。该格式可确定断面位置在视图窗口中的位置，但考虑到河道的曲折性，软件未提供通过坐标自动计算相邻断面间距离的功能，因此断面间距离仍需通过手动输入。
csv文件主要导入横断面数据，对于断面间距离、河道属性、河段间汇水点等基本河网模型要素不具备导入功能。因此，利用csv文件导入测量数据时，后期河网模型的完整创建仍需要花费一定时间。
4.HEC-GeoRAS软件
为快速导入HEC-RAS模型，美国陆军工程师兵团专门开发了Arcgis下的GeoRAS软件。GeoRAS主要是在ArcGIS中对HEC-RAS进行前处理和后处理，即具有生成模型数据的功能，并可将模拟结果导入GIS中显示水面线、洪水漫滩等情况。
利用河道所在区域格式为TIN的数字地形模型（DTM），通过在ArcGIS中绘制河道中心线、流向中心线（可选）、主河槽线（可选）和断面切线等，GeoRAS软件可以生成后缀名为geo的gis文件，供导入hec-ras软件中得到数据模型。
由于河道断面需要从TIN中提取，因此断面数据是Arcgis软件插值得到的。要从TIN中获得准确的河网高程数据，一般要求TIN具有一定的精度，河道规模越小，要求的精度越高。实际河道测量中往往只有断面数据，一般不会获得河道所在区域的高分辨率TIN文件。对于已经通过测量获取了精准的河道断面数据，我们关注的是准确将这些测量河道数据导入模型中。
由于GeoRAS需要以TIN为基础提取高程，造成软件一般只适合于大江大河的模拟。对于一些溪流、沟渠等，由于难以获得河网模型所需精度的TIN，在小型项目中得到运用受到极大限制。
另外，GeoRAS操作比较复杂，生成的数据主要以表格形式进行组织，各对象之间的连接关系比较繁杂，要求使用者对GIS数据结构有一定了解，使用门槛较高。
5.Civil3D软件
Civil3D由Autodesk公司开发，是一款面向土木工程设计与文档编制的建筑信息模型（BIM）解决方案。Civil3D能够帮助从事交通运输、土地开发和水利项目的土木工程专业人员保持协调一致，更轻松、更高效地探索设计方案，分析项目性能，并提供相互一致、更高质量的文档——一切均在熟悉的AutoCAD环境中进行。
Civil3D提供了图1所示的转换为HEC-RAS河网模型的程序界面。
Civil3D转换HEC-RAS河网模型的具体操作流程是：1、对于“曲面”，选择要为河道横断面采样的曲面；2、对于“河道基准线”，选择代表河道中心线的路线；3、程序自动选择包含要导出的横断面“采样线编组”；4、输入“河流名称”，此名称将在HEC-RAS几何数据窗口中用作河段名；5、导出河岸信息时，勾选“使用河岸”单选框，单击“左”和/或“右”，然后在图形中选择代表河岸的多段线或路线。
Civil3D主要操作均依赖于曲面，建立HEC-RAS河网模型也不例外，各断面的高程均需要从曲面获取。为确保从曲面中提取到的是测量数据高程，要对曲面进行局部精确化处理，即需要将河道断面测量数据导入曲面中，并确保从作为河道横断面切线的采样线上提取到的高程与测量数据基本一致。
为创建精确曲面，Civil3D引入特征线，特征线分为标准、近似、墙、非破坏性等类别，能够根据需要在由高程插值形成的面中对单条线上的高程进行精确化处理。特征线可在曲面建立后进行添加，是构成曲面的一个基本要素。图2显示的是特征线对曲面精确化的基本原理图。
由于特征线会强制沿特征线进行曲面三角剖分，在导出HEC-RAS河网模型时，可将每个横断面测量数据生成三维多段线，并作为标准特征线导入曲面中。标准特征线会让曲面在横断面测量断面线上的三角网格被剖分，并且在每个测量数据处均有三角节点。最后让采样线与标准特征线重合，就可获得与测量数据基本一致的HEC-RAS河网模型。
由图1可知，由于Civil3D一次只能选择一条基准线及其采样线组创建一条河段（Reach），当河段数目较多时，程序运行次数较多，转换起来仍需好耗费较长时间。
6 ARDHEC-RAS软件
ARD（Advanced Road Design）软件是基于AutoCAD平台（包括AutoCAD，AutoCAD Map 3D和AutoCAD Civil3D）下的，由澳大利亚土木勘测咨询有限公司（Civil Survey Solutions Pty Ltd）开发。用于设计曲面、公路对象，排水管，下水道和管路系统等。ARD中的ARDHEC-RAS程序，以Civil3D为原理，扩展了河网建模功能，工作流程如图3所示。
ARDHEC-RAS程序操作与Civil3D基本相同，但添加了设置河道属性，死水区，阻水障碍物等功能。可一次定义输出整个河网模型，解决主要建模问题，而且生成的转换文件是HEC-RAS能够识别的.g01文本文件。
图4显示的是利用ARDHEC-RAS转化具有3条河流的河网实例图。由图3的实例成果可看到，ARDHEC-RAS软件在一次转换河网模型中，解决了建模的主要任务，可减少大量建模时间。因此，为了快速创建HEC-RAS河网模型，值得广泛采用ARD软件。
7 结论
本文对HEC-RAS软件快速建模方法进行了较为系统的介绍，通过对比分析，工程技术人员在今后工作中可明确建模特点。本文介绍的在AutoCAD平台下基本完成建模的方法及技巧，可供实际操作中参考。由于测量单位提供的河道测量成果文件形式千差万别，为能够获得精确化测量断面的曲面，具体操作方法还应结合特征线基本原理来灵活运用。
参考文献：
[1]蔡兴明，董志勇，张永华，HEC系列水利软件的应用[J].浙江水利科技，2005，142（6）：20-23.
[2]http：//www.civilsurveysolutions.com.au/home/news/312-hec-ras-new-version-0012.html
论文作者:彭海波1,王志超2
论文发表刊物:《基层建设》2015年17期供稿
论文发表时间:2015/12/1
标签：河网论文; 模型论文; 断面论文; 河道论文; 曲面论文; 数据论文; 横断面论文; 《基层建设》2015年17期供稿论文;