MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS在明渠水面線計算中的應用對比研究

陳燕平，霍培書，湯丁丁，趙 皇，周 艷

(中建三局綠色產業投資有限公司，湖北 武漢 430100)

1 引言

當前，利用MIKE11、InfoWorks RS和HEC-RAS等軟件推求明渠水面線在洪水預報、水利設計、洪水風險分析等領域應用已十分普遍，如顧盼等[1]采用MIKE11一維水動力模型對鵝頭分叉型河道水面線及分流比進行了研究；魏凱等[2]采用InfoWorks RS軟件模擬分析淮河中游魯臺子-淮南區間河段主要防洪斷面水位變化；張沖[3]運用HEC-RAS軟件對蜂蜜河明巖水庫段天然條件下20年一遇水面線進行計算。

基于HEC-RAS和MIKE11軟件推求明渠水面線的對比分析較多，如孫魯志[4]闡述了HEC-RAS和MIKE11模型原理，并對兩者水面線計算結果進行了對比；高清震[5]利用MIKE11和HEC-RAS模型計算英那河水面線，綜合考慮河道糙率、初始水位等水文參數分析了模型的敏感性特性；譚玲[6]采用HEC-RAS和MIKE11軟件對國外某水電站尾水渠水面線進行數值模擬計算，并對結果進行對比分析。對于采用InfoWorks ICM與MIKE11、HEC-RAS軟件進行水面線推求的對比研究較少，因此本文以城市內河-黃孝河明渠為例，分別利用MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS軟件進行了明渠恒定流模擬計算，并深入分析了模型計算成果的差異以及河道糙率對模型計算成果的影響。

2 模型原理

2.1 MIKE11計算原理

MIKE是由丹麥水利研究院(DHI)開發的系列軟件，包括MIKE11、MIKE21、MIKE3、MIKE FLOOD、MIKEURBAN等。其中，MIKE11主要應用于河口、河道、河網的水流、水質、泥沙輸移等一維水動力水質模擬，在水利設計、洪水預報、水系規劃、防洪影響分析等領域得到推廣應用。MIKE11利用Abott-Ionescu六點隱式差分格式求解圣維南方程組，控制方程如下：

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

式(1)、(2)中：x為距離；t為時間；A為過水斷面面積；h為水位；Q為流量；q為旁側入流；g為重力加速度；C為謝才系數；R為水力半徑。

2.2 InfoWorks ICM計算原理

InfoWorks ICM是由華霖富水力研究有限公司(HR Wallingford Ltd)開發的綜合流域排水模型系統(綜合CS、RS為一體的模型系統)，包括水文產匯流模型、一維排水管網模型、一維河道模型、二維地面洪水演進模型、水質模型等。其中，一維河道模型利用Preissmann(普列斯曼)四點隱式差分格式求解圣維南方程組，控制方程如下：

連續性方程：

(3)

動量方程：

(4)

2.3 HEC-RAS計算原理

HEC-RAS是由美國工程兵團水文工程中心編制的河道分析系統軟件。本軟件支持一維恒定流、非恒定流計算，并可對橋、涵、堰、壩、堤等涉水建筑物進行模擬，在水利設計、涉水橋梁等領域得到廣泛應用。HEC-RAS適用于河道一維恒定流和非恒定流計算，功能強大，在國內外天然/人造河道水面線計算中應用廣泛[7]。

恒定流水面線計算基于一維能量方程，計算公式如下：

(5)

式(5)中：Z2、Z1為主河床高程；Y2、Y1為斷面水深；V2、V1為斷面平均流速；α2、α1為流速分布不均勻系數；he為水頭損失；g為重力加速度。

3 案例應用

3.1 工程概況

黃孝河位于武漢市江岸區，起于江漢區青年路，止于末端張公堤南側后湖泵站攔污柵前，全長10.4 km。其中箱涵段起于江漢區青年路，止于京廣鐵路橋以北100 m處，長5.0 km，坡度范圍為2‰～5；明渠段起于京廣鐵路以北100 m處，止于末端張公堤南側后湖泵站攔污柵前，長5.4 km，坡度2。

黃孝河明渠部分箱涵橋過水能力有限，防洪能力不足。在50年一遇24 h設計降雨條件下，后湖大道、建設大道延長線、井南路段處等存在河道漫堤風險。為有效解決黃孝河流域內澇問題，將黃孝河明渠斷面由30 m拓寬至60～80 m。本次研究對象為黃孝河明渠拓寬后樁號為K0+000～K4+600的明渠段。

3.2 參數設置

邊界條件：黃孝河明渠入口給定恒定流量分別為20 m3/s和50 m3/s。下游邊界給定實測水面坡降，軟件會自動計算該斷面處水位流量關系曲線作為下邊界條件。

糙率n：根據水力學手冊及實地考察調研，確定黃孝河明渠糙率取值范圍為0.025～0.035。

4 計算成果及對比分析

4.1 水面線計算成果對比分析

采用MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS軟件計算黃孝河明渠在恒定流(Q=20 m3/s和Q=50 m3/s)工況下的水面線，以糙率取值0.030為例，水面線計算成果如表1和圖1。

由表1和圖1可知，HEC-RAS計算水面線成果最大，InInfoWorks ICM次之，MIKE11最小，且HEC-RAS和InInfoWorks ICM計算成果較為接近。與Q=50 m3/s工況計算成果相比，Q=20 m3/s工況條件下，MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS計算的水面線成果差距較小。

表1 恒定流工況水面線計算成果

圖1 MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS水面線計算成果對比

在Q=50 m3/s工況條件下，HEC-RAS與MIKE11水面線計算差值范圍為0～0.1，與InfoWorks ICM水面線計算差值范圍為0～0.02，InfoWorks ICM與MIKE11水面線計算差值范圍為0～0.08。

在Q=20 m3/s工況條件下，HEC-RAS與MIKE11水面線計算差值范圍為0～0.07，與InfoWorks ICM水面線計算差值范圍為0～0.02，InfoWorks ICM與MIKE11水面線計算差值范圍為0～0.05。

4.2 模型參數敏感性分析

影響模型水面線計算成果因素較多，其中河道糙率是較為重要的影響參數。模型參數敏感性分析方法為固定所有非分析參數值，分析水面線計算成果隨河道糙率值變幅的規律。以Q=50 m3/s計算工況為例，糙率值變幅依次為0、20%和40%，如表2所示。

表2 模型參數

采用MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS軟件計算糙率取值分別為0.025、0.030和0.035時的明渠水面線，其他參數條件保持不變，分析各斷面水位變幅，具體結果見表3。

表3 Q=50 m3/s工況條件下，水位對糙率的敏感性分析

由表3可知，在糙率變幅相同時，HEC-RAS模型水位變幅與InfoWorks ICM模型幾乎相同，且較MIKE11模型水位變幅略大。因此，HEC-RAS和InfoWorks ICM模型水位對糙率的敏感性較MIKE11更強。

5 結論

(1)相同計算工況條件下，HEC-RAS計算水面線成果最大，InfoWorks ICM次之，MIKE11最小，且HEC-RAS和InInfoWorks ICM計算成果較為接近。

(2)恒定流工況條件下，來流量越小，MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS計算水面線成果差距也越小。

(3)MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS三者相比，HEC-RAS和InfoWorks ICM模型水位對糙率的敏感性更強。

MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS水動力學模型在國內水利規劃設計領域應用已較為成熟，但在具體工程項目中，應結合河道的實際情況，合理選擇適用的模型進行水面線計算，以工程偏安全角度對模型計算結果進行評估。