基于MIKE11和HEC-RAS的模擬水面線比較及敏感性分析

高 彬，梁士奎，王興偉

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450046)

0 引言

人工實時監(jiān)測水位變化是一項費時費力的任務，但近年來，隨著計算機技術和水文學數(shù)值模型的飛速發(fā)展，水文學研究得到了極大的推動，并取得了許多令人欣喜的成果[1]。在此背景下，對流域內(nèi)水文氣象信息資料缺乏地區(qū)，建立基于水動力與河床地形耦合作用的洪水演進數(shù)學模型是十分必要的。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果和相關數(shù)據(jù)，本文考慮運用MIKE11和HEC-RAS模型對河流面線過程進行計算，并結合實測水位數(shù)據(jù)，對模型的水文參數(shù)和結果進行了一系列不同設計標準下的流量驗證分析和計算。通過對河道比降、水文參數(shù)糙率和模型原理進行綜合考慮，并對各要素的敏感性特征進行分析，最終選擇了一種適用于淮河河段水面線計算的模型，并將其成功應用于實際工程中[2-3]。

1 研究方法

1.1 HEC-RAS模型原理

HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center RiverAnalysis System)是美國陸軍工程兵團水文工程中心研發(fā)的一款軟件，主要用于河流水資源領域的研究[4]。本文根據(jù)實際需要建立了一個二維水流模型并利用該模型對洪峰水位進行模擬，通過與實測結果比較證明本程序能夠很好地反映出流域內(nèi)水文情勢、河床演變規(guī)律等信息。考慮到本次計算涉及到河道洪水過程，因此采用了Newton-Raphson迭代法，也就是非恒定流方法，以計算水面線。

動量方程：

(1)

(2)

式中，ρ—水體密度，m3/kg；u—流速m/s；f—質(zhì)量力，m/s2；v—動力黏滯系數(shù)，Pa·s；Р—壓力，Pa。

1.2 MIKE11模型原理

DHI公司在開發(fā)MIKE模型系列時，采用了非恒定流圣維南(Saint-Venant)方程組來構建MIKE11一維河網(wǎng)匯流模型[5]。

連續(xù)方程：

(3)

動量方程：

(4)

式中，A—河道過水面積，m；Q—流量，m3/s；t—時間，s；x—與水流方向一致的橫向坐標；q—河道的側向來流量，m3/s；g—重力加速度，m/s2；h—水位，m。

2 研究數(shù)據(jù)與模型

2.1 研究區(qū)概況

本次研究選擇淮河流域踅孜鎮(zhèn)到淮濱站河段，該區(qū)域人口密度大，農(nóng)田密集，是淮河流域的重要防汛保護對象，該地域有踅孜站和淮濱站兩水文站的實測數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.2.1設計洪水推求

本次模擬采用水文比擬法推求設計洪水。研究河段為踅孜水文站到淮濱水文站之間的淮河河段，取踅孜水文站為入水口，此次選取1970—2020年50年實測洪峰流量系列，并將2020年洪峰流量作為50年一遇特大值處理，進行頻率計算，經(jīng)P-Ⅲ型曲線適線得到該站的設計洪水，設計洪水見表1。

表1 設計洪水流量 單位：m3/s

2.2.2水位-流量關系

取淮濱河水文站為研究河段出水口，出水口水位-流量關系采用實測結果。

2.3 模型參數(shù)設置

(1)斷面數(shù)據(jù)

該河道處于平原，主要為居民區(qū)與農(nóng)田。天然河道的橫斷面資料等地形資料，采用無人機航拍的形式獲取，通過cad加載到軟件中[6-7]。MIKE和HEC-RAS導入相同河道與斷面形式，其中在HEC-RAS軟件中建立河道斷面模型。

(2)其他參數(shù)

根據(jù)HEC-RAS使用手冊和野外實地考察情況，模型主要參數(shù)見表2[8]。

表2 模型參數(shù)表

3 成果對比分析

3.1 成果對比

模擬48h恒定流量下，初始水位為16m，出口斷面采用水位流量關系的設計洪水，計算結果如圖1所示。

圖1 模擬工況水位、流速對比圖

將水文站實測水位與2個模型的計算輸出水位對比。通過計算獲取20a、50a一遇水位的納什效率系數(shù)NSE和平均絕對誤差e，進行水位模擬精度分析，見表3。

表3 水位精度評價表

表3中，MIKE模型比HEC-RAS模型水位納什效率系數(shù)的計算值偏大，顯然對水面線推求MIKE模型精度高且誤差比較小。在設計標準洪水位不同時，MIKE與HEC-RAS模型結果整體基本沒有變化，但是后者結果整體低于前者。

以淮河流域整體為視角進行分析，兩模型輸出流速與水位計算結果基本一致，且MIKE流速計算與水位模擬精度均高于HEC-RAS模型。

3.2 參數(shù)敏感性

水面線計算采用HEC-RAS和MIKE模型時會涉及到很多因素，其中影響計算結果的重要參數(shù)是河道比降、和河道糙率。參數(shù)敏感度分析是指各參數(shù)的河面的影響程度在參數(shù)變化幅度相同的進行的分析。參數(shù)靈敏度越高，對水位影響越大。以設計洪水50年一遇為例，探討上述兩個模型對河道糙率和河道比降的敏感性，設定+50%、-50%、+20%、-20%、0為參數(shù)變化幅度，進行敏感性分析。模型參數(shù)設置見表4。

表4 敏感性參數(shù)變幅表

使用HEC-RAS和MIKE模型改變參數(shù)進行計算，將其中一個參數(shù)的設定的幅值進行改變，其他參數(shù)保持不變。這種方法依次確定每根樁的水位在不同幅度內(nèi)，取其平均值作為水位計算結果的兩個參數(shù)，河道比降和糙率對水位的敏感性分析見表5—6。

表5 糙率對水位敏感性分析

表6 河道比降對水位敏感性分析

在糙率變幅不變的情況下，HEC-RAS的水位變化要比MIKE低。因此，HEC-RAS模型對糙率參數(shù)的敏感性比MIKE要明顯降低。對于河道比降參數(shù)，這兩款模型在水面線的推求過程中均表現(xiàn)出了非敏感性，總體上并沒有明顯的改觀。在河道比降變幅足夠大的情況下，水面線推求結果經(jīng)多次試驗確定仍無明顯變化。

4 結論

(1)在保持相同水文條件下，MIKE11的水位模擬結果和水面線推求精度比HEC-RAS模型更高，流速計算過程中MIKE11的最終輸出結果更大。通過對比分析，我們發(fā)現(xiàn)MIKE模型對糙率參數(shù)更為敏感。對于河道比降參數(shù)，在水面線的推算上，發(fā)現(xiàn)任何模型都不敏感。實驗證明，最終水位變化受河道比降影響較小，總體上沒有太大變化。即使河道發(fā)生了很大的變化，水位也幾乎不會改變。

(2)在不同的研究區(qū)域應根據(jù)實際情況選擇不同的模型。MIKE11水動力模型適用于河流糙度變化較大的河段，HEC-RAS模型適用于河床侵蝕速度快、坡度陡的河道。重點河流規(guī)劃工程要結合當?shù)貙嶋H，分別建立MIKE11水動力模型和HEC-RAS模型計算水面線，并從工程安全角度進行選擇。

(3)HEC-RAS模型可以設置一個斷面內(nèi)不同行洪區(qū)的糙率，而MIKE11模型只能設置單個斷面的綜合糙率，綜合糙率難以確定。如果模擬河段為典型的山區(qū)性河道，一個斷面內(nèi)往往存在較順直的河槽與糙率較大的灘地山區(qū)性河道，應用HEC-RAS模型較為精準；如果是典型平原斷面河道，采用對糙率靈敏度更高的MIKE模型更合理。