HEC-RAS和MIKE11在渠道水面線計(jì)算中的應(yīng)用

譚 玲

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引言

由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)(The U.S. Army Corps of Engineers)水文工程中心開(kāi)發(fā)的河道水面線計(jì)算軟件HEC-RAS，以及由丹麥水資源及水環(huán)境研究所(Danish Hydraulic Institute,DHI)開(kāi)發(fā)的MIKE11被廣泛用于模擬河流、渠道以及其他水體的一維水面線推算，均能獲得較好的計(jì)算成果，達(dá)到工程項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)的預(yù)期效果[2-4]。

尾水河段在水電站建設(shè)過(guò)程中易因情勢(shì)變化對(duì)尾水位產(chǎn)生影響，從而引起不良后果[5]。對(duì)于實(shí)際工程中長(zhǎng)渠道推求最好的解決方法是通過(guò)水工模型試驗(yàn)來(lái)論證渠道的水力特性，但由于時(shí)間、資金、設(shè)備等限制條件，難以對(duì)所有工程進(jìn)行水工試驗(yàn)?zāi)M，可以通過(guò)采用一維水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行快速有效的仿真模擬獲得渠道內(nèi)沿程水面線變化趨勢(shì)和特征斷面水位。本文以國(guó)外某水電站尾水渠計(jì)算為例，分別利用HEC-RAS及MIKE11建立一維水流模型對(duì)尾水河段進(jìn)行模擬，并將計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)水力學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 研究方法

1.1 HEC-RAS計(jì)算原理

HEC-RAS軟件可支持模擬河道一維恒定流、非恒定流、泥沙輸移模型、水質(zhì)模型等，并可對(duì)壩、堤、堰、橋梁、涵管等水工建筑物耦合進(jìn)行水力模型模擬，在水利設(shè)計(jì)、潰壩評(píng)估、涉水橋梁等研究領(lǐng)域得到推廣和認(rèn)可。HEC-RAS非常適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定一維水力計(jì)算，穩(wěn)定流計(jì)算部分可以模擬緩流、急流、混流水面曲線，其功能強(qiáng)大，在國(guó)內(nèi)外對(duì)天然或人造的河道水面線的計(jì)算已得到廣泛的應(yīng)用[6]。 HEC-RAS恒定流水面線同傳統(tǒng)能量方程分段求和法計(jì)算都是基于一維能量方程，其計(jì)算公式如下：

(1)

其中，Z1，Z2均為主河道高程；Y1,Y2均為斷面水深；V1,V2均為平均流速；a1,a2均為流速系數(shù)；Ie為水頭損失；g為重力加速度。

1.2 MIKE11計(jì)算原理

MIKE系列軟件包括MIKE11，MIKE21，MIKEFLOOD等幾部分，MIKE11是應(yīng)用于包括河口、河流、河網(wǎng)、灌溉系統(tǒng)、泥沙傳輸模擬、水質(zhì)等一維問(wèn)題研究的標(biāo)準(zhǔn)工具，是國(guó)內(nèi)外通用的一款強(qiáng)大的河流水動(dòng)力和環(huán)境模擬軟件，并在水利水電工程設(shè)計(jì)、防汛洪水預(yù)報(bào)、橋梁水力設(shè)計(jì)、排水和灌溉分析、洪泛區(qū)侵蝕分析、潰壩分析、河流和濕地生態(tài)及水質(zhì)評(píng)價(jià)等領(lǐng)域得到推廣運(yùn)用。MIKE11以求解圣維南(Saint-Venant)方程組為理論基礎(chǔ)[6]，其一維水動(dòng)力模型控制方程為：

連續(xù)方程：

(2)

能量方程：

(3)

其中，x為距離坐標(biāo)；t為時(shí)間坐標(biāo)；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；Q為流量；h為水位；R為水力半徑；C為謝才系數(shù)；q為單位河長(zhǎng)旁側(cè)入流量；g為重力加速度。

2 案例應(yīng)用

2.1 工程概況

非洲某水電站位于尼日利亞的卡杜納(Kaduna)河上，水電站以發(fā)電為主，正常蓄水位EL.230.00 m，死水位EL.223.00 m，具有多年調(diào)節(jié)性能，總裝機(jī)容量700 MW。該電站主要建筑物包括擋水建筑物(碾壓混凝土重力壩與粘土心墻堆石壩混合壩)、壩式進(jìn)水口、壩后背管、壩后廠房及尾水渠、壩身溢洪道及消力塘、左岸開(kāi)關(guān)場(chǎng)工程等。本文對(duì)該水電站廠房后尾水渠設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)HEC-RAS和MIKE11軟件計(jì)算結(jié)果及傳統(tǒng)水力學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較。

尾水渠設(shè)計(jì)旨在通過(guò)降低廠房出口尾水位，來(lái)獲得盡可能大的發(fā)電凈水頭，滿足電站的發(fā)電出力要求，擴(kuò)大電站的經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)計(jì)方案如下：尾水渠全長(zhǎng)約3.6 km，其里程樁號(hào)為T.0+000.00～T.3+621.00，初始斷面底板高程EL.130.00 m，底坡i=0.001，開(kāi)挖渠道采用倒梯形斷面，邊坡系數(shù)m=0.25，渠道斷面底寬前段410 m為105 m，余下部分底寬縮減為65 m。尾水渠典型橫剖面示意圖見(jiàn)圖1。

2.2 計(jì)算參數(shù)

假定尾水渠內(nèi)水流為穩(wěn)流，且考慮回水影響。因此，在數(shù)值計(jì)算時(shí)，下游天然水位作為下游邊界條件，可使尾水渠水面線與下游天然水位自然連接。

邊界條件：根據(jù)實(shí)測(cè)尾水渠下游出口(樁號(hào)T.0+3 621.00)水位數(shù)據(jù)，分析其水位流量關(guān)系得到，當(dāng)廠房一臺(tái)機(jī)運(yùn)行時(shí)尾水渠上游邊界廠房出口處流量為220 m3/s時(shí)，下游邊界尾水渠出口實(shí)測(cè)水位為132.75 m；當(dāng)廠房四臺(tái)機(jī)運(yùn)行時(shí)尾水渠上游邊界廠房出口處的流量為880 m3/s時(shí)，下游邊界尾水渠出口實(shí)測(cè)水位為137.67 m。

開(kāi)挖渠道糙率n：渠道糙率為0.035。

3 計(jì)算成果及分析

通過(guò)HEC-RAS和MIKE11軟件計(jì)算尾水渠在不同設(shè)計(jì)流量(Q=220 m3/s和Q=880 m3/s)工況下的水面線，以推求上游廠房出口處(樁號(hào)T.0+000.00)水位高程、斷面平均流速等水力要素。將兩款軟件計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)能量方程分段求和法水面線計(jì)算成果分別進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果如表1,表2所示。

表1 Q=220 m3/s流量下水位計(jì)算成果對(duì)比

表2 Q=880 m3/s流量下水位計(jì)算成果對(duì)比

HEC-RAS和MIKE11計(jì)算水深同傳統(tǒng)能量方程分段求和法水深計(jì)算差值分別用Δ1和Δ2表示，斷面平均流速差值分別用Δ4和Δ5表示，HEC-RAS和MIKE11的水深差值用Δ3表示，斷面平均流速差值用Δ6表示。

由表1可知，在一臺(tái)機(jī)運(yùn)行時(shí)(Q=220 m3/s)使用HEC-RAS軟件計(jì)算的水位成果與傳統(tǒng)能量方程計(jì)算的結(jié)果最大水位差值為0.04 m，使用MIKE11軟件計(jì)算的水位成果與傳統(tǒng)能量方程計(jì)算的結(jié)果最大水位差值為0.10 m，而MIKE11與HEC-RAS計(jì)算結(jié)果最大水位差值為0.06 m。

由表2可知，在四臺(tái)機(jī)運(yùn)行時(shí)(Q=880 m3/s)使用HEC-RAS軟件計(jì)算的水位成果與傳統(tǒng)能量方程計(jì)算的結(jié)果最大水位差值為0.09 m，使用MIKE11軟件計(jì)算的水位成果與傳統(tǒng)能量方程計(jì)算的結(jié)果最大水位差值為0.13 m，而MIKE11與HEC-RAS計(jì)算結(jié)果最大水位差值為0.14 m。

由表1，表2可知，HEC-RAS和MIKE11軟件計(jì)算成果與傳統(tǒng)能量方程分段求和法計(jì)算水位成果總體相差不大，兩款軟件的計(jì)算成果是可信的。在給定相同設(shè)計(jì)流量、地形以及渠道糙率n值的條件下，MIKE11與HEC-RAS的水位計(jì)算結(jié)果十分接近，MIKE11相比HEC-RAS計(jì)算水位值偏小，但最大相差不超過(guò)0.14 m。本工程從設(shè)計(jì)安全角度出發(fā)，采用HEC-RAS計(jì)算結(jié)果作為設(shè)計(jì)參考值。

表3 Q=220 m3/s流量下斷面平均流速計(jì)算成果對(duì)比

表4 Q=880 m3/s流量下斷面平均流速計(jì)算成果對(duì)比

由表3,表4可知，HEC-RAS和MIKE11軟件計(jì)算成果與傳統(tǒng)能量方程分段求和法計(jì)算斷面平均流速成果總體相差不大，在一臺(tái)機(jī)運(yùn)行時(shí)(Q=220 m3/s)和四臺(tái)機(jī)運(yùn)行時(shí)(Q=880 m3/s)最大差值均超過(guò)0.03 m/s。

總體而言，HEC-RAS軟件和MIKE11軟件的水位、斷面平均流速成果與傳統(tǒng)能量方程分段求和法結(jié)果沿程變化趨勢(shì)基本一致，結(jié)果相差不大。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在相同渠道斷面、水位流量關(guān)系等邊界條件下，給定相同的河道糙率n值，總體上HEC-RAS軟件和MIKE11軟件計(jì)算的水位成果和斷面流速成果與傳統(tǒng)能量方程分段求和法計(jì)算成果沿程變化趨勢(shì)基本一致，HEC-RAS計(jì)算的水位略高于MIKE11。

2)相比傳統(tǒng)能量方程分段求和法，運(yùn)用HEC-RAS及MIKE11軟件計(jì)算渠道水面線可以有效提高設(shè)計(jì)工作者工作效率，計(jì)算成果較精確，值得在水利水電行業(yè)設(shè)計(jì)中加以推廣應(yīng)用。在結(jié)果處理方面，也能更直觀的得到各斷面水力要素計(jì)算成果，應(yīng)用軟件還可以輸出三維河道水面情況，使模擬結(jié)果更加直觀。

3)本文對(duì)國(guó)外某水電站下游尾水河段進(jìn)行模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)成果為選擇合理的尾水河道治理方案、電站出力影響分析及河道整治清淤工作提供了有效的參考依據(jù)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，建議同時(shí)采用以上兩種軟件計(jì)算，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益考慮，取偏安全值作為設(shè)計(jì)依據(jù)。