HEC-RAS和MIKE11模型的英那河水面線計算對比分析

高清震

(莊河市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 莊河 116400)

0 引 言

當前，在洪水預(yù)報和河道水文方面關(guān)于水面線的推求已十分普遍，其中河道實際情況與天然山區(qū)河流水文面推算往往存在較大的偏差，且對于水位變化的人工實時監(jiān)測費時費力。近年來，計算機技術(shù)和水文數(shù)值模型的快速發(fā)展在很大程度上推動了水文學的研究，并取得了許多理想的成效[1]。例如，天然河道的水面線的準確推求能夠依據(jù)HEC-RAS、MIKE11模型實現(xiàn)，且實際應(yīng)用效果較為顯著。水面線推求過程中影響以上2個模型的因素較多，戴文鴻等[2]對水面線與糙率之間的變化關(guān)系運用糙率公式分析，仍需要深入研究邊界條件設(shè)置和模型的節(jié)點概化等方面內(nèi)容；孔魯志等[3]對比分析了HEC-RAS、MIKE11模型的水面線計算結(jié)果及其原理，但未深入研究引起結(jié)果差異的因素；武永新等通過驗證和率定模型參數(shù)，提出對于水面線的計算以上兩個模型均存在可靠性；范威等[4]以鐵長河為例，對河段水面線利用HEC-RAS模型模擬，并提出對于中小河流水面線的推求該模型具有較好的適用性與準確性；陳建峰等[5]從運算流程和模型結(jié)構(gòu)兩個方面分析了HEC-RAS模型原理，對渭河口值黑河金盆水庫壩址之間的洪水水文面進行了推求，可為洪泛區(qū)管理和防洪安全評價提供科學的依據(jù)；張濤等[6]對平原河道東魚河水面線利用一維水動力模型進行了推算，從而揭示了過水面積-河道水位之間的作用關(guān)系，為合理選取洪水調(diào)度方式奠定了基礎(chǔ)，而對于參數(shù)的敏感性分析仍需要進一步研究。

根據(jù)現(xiàn)有研究成果和相關(guān)資料，文章對河道水面線過程考慮運用MIKE11和HEC-RAS模型推求，結(jié)合遼寧省莊河市英那河段實測水位數(shù)據(jù)、模型水文參數(shù)和不同設(shè)計標準的流量系列驗證分析計算結(jié)果，在此基礎(chǔ)上進一步分析了兩個模型的結(jié)果差異和模擬效果。綜合考慮河道初始水位、水文參數(shù)糙率和模型原理，通過分析各要素敏感性特征選取適用于英那河水面線推求的模型，并將其應(yīng)用于實際工程。

1 研究方法

1.1 MIKE11模型原理

MIKE模型系列是由丹麥水資源研究所提出的一種用于模擬河網(wǎng)、河流等水質(zhì)水量的水動力學模型，其中MIKE21、MIKE11為推求水面線較為常用的方法。在水文計算方面MIKE11模型存在多種模塊，對于模擬不同類型的河道水面線具有較強的適用性，目前已廣泛應(yīng)用于一維河道的泥沙運輸、洪水風險分析、水質(zhì)評價及水動力模擬等項目。一維非恒定流計算中水動力模型屬于最關(guān)鍵的模塊，六點隱式差分格式為求解非恒定流一維河道方程的方法，并在潰壩分析、水質(zhì)水量評價、灌溉和防洪安全等工程中得到廣泛應(yīng)用。運用MIKE11模型的基本前提是河道水流不可壓縮且流態(tài)均值，通過假設(shè)河道斷面、坡降不發(fā)生大的改變滿足靜水壓要求，當前普遍采用圣維南方程組構(gòu)建一維河網(wǎng)匯流模型，其連續(xù)和棟梁方程如下：

?A/?t+?Q/?x=q

(1)

(2)

式中：Q、A為流量和河道斷面面積，m3/s；q、x、t為河道側(cè)向來水流量、沿水流方向的橫坐標和時間，m2/s,m、s；g、h為重力加速度和水位；R、C為水力半徑和謝才系數(shù)，m、s/m1/3。

1.2 HEC-RAS模型原理

河道水面線推時中HEC-RAS模型的應(yīng)用也較為普遍，對于一維河道變流量和定流量的水動力計算具有良好的科學合理性。目前，該模型已廣泛應(yīng)用于河床沖淤、河道行洪能力和洪水水面線計算等領(lǐng)域，河道水面線的推算依據(jù)不同的控制方程和河流的實際流態(tài)實現(xiàn)，運行模型能夠生成不同洪水設(shè)計標準的水位流量成果、各個過水斷面的形態(tài)圖以及過河道的水面線動態(tài)變化圖。

選取河道洪水過程作為模型模擬對象，所以水面線的計算可選取非恒定流迭代計算的方法。動量和聯(lián)系性方程為控制非恒定流的計算基礎(chǔ)，計算公式為：

(3)

(4)

式中：f、u、P為質(zhì)量力、流速和壓力；υ、ρ為動力黏滯系數(shù)和水土密度；

2 研究區(qū)概況

遼寧省莊河市位于遼東半島東側(cè)南部，全境總面積6968km2，自然海岸線長285km。莊河地區(qū)為大陸性季風氣候，氣候溫和，四季分明，夏秋季降雨集中，冬春季多風少雨，平均氣溫9.1℃/a，平均降水量757.4mm/a。受季風氣候和地形地貌影響，在空間和時間分布上降水量極不均衡，年降水的56%集中于每年的7、8月，自東北向西南降水量呈遞減趨勢。地勢自北向南呈逐級降低的趨勢，屬于典型的低山丘陵區(qū)，全市地貌特征具有“五山一水四分平地”之稱。莊河境內(nèi)主要有小沙河、小寺河、莊河、寡婦河、英那河等，其中100km2以上的河流13條，河流總長度882km。北部山區(qū)為境內(nèi)所有河流的發(fā)源地，河流整體上自北向南徑流，徑南部沿海平原區(qū)及中部丘陵區(qū)最終匯入黃海。

2.1 水文資料

英那河為大連市和莊河市重要的水源地，發(fā)源于岫巖縣龍?zhí)多l(xiāng)老北溝，河流全長94.9km，徑流沙嶺農(nóng)場、莊河市仙人洞、河島、大營子、塔嶺等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。流域面積1004kmm2，河道比降2.41%，平均徑流深439.2mm，莊河境內(nèi)徑流量3.5億m3，有1條二級支流和5條一級支流。英那河流域的雨季為3-9月，其中3-6月多出現(xiàn)鋒面雨，此時期西南暖濕氣流與西北南下的冷空氣交匯，強烈輻合在冷暖空氣不斷作用下上升，形成大范圍暴雨區(qū)；該區(qū)域7-9月受臺風影響顯著，存在臺風雨和鋒面雨，其中1-3d，2d為暴雨歷時主要時段，鋒面雨歷時長而臺風與歷時短，每年的6月份為暴雨頻發(fā)期，其次為5、7月。文章以莊河市英那河城區(qū)段樁號N0+025—N3+854為研究對象，長約15km，河床低高程18.5-23.2m，河道寬度約120-270m，縱坡為0.8-2.5/10000。英那河水文站實測斷面穩(wěn)定，控制集雨面積581km2，河段順直且實測資料詳實，選取該水文站相關(guān)資料作為數(shù)據(jù)主要來源。

2.2 參數(shù)的確定

英那河水文站有1961-1965年、1995-2018年實測流量資料，水文站1955-2018年的長時間系列流量資料利用鄰近水文站的實測資料插補延展獲取。通過特大值處理英那河水文站1915年最大調(diào)查流量，對20a、50a、100a一遇的洪峰流量利用皮爾遜-Ⅲ曲線適線求解，分別為4200、4985、5210m3/s，各個設(shè)計標準所對應(yīng)的水位按照英那河水文站水位流量關(guān)系曲線確定。典型洪水選取為英那河站2012年7月12日至7月15日場洪水，典型洪水過程采用同倍比放大洪峰流量法放大，從而確定20、50、100a一遇英那河上游入口的流量過程線。下游控制斷面為工程提供的朱隈水庫下游1860m處，斷面處各個水位對應(yīng)的流量采用曼寧公式計算確定，從而繪制下游流量水位關(guān)系曲線。

河道糙率取值區(qū)間依據(jù)莊河市防洪工程科研報告確定為0.025-0.036，各河段糙率參數(shù)依據(jù)工程經(jīng)驗和歷史相關(guān)資料選取0.032；初始水位依據(jù)斷面迭代的英那河常水位，設(shè)定為1.85m，經(jīng)過多次反復調(diào)試確定模型穩(wěn)定時的計算時間步長為0.15h。

根據(jù)英那河水文站的序列流量資料和繪制的流量模比系數(shù)差積曲線，1955-2018年水文站流量資料代表性較好的判別依據(jù)為首尾累積值趨于1。

1) MIKE模型。設(shè)定0.15h作為計算時間步長，下游河口位置的水位流量關(guān)系曲線和給定上游入口20a、50a、100a一遇流量時間序列文件為邊界條件；迭代計算的初始斷面水深為1.85m，綜合河道糙率0.0032。

2) HEC-RAS模型。設(shè)定0.15h、1h為模型運算和輸出時間步長，各個設(shè)計標準的初始水位和給定上游入口20a、50a、100a一遇洪水流量過程作為邊界條件，所對應(yīng)的初始水位依次為32.65、33.42、33.80m；考慮河道實際情況設(shè)定綜合糙率為0.032。

3 計算成果

3.1 水位計算成果

通過對河道的概化處理推求莊河市城區(qū)段英那河水面線，對英那河各個設(shè)計標準的洪水情況采用HEC-RAS和MIKE11模型模擬，從而給出相應(yīng)的水面線，英那河洪水過程線，見表1；采用以上兩模型輸出的水面線，莊河市城區(qū)段河道剖面圖，見圖1。樁號為K0+025—K3+854。

表1 英那河洪水過程線m

續(xù)表1 英那河洪水過程線m

圖1莊河市城區(qū)段河道剖面圖

3.2 流速計算成果

通過構(gòu)建MIKE11模型獲取用于對比分析河道流速的相關(guān)數(shù)據(jù)，模擬結(jié)束后提取各斷面流速數(shù)據(jù)，在流速列表中直接讀取HEC-RAS模型輸出結(jié)果。不同里程的流速數(shù)據(jù)從流速成果列表中獲取，受文章篇幅限制僅讀取了3個樁號的流速數(shù)據(jù)。部分斷面的流速數(shù)據(jù)，見表2。從表2可以看出，MIKE11模型的流速輸出結(jié)果較HEC-RAS整體偏高。

表2 部分斷面的流速數(shù)據(jù) m

4 成果對比分析

將防洪規(guī)劃中英那河水文站實測水位與2個模型的計算輸出水位對比，莊河市城區(qū)段10個代表性樁號的實測水位來源于防洪規(guī)劃報告。通過計算獲取20a、50a一遇水位的平均絕對誤差e和納什效率系數(shù)NSE，水位模擬精度分析，見表3。

表3 水位模擬精度分析

根據(jù)表3可知，相對于HEC-RAS模型MIKE11的水位納什效率系數(shù)計算值較高，可見對于水面線的推求MIKE11模型具有更高的精度，其誤差相對較小。在設(shè)計標準洪水位不同的情況下，MIKE11和HEC-RAS模型的計算結(jié)果整體保持一直，單后者的洪水位計算整體要低于前者。20a、50a一遇設(shè)計標準時英那河的河道水文面，見圖2。

圖2 MIKE11和HEC-RAS模型的計算水位圖

從英那河整個流域的角度分析，兩個模型輸出的流速和水位結(jié)果基本保持一直，較HEC-RAS模型MIKE11的流速計算結(jié)果和水位模擬精度更高。考慮到模型擬合過程中參數(shù)設(shè)置、方程建立和模型原理的不同，從如下3個方面分析產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因。

4.1 水力半徑

根據(jù)河道斷面形態(tài)、水體流態(tài)和河道類型的實際情況，在2種水面線計算過程中采用不同的水力半徑。通常情況下，水力半徑類型的選取按照水力學特性和實踐經(jīng)驗確定。其中，采用阻力半徑獲取的深窄型河道的流量特性通常較大，對此一般選取水力半徑計算；針對灘地面積較大的河流，通常選用阻力半徑參與運算。水力和阻力半徑的計算公式分別為：

(5)

(6)

其中，A為河道過水斷面；針對英那河流域，HEC-RAS和MIKE11模型分別選用水力半徑、阻力半徑計算。在水面線推求過程中因水力半徑獲取方式存在差異，從而導致最終的模型輸出不同。

4.2 控制方程

兩個模型的控制方程和計算原理存在差異，因此模型的求解方法和收斂條件不同，HEC-RAS、MIKE11模型的水面線推求方法分別為Newton-Raphson迭代法和六點Abbott-Ionescu隱式差格式法。

4.3 參數(shù)敏感性

英那河河道水面線利用HEC-RAS和MIKE模型推求過程中涉及到的因素較多，其中初始水深和河道糙率為影響運算結(jié)果的重要參數(shù)。參數(shù)敏感性分析是指在參數(shù)變化幅度相同的情況下，各參數(shù)變化對河道水位的影響程度，對河道水位影響越大則參數(shù)的敏感性越高；反之，則參數(shù)的敏感性越低。以設(shè)計洪水為100a一遇為例，對以上2個模型關(guān)于初始水位和河道糙率的敏感性進行探討，設(shè)定+50%、-50%、+20%、-20%、0為參數(shù)變化幅度，敏感性分析。模型參數(shù)的設(shè)定，見表4。

表4 模型參數(shù)的設(shè)定

對英那河水面下利用改變參數(shù)后的HEC-RAS和MIK模型進行計算，保持其它參數(shù)不變按照設(shè)定的幅度改變其中1個參數(shù)值。根據(jù)該方法依次確定所有樁號在不同變幅下的水位，取平均值作為這2個參數(shù)的水位計算結(jié)果，糙率、初始水深對水位的敏感性分析，見表5。

表5 糙率、初始水深對水位的敏感性分析

根據(jù)表5可知，保持糙率變幅相同的情況下，HEC-RAS的水位變化要低于MIKE。所以，對于糙率參數(shù)，HEC-RAS模型的敏感性要顯著低于MIKE。對于初始水深參數(shù)，在水面線推求過程中這兩個模型均呈現(xiàn)出不敏感性，最后水位的變化受初始水位的影響較低，整體未發(fā)生顯著改變。經(jīng)多次試驗確定，水面線推求結(jié)果在水深變幅足夠大時仍未發(fā)生顯著的改變。

5 結(jié) 論

1) 保持水文條件相同的情況下，較HEC-RAS模型MIKE11的水位模擬結(jié)果和水面線推求精度均較高，在流速計算過程中MIKE11的最終輸出結(jié)果偏大。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，對于糙率參數(shù)MIKE模型具有更強的敏感性，初始水深對于初始水深參數(shù)，在水面線推求過程中這兩個模型均呈現(xiàn)出不敏感性，最后水位的變化受初始水位的影響較低，整體未發(fā)生顯著改變。

2) 為保證河道水面線推求結(jié)果的準確合理性應(yīng)選擇合適的模型，從以下2個方面考慮：①MIKE模型比較適用于河床存在較大變化的河段；②HEC-RAS模型一般適用于水利樞紐建設(shè)受河床沖刷速度較大的河道。根據(jù)河道流態(tài)具體情況選取重點規(guī)劃河段，水面線的推求可分別選用MIKE和HEC-RAS模型，模型按照工程偏安全的原則選取。

3) HEC-RAS和MIKE均屬于水動力過程求解的方法，其理論體系和研究方法已比較系統(tǒng)、完善，而對于耦合了水動力和水文兩方面內(nèi)容的研究較少。對此，2個模型在實時決策問題時還存在著適用性較低的情況。