高清震

(莊河市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 莊河 116400)

0 引 言

當(dāng)前，在洪水預(yù)報(bào)和河道水文方面關(guān)于水面線的推求已十分普遍，其中河道實(shí)際情況與天然山區(qū)河流水文面推算往往存在較大的偏差，且對(duì)于水位變化的人工實(shí)時(shí)監(jiān)測費(fèi)時(shí)費(fèi)力。近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)和水文數(shù)值模型的快速發(fā)展在很大程度上推動(dòng)了水文學(xué)的研究，并取得了許多理想的成效[1]。例如，天然河道的水面線的準(zhǔn)確推求能夠依據(jù)HEC-RAS、MIKE11模型實(shí)現(xiàn)，且實(shí)際應(yīng)用效果較為顯著。水面線推求過程中影響以上2個(gè)模型的因素較多，戴文鴻等[2]對(duì)水面線與糙率之間的變化關(guān)系運(yùn)用糙率公式分析，仍需要深入研究邊界條件設(shè)置和模型的節(jié)點(diǎn)概化等方面內(nèi)容；孔魯志等[3]對(duì)比分析了HEC-RAS、MIKE11模型的水面線計(jì)算結(jié)果及其原理，但未深入研究引起結(jié)果差異的因素；武永新等通過驗(yàn)證和率定模型參數(shù)，提出對(duì)于水面線的計(jì)算以上兩個(gè)模型均存在可靠性；范威等[4]以鐵長河為例，對(duì)河段水面線利用HEC-RAS模型模擬，并提出對(duì)于中小河流水面線的推求該模型具有較好的適用性與準(zhǔn)確性；陳建峰等[5]從運(yùn)算流程和模型結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面分析了HEC-RAS模型原理，對(duì)渭河口值黑河金盆水庫壩址之間的洪水水文面進(jìn)行了推求，可為洪泛區(qū)管理和防洪安全評(píng)價(jià)提供科學(xué)的依據(jù)；張濤等[6]對(duì)平原河道東魚河水面線利用一維水動(dòng)力模型進(jìn)行了推算，從而揭示了過水面積-河道水位之間的作用關(guān)系，為合理選取洪水調(diào)度方式奠定了基礎(chǔ)，而對(duì)于參數(shù)的敏感性分析仍需要進(jìn)一步研究。

根據(jù)現(xiàn)有研究成果和相關(guān)資料，文章對(duì)河道水面線過程考慮運(yùn)用MIKE11和HEC-RAS模型推求，結(jié)合遼寧省莊河市英那河段實(shí)測水位數(shù)據(jù)、模型水文參數(shù)和不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的流量系列驗(yàn)證分析計(jì)算結(jié)果，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了兩個(gè)模型的結(jié)果差異和模擬效果。綜合考慮河道初始水位、水文參數(shù)糙率和模型原理，通過分析各要素敏感性特征選取適用于英那河水面線推求的模型，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程。

1 研究方法

1.1 MIKE11模型原理

MIKE模型系列是由丹麥水資源研究所提出的一種用于模擬河網(wǎng)、河流等水質(zhì)水量的水動(dòng)力學(xué)模型，其中MIKE21、MIKE11為推求水面線較為常用的方法。在水文計(jì)算方面MIKE11模型存在多種模塊，對(duì)于模擬不同類型的河道水面線具有較強(qiáng)的適用性，目前已廣泛應(yīng)用于一維河道的泥沙運(yùn)輸、洪水風(fēng)險(xiǎn)分析、水質(zhì)評(píng)價(jià)及水動(dòng)力模擬等項(xiàng)目。一維非恒定流計(jì)算中水動(dòng)力模型屬于最關(guān)鍵的模塊，六點(diǎn)隱式差分格式為求解非恒定流一維河道方程的方法，并在潰壩分析、水質(zhì)水量評(píng)價(jià)、灌溉和防洪安全等工程中得到廣泛應(yīng)用。運(yùn)用MIKE11模型的基本前提是河道水流不可壓縮且流態(tài)均值，通過假設(shè)河道斷面、坡降不發(fā)生大的改變滿足靜水壓要求，當(dāng)前普遍采用圣維南方程組構(gòu)建一維河網(wǎng)匯流模型，其連續(xù)和棟梁方程如下：

?A/?t+?Q/?x=q

(1)

(2)

式中：Q、A為流量和河道斷面面積，m3/s；q、x、t為河道側(cè)向來水流量、沿水流方向的橫坐標(biāo)和時(shí)間，m2/s,m、s；g、h為重力加速度和水位；R、C為水力半徑和謝才系數(shù)，m、s/m1/3。

1.2 HEC-RAS模型原理

河道水面線推時(shí)中HEC-RAS模型的應(yīng)用也較為普遍，對(duì)于一維河道變流量和定流量的水動(dòng)力計(jì)算具有良好的科學(xué)合理性。目前，該模型已廣泛應(yīng)用于河床沖淤、河道行洪能力和洪水水面線計(jì)算等領(lǐng)域，河道水面線的推算依據(jù)不同的控制方程和河流的實(shí)際流態(tài)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行模型能夠生成不同洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的水位流量成果、各個(gè)過水?dāng)嗝娴男螒B(tài)圖以及過河道的水面線動(dòng)態(tài)變化圖。

選取河道洪水過程作為模型模擬對(duì)象，所以水面線的計(jì)算可選取非恒定流迭代計(jì)算的方法。動(dòng)量和聯(lián)系性方程為控制非恒定流的計(jì)算基礎(chǔ)，計(jì)算公式為：

(3)

(4)

式中：f、u、P為質(zhì)量力、流速和壓力；υ、ρ為動(dòng)力黏滯系數(shù)和水土密度；

2 研究區(qū)概況

遼寧省莊河市位于遼東半島東側(cè)南部，全境總面積6968km2，自然海岸線長285km。莊河地區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候，氣候溫和，四季分明，夏秋季降雨集中，冬春季多風(fēng)少雨，平均氣溫9.1℃/a，平均降水量757.4mm/a。受季風(fēng)氣候和地形地貌影響，在空間和時(shí)間分布上降水量極不均衡，年降水的56%集中于每年的7、8月，自東北向西南降水量呈遞減趨勢。地勢自北向南呈逐級(jí)降低的趨勢，屬于典型的低山丘陵區(qū)，全市地貌特征具有“五山一水四分平地”之稱。莊河境內(nèi)主要有小沙河、小寺河、莊河、寡婦河、英那河等，其中100km2以上的河流13條，河流總長度882km。北部山區(qū)為境內(nèi)所有河流的發(fā)源地，河流整體上自北向南徑流，徑南部沿海平原區(qū)及中部丘陵區(qū)最終匯入黃海。

2.1 水文資料

英那河為大連市和莊河市重要的水源地，發(fā)源于岫巖縣龍?zhí)多l(xiāng)老北溝，河流全長94.9km，徑流沙嶺農(nóng)場、莊河市仙人洞、河島、大營子、塔嶺等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。流域面積1004kmm2，河道比降2.41%，平均徑流深439.2mm，莊河境內(nèi)徑流量3.5億m3，有1條二級(jí)支流和5條一級(jí)支流。英那河流域的雨季為3-9月，其中3-6月多出現(xiàn)鋒面雨，此時(shí)期西南暖濕氣流與西北南下的冷空氣交匯，強(qiáng)烈輻合在冷暖空氣不斷作用下上升，形成大范圍暴雨區(qū)；該區(qū)域7-9月受臺(tái)風(fēng)影響顯著，存在臺(tái)風(fēng)雨和鋒面雨，其中1-3d，2d為暴雨歷時(shí)主要時(shí)段，鋒面雨歷時(shí)長而臺(tái)風(fēng)與歷時(shí)短，每年的6月份為暴雨頻發(fā)期，其次為5、7月。文章以莊河市英那河城區(qū)段樁號(hào)N0+025—N3+854為研究對(duì)象，長約15km，河床低高程18.5-23.2m，河道寬度約120-270m，縱坡為0.8-2.5/10000。英那河水文站實(shí)測斷面穩(wěn)定，控制集雨面積581km2，河段順直且實(shí)測資料詳實(shí)，選取該水文站相關(guān)資料作為數(shù)據(jù)主要來源。

2.2 參數(shù)的確定

英那河水文站有1961-1965年、1995-2018年實(shí)測流量資料，水文站1955-2018年的長時(shí)間系列流量資料利用鄰近水文站的實(shí)測資料插補(bǔ)延展獲取。通過特大值處理英那河水文站1915年最大調(diào)查流量，對(duì)20a、50a、100a一遇的洪峰流量利用皮爾遜-Ⅲ曲線適線求解，分別為4200、4985、5210m3/s，各個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的水位按照英那河水文站水位流量關(guān)系曲線確定。典型洪水選取為英那河站2012年7月12日至7月15日場洪水，典型洪水過程采用同倍比放大洪峰流量法放大，從而確定20、50、100a一遇英那河上游入口的流量過程線。下游控制斷面為工程提供的朱隈水庫下游1860m處，斷面處各個(gè)水位對(duì)應(yīng)的流量采用曼寧公式計(jì)算確定，從而繪制下游流量水位關(guān)系曲線。

河道糙率取值區(qū)間依據(jù)莊河市防洪工程科研報(bào)告確定為0.025-0.036，各河段糙率參數(shù)依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和歷史相關(guān)資料選取0.032；初始水位依據(jù)斷面迭代的英那河常水位，設(shè)定為1.85m，經(jīng)過多次反復(fù)調(diào)試確定模型穩(wěn)定時(shí)的計(jì)算時(shí)間步長為0.15h。

根據(jù)英那河水文站的序列流量資料和繪制的流量模比系數(shù)差積曲線，1955-2018年水文站流量資料代表性較好的判別依據(jù)為首尾累積值趨于1。

1) MIKE模型。設(shè)定0.15h作為計(jì)算時(shí)間步長，下游河口位置的水位流量關(guān)系曲線和給定上游入口20a、50a、100a一遇流量時(shí)間序列文件為邊界條件；迭代計(jì)算的初始斷面水深為1.85m，綜合河道糙率0.0032。

2) HEC-RAS模型。設(shè)定0.15h、1h為模型運(yùn)算和輸出時(shí)間步長，各個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的初始水位和給定上游入口20a、50a、100a一遇洪水流量過程作為邊界條件，所對(duì)應(yīng)的初始水位依次為32.65、33.42、33.80m；考慮河道實(shí)際情況設(shè)定綜合糙率為0.032。

3 計(jì)算成果

3.1 水位計(jì)算成果

通過對(duì)河道的概化處理推求莊河市城區(qū)段英那河水面線，對(duì)英那河各個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水情況采用HEC-RAS和MIKE11模型模擬，從而給出相應(yīng)的水面線，英那河洪水過程線，見表1；采用以上兩模型輸出的水面線，莊河市城區(qū)段河道剖面圖，見圖1。樁號(hào)為K0+025—K3+854。

表1 英那河洪水過程線m

續(xù)表1 英那河洪水過程線m

圖1莊河市城區(qū)段河道剖面圖

3.2 流速計(jì)算成果

通過構(gòu)建MIKE11模型獲取用于對(duì)比分析河道流速的相關(guān)數(shù)據(jù)，模擬結(jié)束后提取各斷面流速數(shù)據(jù)，在流速列表中直接讀取HEC-RAS模型輸出結(jié)果。不同里程的流速數(shù)據(jù)從流速成果列表中獲取，受文章篇幅限制僅讀取了3個(gè)樁號(hào)的流速數(shù)據(jù)。部分?jǐn)嗝娴牧魉贁?shù)據(jù)，見表2。從表2可以看出，MIKE11模型的流速輸出結(jié)果較HEC-RAS整體偏高。

表2 部分?jǐn)嗝娴牧魉贁?shù)據(jù) m

4 成果對(duì)比分析

將防洪規(guī)劃中英那河水文站實(shí)測水位與2個(gè)模型的計(jì)算輸出水位對(duì)比，莊河市城區(qū)段10個(gè)代表性樁號(hào)的實(shí)測水位來源于防洪規(guī)劃報(bào)告。通過計(jì)算獲取20a、50a一遇水位的平均絕對(duì)誤差e和納什效率系數(shù)NSE，水位模擬精度分析，見表3。

表3 水位模擬精度分析

根據(jù)表3可知，相對(duì)于HEC-RAS模型MIKE11的水位納什效率系數(shù)計(jì)算值較高，可見對(duì)于水面線的推求MIKE11模型具有更高的精度，其誤差相對(duì)較小。在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水位不同的情況下，MIKE11和HEC-RAS模型的計(jì)算結(jié)果整體保持一直，單后者的洪水位計(jì)算整體要低于前者。20a、50a一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)英那河的河道水文面，見圖2。

圖2 MIKE11和HEC-RAS模型的計(jì)算水位圖

從英那河整個(gè)流域的角度分析，兩個(gè)模型輸出的流速和水位結(jié)果基本保持一直，較HEC-RAS模型MIKE11的流速計(jì)算結(jié)果和水位模擬精度更高?？紤]到模型擬合過程中參數(shù)設(shè)置、方程建立和模型原理的不同，從如下3個(gè)方面分析產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因。

4.1 水力半徑

根據(jù)河道斷面形態(tài)、水體流態(tài)和河道類型的實(shí)際情況，在2種水面線計(jì)算過程中采用不同的水力半徑。通常情況下，水力半徑類型的選取按照水力學(xué)特性和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定。其中，采用阻力半徑獲取的深窄型河道的流量特性通常較大，對(duì)此一般選取水力半徑計(jì)算；針對(duì)灘地面積較大的河流，通常選用阻力半徑參與運(yùn)算。水力和阻力半徑的計(jì)算公式分別為：

(5)

(6)

其中，A為河道過水?dāng)嗝?；針?duì)英那河流域，HEC-RAS和MIKE11模型分別選用水力半徑、阻力半徑計(jì)算。在水面線推求過程中因水力半徑獲取方式存在差異，從而導(dǎo)致最終的模型輸出不同。

4.2 控制方程

兩個(gè)模型的控制方程和計(jì)算原理存在差異，因此模型的求解方法和收斂條件不同，HEC-RAS、MIKE11模型的水面線推求方法分別為Newton-Raphson迭代法和六點(diǎn)Abbott-Ionescu隱式差格式法。

4.3 參數(shù)敏感性

英那河河道水面線利用HEC-RAS和MIKE模型推求過程中涉及到的因素較多，其中初始水深和河道糙率為影響運(yùn)算結(jié)果的重要參數(shù)。參數(shù)敏感性分析是指在參數(shù)變化幅度相同的情況下，各參數(shù)變化對(duì)河道水位的影響程度，對(duì)河道水位影響越大則參數(shù)的敏感性越高；反之，則參數(shù)的敏感性越低。以設(shè)計(jì)洪水為100a一遇為例，對(duì)以上2個(gè)模型關(guān)于初始水位和河道糙率的敏感性進(jìn)行探討，設(shè)定+50%、-50%、+20%、-20%、0為參數(shù)變化幅度，敏感性分析。模型參數(shù)的設(shè)定，見表4。

表4 模型參數(shù)的設(shè)定

對(duì)英那河水面下利用改變參數(shù)后的HEC-RAS和MIK模型進(jìn)行計(jì)算，保持其它參數(shù)不變按照設(shè)定的幅度改變其中1個(gè)參數(shù)值。根據(jù)該方法依次確定所有樁號(hào)在不同變幅下的水位，取平均值作為這2個(gè)參數(shù)的水位計(jì)算結(jié)果，糙率、初始水深對(duì)水位的敏感性分析，見表5。

表5 糙率、初始水深對(duì)水位的敏感性分析

根據(jù)表5可知，保持糙率變幅相同的情況下，HEC-RAS的水位變化要低于MIKE。所以，對(duì)于糙率參數(shù)，HEC-RAS模型的敏感性要顯著低于MIKE。對(duì)于初始水深參數(shù)，在水面線推求過程中這兩個(gè)模型均呈現(xiàn)出不敏感性，最后水位的變化受初始水位的影響較低，整體未發(fā)生顯著改變。經(jīng)多次試驗(yàn)確定，水面線推求結(jié)果在水深變幅足夠大時(shí)仍未發(fā)生顯著的改變。

5 結(jié) 論

1) 保持水文條件相同的情況下，較HEC-RAS模型MIKE11的水位模擬結(jié)果和水面線推求精度均較高，在流速計(jì)算過程中MIKE11的最終輸出結(jié)果偏大。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于糙率參數(shù)MIKE模型具有更強(qiáng)的敏感性，初始水深對(duì)于初始水深參數(shù)，在水面線推求過程中這兩個(gè)模型均呈現(xiàn)出不敏感性，最后水位的變化受初始水位的影響較低，整體未發(fā)生顯著改變。

2) 為保證河道水面線推求結(jié)果的準(zhǔn)確合理性應(yīng)選擇合適的模型，從以下2個(gè)方面考慮：①M(fèi)IKE模型比較適用于河床存在較大變化的河段；②HEC-RAS模型一般適用于水利樞紐建設(shè)受河床沖刷速度較大的河道。根據(jù)河道流態(tài)具體情況選取重點(diǎn)規(guī)劃河段，水面線的推求可分別選用MIKE和HEC-RAS模型，模型按照工程偏安全的原則選取。

3) HEC-RAS和MIKE均屬于水動(dòng)力過程求解的方法，其理論體系和研究方法已比較系統(tǒng)、完善，而對(duì)于耦合了水動(dòng)力和水文兩方面內(nèi)容的研究較少。對(duì)此，2個(gè)模型在實(shí)時(shí)決策問題時(shí)還存在著適用性較低的情況。