HEC-RAS和MIKE11在渠道水面线计算中的应用

谭 玲

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引言

由美国陆军工程兵团(The U.S. Army Corps of Engineers)水文工程中心开发的河道水面线计算软件HEC-RAS，以及由丹麦水资源及水环境研究所(Danish Hydraulic Institute,DHI)开发的MIKE11被广泛用于模拟河流、渠道以及其他水体的一维水面线推算，均能获得较好的计算成果，达到工程项目规划设计的预期效果[2-4]。

尾水河段在水电站建设过程中易因情势变化对尾水位产生影响，从而引起不良后果[5]。对于实际工程中长渠道推求最好的解决方法是通过水工模型试验来论证渠道的水力特性，但由于时间、资金、设备等限制条件，难以对所有工程进行水工试验模拟，可以通过采用一维水流数学模型进行快速有效的仿真模拟获得渠道内沿程水面线变化趋势和特征断面水位。本文以国外某水电站尾水渠计算为例，分别利用HEC-RAS及MIKE11建立一维水流模型对尾水河段进行模拟，并将计算结果与传统水力学计算结果进行对比分析。

1 研究方法

1.1 HEC-RAS计算原理

HEC-RAS软件可支持模拟河道一维恒定流、非恒定流、泥沙输移模型、水质模型等，并可对坝、堤、堰、桥梁、涵管等水工建筑物耦合进行水力模型模拟，在水利设计、溃坝评估、涉水桥梁等研究领域得到推广和认可。HEC-RAS非常适用于河道稳定和非稳定一维水力计算，稳定流计算部分可以模拟缓流、急流、混流水面曲线，其功能强大，在国内外对天然或人造的河道水面线的计算已得到广泛的应用[6]。 HEC-RAS恒定流水面线同传统能量方程分段求和法计算都是基于一维能量方程，其计算公式如下：

(1)

其中，Z1，Z2均为主河道高程；Y1,Y2均为断面水深；V1,V2均为平均流速；a1,a2均为流速系数；Ie为水头损失；g为重力加速度。

1.2 MIKE11计算原理

MIKE系列软件包括MIKE11，MIKE21，MIKEFLOOD等几部分，MIKE11是应用于包括河口、河流、河网、灌溉系统、泥沙传输模拟、水质等一维问题研究的标准工具，是国内外通用的一款强大的河流水动力和环境模拟软件，并在水利水电工程设计、防汛洪水预报、桥梁水力设计、排水和灌溉分析、洪泛区侵蚀分析、溃坝分析、河流和湿地生态及水质评价等领域得到推广运用。MIKE11以求解圣维南(Saint-Venant)方程组为理论基础[6]，其一维水动力模型控制方程为：

连续方程：

(2)

能量方程：

(3)

其中，x为距离坐标；t为时间坐标；A为过水断面面积；Q为流量；h为水位；R为水力半径；C为谢才系数；q为单位河长旁侧入流量；g为重力加速度。

2 案例应用

2.1 工程概况

非洲某水电站位于尼日利亚的卡杜纳(Kaduna)河上，水电站以发电为主，正常蓄水位EL.230.00 m，死水位EL.223.00 m，具有多年调节性能，总装机容量700 MW。该电站主要建筑物包括挡水建筑物(碾压混凝土重力坝与粘土心墙堆石坝混合坝)、坝式进水口、坝后背管、坝后厂房及尾水渠、坝身溢洪道及消力塘、左岸开关场工程等。本文对该水电站厂房后尾水渠设计方案进行数值模拟计算，对HEC-RAS和MIKE11软件计算结果及传统水力学计算结果进行分析比较。

尾水渠设计旨在通过降低厂房出口尾水位，来获得尽可能大的发电净水头，满足电站的发电出力要求，扩大电站的经济效益。设计方案如下：尾水渠全长约3.6 km，其里程桩号为T.0+000.00～T.3+621.00，初始断面底板高程EL.130.00 m，底坡i=0.001，开挖渠道采用倒梯形断面，边坡系数m=0.25，渠道断面底宽前段410 m为105 m，余下部分底宽缩减为65 m。尾水渠典型横剖面示意图见图1。

2.2 计算参数

假定尾水渠内水流为稳流，且考虑回水影响。因此，在数值计算时，下游天然水位作为下游边界条件，可使尾水渠水面线与下游天然水位自然连接。

边界条件：根据实测尾水渠下游出口(桩号T.0+3 621.00)水位数据，分析其水位流量关系得到，当厂房一台机运行时尾水渠上游边界厂房出口处流量为220 m3/s时，下游边界尾水渠出口实测水位为132.75 m；当厂房四台机运行时尾水渠上游边界厂房出口处的流量为880 m3/s时，下游边界尾水渠出口实测水位为137.67 m。

开挖渠道糙率n：渠道糙率为0.035。

3 计算成果及分析

通过HEC-RAS和MIKE11软件计算尾水渠在不同设计流量(Q=220 m3/s和Q=880 m3/s)工况下的水面线，以推求上游厂房出口处(桩号T.0+000.00)水位高程、断面平均流速等水力要素。将两款软件计算结果与传统能量方程分段求和法水面线计算成果分别进行比较，计算结果如表1,表2所示。

表1 Q=220 m3/s流量下水位计算成果对比

表2 Q=880 m3/s流量下水位计算成果对比

HEC-RAS和MIKE11计算水深同传统能量方程分段求和法水深计算差值分别用Δ1和Δ2表示，断面平均流速差值分别用Δ4和Δ5表示，HEC-RAS和MIKE11的水深差值用Δ3表示，断面平均流速差值用Δ6表示。

由表1可知，在一台机运行时(Q=220 m3/s)使用HEC-RAS软件计算的水位成果与传统能量方程计算的结果最大水位差值为0.04 m，使用MIKE11软件计算的水位成果与传统能量方程计算的结果最大水位差值为0.10 m，而MIKE11与HEC-RAS计算结果最大水位差值为0.06 m。

由表2可知，在四台机运行时(Q=880 m3/s)使用HEC-RAS软件计算的水位成果与传统能量方程计算的结果最大水位差值为0.09 m，使用MIKE11软件计算的水位成果与传统能量方程计算的结果最大水位差值为0.13 m，而MIKE11与HEC-RAS计算结果最大水位差值为0.14 m。

由表1，表2可知，HEC-RAS和MIKE11软件计算成果与传统能量方程分段求和法计算水位成果总体相差不大，两款软件的计算成果是可信的。在给定相同设计流量、地形以及渠道糙率n值的条件下，MIKE11与HEC-RAS的水位计算结果十分接近，MIKE11相比HEC-RAS计算水位值偏小，但最大相差不超过0.14 m。本工程从设计安全角度出发，采用HEC-RAS计算结果作为设计参考值。

表3 Q=220 m3/s流量下断面平均流速计算成果对比

表4 Q=880 m3/s流量下断面平均流速计算成果对比

由表3,表4可知，HEC-RAS和MIKE11软件计算成果与传统能量方程分段求和法计算断面平均流速成果总体相差不大，在一台机运行时(Q=220 m3/s)和四台机运行时(Q=880 m3/s)最大差值均超过0.03 m/s。

总体而言，HEC-RAS软件和MIKE11软件的水位、断面平均流速成果与传统能量方程分段求和法结果沿程变化趋势基本一致，结果相差不大。

4 结语

1)在相同渠道断面、水位流量关系等边界条件下，给定相同的河道糙率n值，总体上HEC-RAS软件和MIKE11软件计算的水位成果和断面流速成果与传统能量方程分段求和法计算成果沿程变化趋势基本一致，HEC-RAS计算的水位略高于MIKE11。

2)相比传统能量方程分段求和法，运用HEC-RAS及MIKE11软件计算渠道水面线可以有效提高设计工作者工作效率，计算成果较精确，值得在水利水电行业设计中加以推广应用。在结果处理方面，也能更直观的得到各断面水力要素计算成果，应用软件还可以输出三维河道水面情况，使模拟结果更加直观。

3)本文对国外某水电站下游尾水河段进行模拟计算，设计成果为选择合理的尾水河道治理方案、电站出力影响分析及河道整治清淤工作提供了有效的参考依据。在实际工程设计中，建议同时采用以上两种软件计算，结合经济效益考虑，取偏安全值作为设计依据。