HEC-RAS软件简介及其在水文建模中的应用

HEC-RAS（Hydrologic Engineering Center’s River Analysis System）是由美国陆军工程师兵团水文工程中心开发的一款免费、开源的水力分析软件。自20世纪90年代发布以来，HEC-RAS已从最初的一维恒定流水面线计算工具，逐步发展成为支持一维/二维耦合模拟、非恒定流计算、泥沙输移和水质分析的综合平台。该软件凭借其稳定的计算性能、良好的GIS集成能力以及广泛的用户社区，已成为国内外水利部门、科研机构及工程咨询公司进行洪水模拟的主流工具之一。在洪水淹没分析中，HEC-RAS能够利用高精度地形数据和流量边界条件，模拟洪水在河道及滩区中的演进过程，并输出淹没范围、水深分布及流速场等关键结果。

地形数据处理与网格划分方法

HEC-RAS接受DEM（数字高程模型）、TIN（不规则三角网）或LAS点云数据作为地形输入。地形预处理通常在ArcGIS、QGIS或HEC-RAS内置的RAS Mapper中进行，包括：合并大范围DEM、裁剪至研究区域、去除异常高程（如建筑物、植被引起的噪点）、修补河道缺失断面等。对于二维网格划分，推荐采用非结构化三角网格或结构化矩形网格。

目录

一、数据准备：

1.DEM：

2.曼宁糙率shp：

二、HEC-RAS 2D建模

1.新建工程

2.打开RAS Mapper初始化

3.在Terrains中创建地形：

4.绘制BC线

5.糙率设置

6.开始计算

7.计算结果

参考

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一、数据准备：

1.DEM：

加载防洪堤，铁路，道路等矢量数据，修正dem

首先收集导入分析区域内的道路、轨道、防洪堤这类会影响行洪水的建筑物，另外要统计其高于地面多少米以及宽度；由于轨道，高速，防洪堤的宽度和高度都大不相同，所以分开依次对dem数据进行修改。

使用缓冲区工具定义宽度[分析工具-邻域分析-缓冲区]，随后将其转为栅格，最后使用栅格计算器抬升高度。

这里末端类型选择了FLAT，可以根据实际情况进行调整选择是圆形末端还是平整末端。

定义宽度后如下所示，注意重叠的部分要使用编辑工具将其分开，否则在定义高度是会出现部分区域高程高于实际值的结果。

使用转换工具将面转为栅格。

转为栅格后使用栅格计算器抬高dem数据

设置环境将处理范围设置为研究区域全范围，否则将只处理上一步所做出的栅格所在最小范围，并将像元大小设置一致。

栅格计算器公式如下：

Con(IsNull("国道.tif"), "原始DEM.tif", "原始DEM.tif" + 国道高出地面的高度)

修正后的dem数据如下所示，在符号系统中选择使用山体阴影效果，可以很明显的观察到处理结果。

2.曼宁糙率shp：

根据土地利用数据，赋值糙率

这里根据不同的土地利用类型，赋值糙率：

ID	Class	Color	NAME	n
1	Cropland	250,227,156	农田	0.06
2	Forest	68,111,51	森林	0.1
3	Shrub	51,160,44	灌木	0.08
4	Grassland	171,211,123	草原	0.05
5	Water	30,105,180	水域	0.035
6	Sonw/Ice	166,206,227	冰雪	0.025
7	Barren	207,189,163	裸地	0.025
8	Impervious	226,66,144	不透水面	0.015
9	Wetland	40,155,232	湿地	0.07

将土地利用数据栅格图层转为栅格后便于赋值。

可以看到，转换后内容较多，工作量较大，这里用字段计算器进行赋值

添加字段ManningN，选择双精度，右键使用字段计算器，勾选显示代码块，输入代码进行赋值。

由于这里分类字段是数字，使用python更加便捷，代码如下：

def get_n(code):
    if code is None:
        return 0.060
    n_dict = {1: 0.060, 2: 0.100, 3: 0.080, 4: 0.050, 5: 0.035, 6: 0.025, 7: 0.025, 8: 0.015, 9: 0.070}
    return n_dict.get(code, 0.060)

get_n( !gridcode! )

这里gridcode是分类字段名称，使用时要根据自己的属性表中内容进行调整。

二、HEC-RAS 2D建模

1.新建工程

注意路径及名称要全英文

修改单位系统为公制：

2.打开RAS Mapper初始化

这里简单说一下界面功能。

Features	查看导入的SHP/栅格图层
Geometries	编辑几何数据（画2D流场、边界线、堤线）
Event Conditions	设定边界条件流量/水位
Results	查看计算结果（水深/流速/淹没范围）
Map Layers	管理地图图层显示
Terrains	创建/管理地形数据

设置工程投影：

这里我用的是2000高斯坐标，直接使用从国家2000投影的官方定义抄下来的WKT定义，然后导入：

3.在Terrains中创建地形：

右键Terrains，选择Create a New RAS Terrain。

然后导入我们之前做好的dem数据

完成后得到带有色带的dem渲染图：

右键Geometries创建

展开Domain，左键单击选中 2D Flow Areas,上方工具栏点击画笔图标，单击选中Perimeters

在地图上沿最大可能淹没范围画多边形：包住三条沟口、沟口以下整片平地、防洪堤及其背后

双击闭合多边形，弹出设置窗口：point spacing：填 15（设置网格间距）

等待计算完成后点击close，完成后关闭编辑并保存，选择是。

看到Geometry这一栏是空的，需要手动关联，点击Edit—Geometric Data

点击File—Open Geometry Data

选择我们刚刚做好的Domain

完成后关闭Geometric Data，可以看到已经关联

4.绘制BC线

接下来回到Ras Mapper中绘制BC线，找到Boundary Condition Lines，开始绘制

这里由于研究区域共有四个山洪沟，所以要画四条上游的出水口，和一条下游的，注意下游边界要画在外侧。

在主界面点击Edit—Unsteady Flow Data

选中一个出水口，点击Flow hydrolograph

根据历时设定填入设计频率的洪量，点击ok即可，注意仅几个出水口需要设置洪量，需要注意的是，这里要根据研究区域的洪水过程来填对应的流量

在设置完上游的四条BC线后，设置下游的BC线，选择BC out，点击Normal Depth

在 Friction Slope: 后面的输入框里，填 0.001。（山丘区平坦下游河段的典型摩擦坡度）

5.糙率设置

保存后回到主界面，由于一开始设置糙率都是默认的0.06，现在进行糙率的精细化设置。打开RAS mapper，左侧 Map Layers  → Create a New RAS Layer → Land Cover Layer

导入之前制备好的shp文件，将Import Extents修改为Geometries，name field修改为gridcode，修改像元值Cell Size为15，如下：

查看绑定糙率是否生效：

可以看到已经绑定了。

6.开始计算

回到主界面启动计算，点击Run—Unsteady Flow Analysis（确认Plan中Geometry file是Domain，Unsteady flow file是设好的流量），Simulation Time Window保持和流量过程性一致，Computation Interval填30秒，其余勾选如下所示

另外还要勾选Flooplain Mapping 不然不会出图

点击compute开始计算

7.计算结果

计算完成后打开RAS mapper，点击Results勾选之前创建的项目目录下Depth就能看到淹没结果了

参考

HEC-RAS 2D User's Manual