HEC-RAS在水力学课程教学中的应用探讨

韩淑新 冯松宝

（宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州234000）

0 引言

水力学是研究液体平衡状态和机械运动规律及其在工程中应用的一门课程[1]，其繁杂的公式推导及严密的理论性，使学生在初学该课程时感到难入门、课程中难学习、知识点难掌握，使水力学变成了一门“难教又难学”的课程。宿州学院作为地方性应用型本科高校，办学旨在培养高层次应用型人才，服务于区域经济社会发展[2]。结合学生基础及培养目标，应用型本科高校“水力学”的教学应着重培养学生解决实际工程问题的能力。

1 水力学教学存在的问题

1.1 教学内容“过多”，应“避难就用”

水力学公式繁多，理论推导复杂，在授课过程中既要注重基本原理、基本概念的阐述，又要强调在水利工程中的实际应用，在有限的课时内很难做到面面俱到。因此，在新工科背景下，地方应用型本科课程应结合地方特色，有针对性的整合教学内容[3]，强调实际应用。

1.2 教学方法“死板”，应引入工程案例

由于水力学属于“困难”科目，仍以教师讲，学生听的教学模式为主，缺少互动，实验教学缺乏创新性的设计类[4]，难以吸引学生。因此，引入“以工程案例为导向”的教学模式，围绕案例，建立分工协作的合作小组，建立学生为主的课堂模式。

1.3 教学效果“不理想”，应引入趣味性内容

由于学生数学及力学基础参差不齐，导致一些学生在学习之初便缺乏信心和目的性[5]，随着课时的推进，公式越来越多，理论越来越紧密，课堂上“厌学”的学生会越来越多，普遍反映“听不懂、不会算”，致使教学效果“不理想”。此时将学生比较感兴趣的与专业相关的实际案例引入课堂中，重拾部分同学的学习兴趣。

2 HEC-RAS概述

2.1 在水力学课程中引入HEC-RAS的必要性

明渠水面线的分析计算因涉及微积分求解，在教学过程中只能定性的分析水面线的曲线形式，或引入能量方程逐段试算法推求水面线。逐段试算法是一种一维计算方法，且计算精度与分段相关[6]，计算工作量较大，容易引起学生“厌学”情绪。考虑到河道水面线的推求在实际工作中应用广泛，本科阶段应要求学生掌握水面线的推求方法。

HEC-RAS是由美国陆军兵团水文工程中心开发的水面线计算软件包，RAS模型可对一维恒定和非恒定河道进行水面线计算，同时可生成河道横断面形态图、流量及水位过程线、复式河道三维断面图等图表，学生通过软件输出的图表可以更直观地理解明渠的水力要素。

2.2 HEC-RAS计算原理

利用HEC-RAS计算恒定流水面线的原理是基于一维能量方程（伯努利方程），逐断面采用标准步推法，计算公式如式（1）所示。

式中：Q为断面过流量；A1、A2为上下断面的过水断面面积；z1、z2为控制断面水位；ξ为局部损失系数；

Δs为两断面之间的距离；K为流量模数；R为水力半径；n为河道糙率；α1、α2为动能修正系数。

3 引入计算案例

3.1 案例背景

皖南山区某中小河流名为羊栈河，属新安江水系，发源于黟县东北部山区，在宏村汇入虞山溪。河道全长5.39 km，总流域面积20.7 km2，河道平均坡降11.90‰，河床多块石和砂砾堆积，水流湍急。

3.2 建立模型

3.2.1 新建项目

课前指导学生完成HEC-RAS软件安装，课上新建一个项目，绘制河道走向示意图，方向为自上游至下游，并将新建的项目分别用英文字母和数字进行命名。

3.2.2 输入实测断面数据

数据包括断面桩号、断面间距、断面各测点坐标及高程，并对资料的可靠性进行校验，共输入10个断面。

3.2.3 输入粗糙系数n值

粗糙系数对明渠水流的影响较大，HEC-RAS恰好可以根据不同断面所处的明槽类型设置不同的粗糙系数。将学生分为两组，其中一组采用统一的n值（0.04），另外一组根据不同断面所处的河道具体情况取用n值，其中无植被覆盖段主河槽取0.03，滩地取0.035，有深潭或植被阻碍洪水流路的取0.075。

3.2.4 输入边界条件

需要输入的边界条件包括起推水位、设计洪水及河道比降，起推水位根据下游虞山溪水位确定，10年一遇起推水位为297.55 m；河道流量无实测资料，需要根据流域参数对10年一遇设计洪水进行分析计算。

羊栈河属于皖南丘陵，根据安徽省“84办法”推算羊栈河10年一遇设计洪峰流量为163 m3/s。根据《黄山水文手册》计算羊栈河10年一遇设计洪峰流量为145 m3/s。从工程角度，一般考虑偏安全性，10年一遇设计洪水流量选择为163 m3/s。

3.2.5 运行计算

选择水面线计算程序进行恒定流分析，由于羊栈河河道平均坡降较陡，计算应选择急流模式进行计算。

3.3 水面线计算结果分析

利用软件Profile Output Table可直接输出水面线计算结果，见表1。两种水面线总体一致，但局部断面由于n值不同，计算结果差别较大，由于羊栈河河流走势弯曲、河道内树木杂草丛生将阻碍洪水通行，回水高度随n值变大而变高，因此合理取用河道粗糙系数将直接影响水面线推求结果。

表1 设计洪水位推求成果表

4 结语

应用型本科院校在课程设置及教学内容中应更多地体现“应用”二字，在课程教学中引入HEC-RAS软件可有效缓解水力学课堂教学中存在的问题，增加课程趣味性，引导更多的学生参与其中。在学生掌握软件后，可以引导学生以此为契机，申报创新创业项目。促进学生提高实践能力，以适应社会和行业发展的需要。