陳燕平，霍培書，湯丁丁，趙 皇，周 艷

(中建三局綠色產(chǎn)業(yè)投資有限公司，湖北 武漢 430100)

1 引言

當(dāng)前，利用MIKE11、InfoWorks RS和HEC-RAS等軟件推求明渠水面線在洪水預(yù)報(bào)、水利設(shè)計(jì)、洪水風(fēng)險(xiǎn)分析等領(lǐng)域應(yīng)用已十分普遍，如顧盼等[1]采用MIKE11一維水動力模型對鵝頭分叉型河道水面線及分流比進(jìn)行了研究；魏凱等[2]采用InfoWorks RS軟件模擬分析淮河中游魯臺子-淮南區(qū)間河段主要防洪斷面水位變化；張沖[3]運(yùn)用HEC-RAS軟件對蜂蜜河明巖水庫段天然條件下20年一遇水面線進(jìn)行計(jì)算。

基于HEC-RAS和MIKE11軟件推求明渠水面線的對比分析較多，如孫魯志[4]闡述了HEC-RAS和MIKE11模型原理，并對兩者水面線計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比；高清震[5]利用MIKE11和HEC-RAS模型計(jì)算英那河水面線，綜合考慮河道糙率、初始水位等水文參數(shù)分析了模型的敏感性特性；譚玲[6]采用HEC-RAS和MIKE11軟件對國外某水電站尾水渠水面線進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并對結(jié)果進(jìn)行對比分析。對于采用InfoWorks ICM與MIKE11、HEC-RAS軟件進(jìn)行水面線推求的對比研究較少，因此本文以城市內(nèi)河-黃孝河明渠為例，分別利用MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS軟件進(jìn)行了明渠恒定流模擬計(jì)算，并深入分析了模型計(jì)算成果的差異以及河道糙率對模型計(jì)算成果的影響。

2 模型原理

2.1 MIKE11計(jì)算原理

MIKE是由丹麥水利研究院(DHI)開發(fā)的系列軟件，包括MIKE11、MIKE21、MIKE3、MIKE FLOOD、MIKEURBAN等。其中，MIKE11主要應(yīng)用于河口、河道、河網(wǎng)的水流、水質(zhì)、泥沙輸移等一維水動力水質(zhì)模擬，在水利設(shè)計(jì)、洪水預(yù)報(bào)、水系規(guī)劃、防洪影響分析等領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。MIKE11利用Abott-Ionescu六點(diǎn)隱式差分格式求解圣維南方程組，控制方程如下：

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

式(1)、(2)中：x為距離；t為時(shí)間；A為過水?dāng)嗝婷娣e；h為水位；Q為流量；q為旁側(cè)入流；g為重力加速度；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑。

2.2 InfoWorks ICM計(jì)算原理

InfoWorks ICM是由華霖富水力研究有限公司(HR Wallingford Ltd)開發(fā)的綜合流域排水模型系統(tǒng)(綜合CS、RS為一體的模型系統(tǒng))，包括水文產(chǎn)匯流模型、一維排水管網(wǎng)模型、一維河道模型、二維地面洪水演進(jìn)模型、水質(zhì)模型等。其中，一維河道模型利用Preissmann(普列斯曼)四點(diǎn)隱式差分格式求解圣維南方程組，控制方程如下：

連續(xù)性方程：

(3)

動量方程：

(4)

2.3 HEC-RAS計(jì)算原理

HEC-RAS是由美國工程兵團(tuán)水文工程中心編制的河道分析系統(tǒng)軟件。本軟件支持一維恒定流、非恒定流計(jì)算，并可對橋、涵、堰、壩、堤等涉水建筑物進(jìn)行模擬，在水利設(shè)計(jì)、涉水橋梁等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。HEC-RAS適用于河道一維恒定流和非恒定流計(jì)算，功能強(qiáng)大，在國內(nèi)外天然/人造河道水面線計(jì)算中應(yīng)用廣泛[7]。

恒定流水面線計(jì)算基于一維能量方程，計(jì)算公式如下：

(5)

式(5)中：Z2、Z1為主河床高程；Y2、Y1為斷面水深；V2、V1為斷面平均流速；α2、α1為流速分布不均勻系數(shù)；he為水頭損失；g為重力加速度。

3 案例應(yīng)用

3.1 工程概況

黃孝河位于武漢市江岸區(qū)，起于江漢區(qū)青年路，止于末端張公堤南側(cè)后湖泵站攔污柵前，全長10.4 km。其中箱涵段起于江漢區(qū)青年路，止于京廣鐵路橋以北100 m處，長5.0 km，坡度范圍為2‰～5；明渠段起于京廣鐵路以北100 m處，止于末端張公堤南側(cè)后湖泵站攔污柵前，長5.4 km，坡度2。

黃孝河明渠部分箱涵橋過水能力有限，防洪能力不足。在50年一遇24 h設(shè)計(jì)降雨條件下，后湖大道、建設(shè)大道延長線、井南路段處等存在河道漫堤風(fēng)險(xiǎn)。為有效解決黃孝河流域內(nèi)澇問題，將黃孝河明渠斷面由30 m拓寬至60～80 m。本次研究對象為黃孝河明渠拓寬后樁號為K0+000～K4+600的明渠段。

3.2 參數(shù)設(shè)置

邊界條件：黃孝河明渠入口給定恒定流量分別為20 m3/s和50 m3/s。下游邊界給定實(shí)測水面坡降，軟件會自動計(jì)算該斷面處水位流量關(guān)系曲線作為下邊界條件。

糙率n：根據(jù)水力學(xué)手冊及實(shí)地考察調(diào)研，確定黃孝河明渠糙率取值范圍為0.025～0.035。

4 計(jì)算成果及對比分析

4.1 水面線計(jì)算成果對比分析

采用MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS軟件計(jì)算黃孝河明渠在恒定流(Q=20 m3/s和Q=50 m3/s)工況下的水面線，以糙率取值0.030為例，水面線計(jì)算成果如表1和圖1。

由表1和圖1可知，HEC-RAS計(jì)算水面線成果最大，InInfoWorks ICM次之，MIKE11最小，且HEC-RAS和InInfoWorks ICM計(jì)算成果較為接近。與Q=50 m3/s工況計(jì)算成果相比，Q=20 m3/s工況條件下，MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS計(jì)算的水面線成果差距較小。

表1 恒定流工況水面線計(jì)算成果

圖1 MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS水面線計(jì)算成果對比

在Q=50 m3/s工況條件下，HEC-RAS與MIKE11水面線計(jì)算差值范圍為0～0.1，與InfoWorks ICM水面線計(jì)算差值范圍為0～0.02，InfoWorks ICM與MIKE11水面線計(jì)算差值范圍為0～0.08。

在Q=20 m3/s工況條件下，HEC-RAS與MIKE11水面線計(jì)算差值范圍為0～0.07，與InfoWorks ICM水面線計(jì)算差值范圍為0～0.02，InfoWorks ICM與MIKE11水面線計(jì)算差值范圍為0～0.05。

4.2 模型參數(shù)敏感性分析

影響模型水面線計(jì)算成果因素較多，其中河道糙率是較為重要的影響參數(shù)。模型參數(shù)敏感性分析方法為固定所有非分析參數(shù)值，分析水面線計(jì)算成果隨河道糙率值變幅的規(guī)律。以Q=50 m3/s計(jì)算工況為例，糙率值變幅依次為0、20%和40%，如表2所示。

表2 模型參數(shù)

采用MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS軟件計(jì)算糙率取值分別為0.025、0.030和0.035時(shí)的明渠水面線，其他參數(shù)條件保持不變，分析各斷面水位變幅，具體結(jié)果見表3。

表3 Q=50 m3/s工況條件下，水位對糙率的敏感性分析

由表3可知，在糙率變幅相同時(shí)，HEC-RAS模型水位變幅與InfoWorks ICM模型幾乎相同，且較MIKE11模型水位變幅略大。因此，HEC-RAS和InfoWorks ICM模型水位對糙率的敏感性較MIKE11更強(qiáng)。

5 結(jié)論

(1)相同計(jì)算工況條件下，HEC-RAS計(jì)算水面線成果最大，InfoWorks ICM次之，MIKE11最小，且HEC-RAS和InInfoWorks ICM計(jì)算成果較為接近。

(2)恒定流工況條件下，來流量越小，MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS計(jì)算水面線成果差距也越小。

(3)MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS三者相比，HEC-RAS和InfoWorks ICM模型水位對糙率的敏感性更強(qiáng)。

MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS水動力學(xué)模型在國內(nèi)水利規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用已較為成熟，但在具體工程項(xiàng)目中，應(yīng)結(jié)合河道的實(shí)際情況，合理選擇適用的模型進(jìn)行水面線計(jì)算，以工程偏安全角度對模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評估。