HEC-RAS和MIKE11模型的英那河水面线计算对比分析

高清震

(庄河市水务事务服务中心，辽宁 庄河 116400)

0 引 言

当前，在洪水预报和河道水文方面关于水面线的推求已十分普遍，其中河道实际情况与天然山区河流水文面推算往往存在较大的偏差，且对于水位变化的人工实时监测费时费力。近年来，计算机技术和水文数值模型的快速发展在很大程度上推动了水文学的研究，并取得了许多理想的成效[1]。例如，天然河道的水面线的准确推求能够依据HEC-RAS、MIKE11模型实现，且实际应用效果较为显著。水面线推求过程中影响以上2个模型的因素较多，戴文鸿等[2]对水面线与糙率之间的变化关系运用糙率公式分析，仍需要深入研究边界条件设置和模型的节点概化等方面内容；孔鲁志等[3]对比分析了HEC-RAS、MIKE11模型的水面线计算结果及其原理，但未深入研究引起结果差异的因素；武永新等通过验证和率定模型参数，提出对于水面线的计算以上两个模型均存在可靠性；范威等[4]以铁长河为例，对河段水面线利用HEC-RAS模型模拟，并提出对于中小河流水面线的推求该模型具有较好的适用性与准确性；陈建峰等[5]从运算流程和模型结构两个方面分析了HEC-RAS模型原理，对渭河口值黑河金盆水库坝址之间的洪水水文面进行了推求，可为洪泛区管理和防洪安全评价提供科学的依据；张涛等[6]对平原河道东鱼河水面线利用一维水动力模型进行了推算，从而揭示了过水面积-河道水位之间的作用关系，为合理选取洪水调度方式奠定了基础，而对于参数的敏感性分析仍需要进一步研究。

根据现有研究成果和相关资料，文章对河道水面线过程考虑运用MIKE11和HEC-RAS模型推求，结合辽宁省庄河市英那河段实测水位数据、模型水文参数和不同设计标准的流量系列验证分析计算结果，在此基础上进一步分析了两个模型的结果差异和模拟效果。综合考虑河道初始水位、水文参数糙率和模型原理，通过分析各要素敏感性特征选取适用于英那河水面线推求的模型，并将其应用于实际工程。

1 研究方法

1.1 MIKE11模型原理

MIKE模型系列是由丹麦水资源研究所提出的一种用于模拟河网、河流等水质水量的水动力学模型，其中MIKE21、MIKE11为推求水面线较为常用的方法。在水文计算方面MIKE11模型存在多种模块，对于模拟不同类型的河道水面线具有较强的适用性，目前已广泛应用于一维河道的泥沙运输、洪水风险分析、水质评价及水动力模拟等项目。一维非恒定流计算中水动力模型属于最关键的模块，六点隐式差分格式为求解非恒定流一维河道方程的方法，并在溃坝分析、水质水量评价、灌溉和防洪安全等工程中得到广泛应用。运用MIKE11模型的基本前提是河道水流不可压缩且流态均值，通过假设河道断面、坡降不发生大的改变满足静水压要求，当前普遍采用圣维南方程组构建一维河网汇流模型，其连续和栋梁方程如下：

∂A/∂t+∂Q/∂x=q

(1)

(2)

式中：Q、A为流量和河道断面面积，m3/s；q、x、t为河道侧向来水流量、沿水流方向的横坐标和时间，m2/s,m、s；g、h为重力加速度和水位；R、C为水力半径和谢才系数，m、s/m1/3。

1.2 HEC-RAS模型原理

河道水面线推时中HEC-RAS模型的应用也较为普遍，对于一维河道变流量和定流量的水动力计算具有良好的科学合理性。目前，该模型已广泛应用于河床冲淤、河道行洪能力和洪水水面线计算等领域，河道水面线的推算依据不同的控制方程和河流的实际流态实现，运行模型能够生成不同洪水设计标准的水位流量成果、各个过水断面的形态图以及过河道的水面线动态变化图。

选取河道洪水过程作为模型模拟对象，所以水面线的计算可选取非恒定流迭代计算的方法。动量和联系性方程为控制非恒定流的计算基础，计算公式为：

(3)

(4)

式中：f、u、P为质量力、流速和压力；υ、ρ为动力黏滞系数和水土密度；

2 研究区概况

辽宁省庄河市位于辽东半岛东侧南部，全境总面积6968km2，自然海岸线长285km。庄河地区为大陆性季风气候，气候温和，四季分明，夏秋季降雨集中，冬春季多风少雨，平均气温9.1℃/a，平均降水量757.4mm/a。受季风气候和地形地貌影响，在空间和时间分布上降水量极不均衡，年降水的56%集中于每年的7、8月，自东北向西南降水量呈递减趋势。地势自北向南呈逐级降低的趋势，属于典型的低山丘陵区，全市地貌特征具有“五山一水四分平地”之称。庄河境内主要有小沙河、小寺河、庄河、寡妇河、英那河等，其中100km2以上的河流13条，河流总长度882km。北部山区为境内所有河流的发源地，河流整体上自北向南径流，径南部沿海平原区及中部丘陵区最终汇入黄海。

2.1 水文资料

英那河为大连市和庄河市重要的水源地，发源于岫岩县龙潭乡老北沟，河流全长94.9km，径流沙岭农场、庄河市仙人洞、河岛、大营子、塔岭等乡镇。流域面积1004kmm2，河道比降2.41%，平均径流深439.2mm，庄河境内径流量3.5亿m3，有1条二级支流和5条一级支流。英那河流域的雨季为3-9月，其中3-6月多出现锋面雨，此时期西南暖湿气流与西北南下的冷空气交汇，强烈辐合在冷暖空气不断作用下上升，形成大范围暴雨区；该区域7-9月受台风影响显著，存在台风雨和锋面雨，其中1-3d，2d为暴雨历时主要时段，锋面雨历时长而台风与历时短，每年的6月份为暴雨频发期，其次为5、7月。文章以庄河市英那河城区段桩号N0+025—N3+854为研究对象，长约15km，河床低高程18.5-23.2m，河道宽度约120-270m，纵坡为0.8-2.5/10000。英那河水文站实测断面稳定，控制集雨面积581km2，河段顺直且实测资料详实，选取该水文站相关资料作为数据主要来源。

2.2 参数的确定

英那河水文站有1961-1965年、1995-2018年实测流量资料，水文站1955-2018年的长时间系列流量资料利用邻近水文站的实测资料插补延展获取。通过特大值处理英那河水文站1915年最大调查流量，对20a、50a、100a一遇的洪峰流量利用皮尔逊-Ⅲ曲线适线求解，分别为4200、4985、5210m3/s，各个设计标准所对应的水位按照英那河水文站水位流量关系曲线确定。典型洪水选取为英那河站2012年7月12日至7月15日场洪水，典型洪水过程采用同倍比放大洪峰流量法放大，从而确定20、50、100a一遇英那河上游入口的流量过程线。下游控制断面为工程提供的朱隈水库下游1860m处，断面处各个水位对应的流量采用曼宁公式计算确定，从而绘制下游流量水位关系曲线。

河道糙率取值区间依据庄河市防洪工程科研报告确定为0.025-0.036，各河段糙率参数依据工程经验和历史相关资料选取0.032；初始水位依据断面迭代的英那河常水位，设定为1.85m，经过多次反复调试确定模型稳定时的计算时间步长为0.15h。

根据英那河水文站的序列流量资料和绘制的流量模比系数差积曲线，1955-2018年水文站流量资料代表性较好的判别依据为首尾累积值趋于1。

1) MIKE模型。设定0.15h作为计算时间步长，下游河口位置的水位流量关系曲线和给定上游入口20a、50a、100a一遇流量时间序列文件为边界条件；迭代计算的初始断面水深为1.85m，综合河道糙率0.0032。

2) HEC-RAS模型。设定0.15h、1h为模型运算和输出时间步长，各个设计标准的初始水位和给定上游入口20a、50a、100a一遇洪水流量过程作为边界条件，所对应的初始水位依次为32.65、33.42、33.80m；考虑河道实际情况设定综合糙率为0.032。

3 计算成果

3.1 水位计算成果

通过对河道的概化处理推求庄河市城区段英那河水面线，对英那河各个设计标准的洪水情况采用HEC-RAS和MIKE11模型模拟，从而给出相应的水面线，英那河洪水过程线，见表1；采用以上两模型输出的水面线，庄河市城区段河道剖面图，见图1。桩号为K0+025—K3+854。

表1 英那河洪水过程线m

续表1 英那河洪水过程线m

图1庄河市城区段河道剖面图

3.2 流速计算成果

通过构建MIKE11模型获取用于对比分析河道流速的相关数据，模拟结束后提取各断面流速数据，在流速列表中直接读取HEC-RAS模型输出结果。不同里程的流速数据从流速成果列表中获取，受文章篇幅限制仅读取了3个桩号的流速数据。部分断面的流速数据，见表2。从表2可以看出，MIKE11模型的流速输出结果较HEC-RAS整体偏高。

表2 部分断面的流速数据 m

4 成果对比分析

将防洪规划中英那河水文站实测水位与2个模型的计算输出水位对比，庄河市城区段10个代表性桩号的实测水位来源于防洪规划报告。通过计算获取20a、50a一遇水位的平均绝对误差e和纳什效率系数NSE，水位模拟精度分析，见表3。

表3 水位模拟精度分析

根据表3可知，相对于HEC-RAS模型MIKE11的水位纳什效率系数计算值较高，可见对于水面线的推求MIKE11模型具有更高的精度，其误差相对较小。在设计标准洪水位不同的情况下，MIKE11和HEC-RAS模型的计算结果整体保持一直，单后者的洪水位计算整体要低于前者。20a、50a一遇设计标准时英那河的河道水文面，见图2。

图2 MIKE11和HEC-RAS模型的计算水位图

从英那河整个流域的角度分析，两个模型输出的流速和水位结果基本保持一直，较HEC-RAS模型MIKE11的流速计算结果和水位模拟精度更高。考虑到模型拟合过程中参数设置、方程建立和模型原理的不同，从如下3个方面分析产生以上现象的原因。

4.1 水力半径

根据河道断面形态、水体流态和河道类型的实际情况，在2种水面线计算过程中采用不同的水力半径。通常情况下，水力半径类型的选取按照水力学特性和实践经验确定。其中，采用阻力半径获取的深窄型河道的流量特性通常较大，对此一般选取水力半径计算；针对滩地面积较大的河流，通常选用阻力半径参与运算。水力和阻力半径的计算公式分别为：

(5)

(6)

其中，A为河道过水断面；针对英那河流域，HEC-RAS和MIKE11模型分别选用水力半径、阻力半径计算。在水面线推求过程中因水力半径获取方式存在差异，从而导致最终的模型输出不同。

4.2 控制方程

两个模型的控制方程和计算原理存在差异，因此模型的求解方法和收敛条件不同，HEC-RAS、MIKE11模型的水面线推求方法分别为Newton-Raphson迭代法和六点Abbott-Ionescu隐式差格式法。

4.3 参数敏感性

英那河河道水面线利用HEC-RAS和MIKE模型推求过程中涉及到的因素较多，其中初始水深和河道糙率为影响运算结果的重要参数。参数敏感性分析是指在参数变化幅度相同的情况下，各参数变化对河道水位的影响程度，对河道水位影响越大则参数的敏感性越高；反之，则参数的敏感性越低。以设计洪水为100a一遇为例，对以上2个模型关于初始水位和河道糙率的敏感性进行探讨，设定+50%、-50%、+20%、-20%、0为参数变化幅度，敏感性分析。模型参数的设定，见表4。

表4 模型参数的设定

对英那河水面下利用改变参数后的HEC-RAS和MIK模型进行计算，保持其它参数不变按照设定的幅度改变其中1个参数值。根据该方法依次确定所有桩号在不同变幅下的水位，取平均值作为这2个参数的水位计算结果，糙率、初始水深对水位的敏感性分析，见表5。

表5 糙率、初始水深对水位的敏感性分析

根据表5可知，保持糙率变幅相同的情况下，HEC-RAS的水位变化要低于MIKE。所以，对于糙率参数，HEC-RAS模型的敏感性要显著低于MIKE。对于初始水深参数，在水面线推求过程中这两个模型均呈现出不敏感性，最后水位的变化受初始水位的影响较低，整体未发生显著改变。经多次试验确定，水面线推求结果在水深变幅足够大时仍未发生显著的改变。

5 结 论

1) 保持水文条件相同的情况下，较HEC-RAS模型MIKE11的水位模拟结果和水面线推求精度均较高，在流速计算过程中MIKE11的最终输出结果偏大。通过对比分析发现，对于糙率参数MIKE模型具有更强的敏感性，初始水深对于初始水深参数，在水面线推求过程中这两个模型均呈现出不敏感性，最后水位的变化受初始水位的影响较低，整体未发生显著改变。

2) 为保证河道水面线推求结果的准确合理性应选择合适的模型，从以下2个方面考虑：①MIKE模型比较适用于河床存在较大变化的河段；②HEC-RAS模型一般适用于水利枢纽建设受河床冲刷速度较大的河道。根据河道流态具体情况选取重点规划河段，水面线的推求可分别选用MIKE和HEC-RAS模型，模型按照工程偏安全的原则选取。

3) HEC-RAS和MIKE均属于水动力过程求解的方法，其理论体系和研究方法已比较系统、完善，而对于耦合了水动力和水文两方面内容的研究较少。对此，2个模型在实时决策问题时还存在着适用性较低的情况。