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书书书基于ＨＥＣ－ＲＡＳ和ＭＩＫＥ１１的山区天然河道水面线数值仿真陈雪冬１，邱勇１，周卫霞２，孔鲁志２，刘春云１（１．云南农业大学水利学院，云南昆明６５０２０１，２．昆明学院城建学院，云南昆明６５０２１４）摘要：阐述了ＨＥＣ－ＲＡＳ及ＭＩＫＥ１１软件的计算原理，并对２种软件数值仿真成果进行了对比分析。结果表明：采用ＨＥＣ－ＲＡＳ软件计算的水位成果相对ＭＩＫＥ１１软件计算的水位成果稍小；ＨＥＣ－ＲＡＳ软件计算的流速成果较ＭＩＫＥ１１软件计算的流速成果偏大。对不同软件的数值仿真成果分别与河工模型试验成果比较，发现仿真成果与试验成果的水位差值和流速差值沿程变化基本一致。在山区天然河道水面线推求时，结合工程实际选择计算软件，对河道规划设计具有一定的应用意义。关键词：ＨＥＣ－ＲＡＳ；ＭＩＫＥ１１；水面线；数值仿真；山区天然河道中图分类号：ＴＶ８５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１９２３５（２０１４）０３０１１６０３收稿日期：２０１３１２１７作者简介：陈雪冬，男，云南丽江人，主要从事工程水力学方向研究。０ 前言天然河道大致可以分为平原区天然河道与山区天然河道两大类，其水面线的推求也具有很大差异。推算平原天然河道水面线的软件较多，也易于推求计算；因山区天然河道坡降较陡，断面变化复杂，洪峰历时短，流态多为急流使得一般软件不适用于推求这类河道的水面线。对天然河道水面线推求计算往往与实际相去甚远，在理论不够完善而实际经验不够成熟的条件下，最好的解决方法就是通过河工模型试验来论证河道的水力特性。然而，由于资金、时间、场地或设备等条件的限制，难于对所有工程进行河工模型试验研究。与此同时，伴随着计算机和数值计算技术的快速发展，数值仿真的应用与研究越来越多，且已得到一定的成效。如ＨＥＣ－ＲＡＳ及ＭＩＫＥ１１软件就可以较好的仿真模拟山区天然河道水面线，达到规划设计的预期目的。１ 计算原理１１ ＨＥＣ软件ＨＥＣ是美国著名的水文工程中心（ＨｙｄｒｏｌｏｇｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｅｎｔｅｒ）开发的水文与水力软件，它包括ＨＥＣ－１（流域水文计算）、ＨＥＣ－２（河道水力计算）、ＨＥＣ－３（水库系统分析）、ＨＥＣ－４（水流随机生成模拟）、ＨＥＣ－５（水库／河道模拟）、ＨＥＣ－６（一维泥沙输移模拟）、ＨＥＣ－ＦＦＡ（Ｆｌｏｏｄ－ＦｌｏｗＦｒｅｑｕｅｎｃｙＰｒｏｇｒａｍ，洪水频率计算程序）、ＨＥＣ－ＲＡＳ（河道水力分析模型）、Ｃ－ＲｅｓＳｉｍ（水库系统模拟）等。ＨＥＣ－ＲＡＳ适用于河道一维恒定流和非恒定流的水力计算，其功能强大，可进行各种涉水建筑物（如桥梁、涵洞、防洪堤、堰、水库、块状阻水建筑物等）的水面线分析计算。ａ）恒定流水面线计算ＨＥＣ－ＲＡＳ软件能够对急流（Ｆｒ＞１）、缓流（Ｆｒ＜１）和临界流（Ｆｒ＝１）３种流态进行水面线计算。计算原理基于一维能量方程，逐断面采用直接布进法推求。其计算公式如下：能量方程：Ｚ２＝Ｚ１＋ｈｊ＋ｈｆ＋α１ｖ２１２ｇ－α２ｖ２２２ｇ（１）式中 ｚ１、ｚ２———下断面和上断面的水位高程；α１、α２———下断面和上断面的流速系数；ｖ１、ｖ２———下断面和上断面的流速；ｇ———重力加速度；ｈｊ、ｈｆ———上游断面和下游断面之间的局部水头损失和沿程水头损失。ｂ）非恒定流模拟非恒定流模拟基于连续性方程和动量方程，其计算公式如下：连续方程：ρｗｔ＋（ρｕｉ）ｘｉ＝０（２）动量方程：ｕｉｔ＋ｕｊｕｉｘｊ＝ｆｉ－ｐｘｉ＋ｖ２ｕｉｘｊｘｉ（３）式中 ρｗ———水的密度；ｕ———流速；ｘ———距离；ｆ———质量力；ｐ———压力；ｖ———流体运动黏性系数。１２ ＭＩＫＥ软件ＭＩＫＥ系列是由丹麦水利研究所开发的软件，由ＭＩＫＥ１１、ＭＩＫＥ２１、ＭＩＫＥＦＬＯＯＤ等几个部分组成。其中ＭＩＫＥ１１主要应用于模拟河口、河流、河网、灌溉系统的水流、水质、泥沙输运等一维问题。在一维非恒定流计算中其核心是水动力模型（ＤＨ），利用Ａｂｏｔｔ六点隐式格式求解一维河流非恒定流方程。其控制方程为：连续方程：Ａｔ＋Ｑｓ＝ｑ（４）６１１人民珠江 ２０１４年第３期·ＰＥＡＲＬＲＩＶＥＲ ｄｏｉ：１０３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１９２３５２０１４０３０３６能量方程：１ｇｕｔ＋ｓ｜Ｚ＋ｕ２２ｇ｜＋ｕ｜ｕ｜Ｃ２Ｒ＝０（５）式中 Ｚ、Ｑ、Ａ、ｕ和Ｒ———某一时刻ｔ及在某一空间Ｓ断面的水位、流量、过水断面面积、平均流速和水力半径；Ｃ———谢才系数；ｑ———单位河长旁侧入流。２ 应用实例本文以云南省某山区天然河道为研究对象，研究该河段控制断面通过设计流量时流速特性及水位特性。其里程桩号为２９＋３００～３２＋４００，全长３１ｋｍ。其中里程２９＋３００～３１＋２００，底坡变化较大，河床宽度接近８０ｍ，里程３１＋２００～３２＋４００，河床宽度自上游向下游逐渐变窄，最窄处不足７０ｍ，底坡变化不大。为便于比较，本次研究河段不考虑旁侧流量汇入及穿堤建筑物对水面线的影响。２１ 参数确定２１１ ＨＥＣ－ＲＡＳ软件时间步长：计算时间步长００５ｈ，输出时间步长为１ｈ。边界条件：上游入口处给定设计流量１６４０ｍ３／ｓ，正常水深情况下平均比降根据历史洪水成果取值为ｉ＝０５‰。河道糙率：综合糙率００２９７。２１２ ＭＩＫＥ１１时间步长：计算时间步长００５ｈ。边界条件：为了对比不同软件计算成果，上游边界采用ＨＥＣ－ＲＡＳ软件计算的上游水位，出口断面根据高古马水文站水文资料设定下游水位为１５２３８７６ｍ作为边界条件。断面迭代初始设置水深：６８ｍ。３ 计算成果及分析３１ 物模试验成果可靠性验证通过物理模型试验测得Ｑ＝１２７０ｍ３／ｓ情况下的河道水面高程，并与同流量条件下的历史洪痕进行比较，见表１。表１ Ｑ＝１２７０ｍ３／ｓ情况下的河道水面高程比较ｍ编号１２３４５里程２９＋３００３０＋７３５３０＋９５０３１＋３００３２＋４００实测高程（Ｑ＝１２７０ｍ３／ｓ）１５２４４６１１５２３７１６１５２３６０９１５２３４０７１５２３３７５９７记载洪痕高程１５２４４６２１５２３７１１１５２３６９８１５２３３９３１５２３２８６ 通过比较：两者吻合良好，最小仅相差０００１ｍ，说明河工模型试验结果真实可靠。３２ 计算成果该河段根据ＧＢ５０２８６—２０１３《堤防工程设计规范》规定的堤防工程级别划分方法，工程等级为４级，干流洪水标准按３０年一遇设计，其设计流量为１６４０ｍ３／ｓ。分别采用ＨＥＣ－ＲＡＳ及ＭＩＫＥ１１两种软件进行仿真模拟，并将计算成果与物理模型试验成果进行对比分析，所得情况见表２、３。 由表２可知，应用ＨＥＣ－ＲＡＳ软件计算的水位成果与模型试验成果最大水位差值为０３７２ｍ（差值＜０），平均为－０２０４ｍ，说明ＨＥＣ－ＲＡＳ计算的水位偏小；而ＭＩＫＥ１１软表２ 不同软件水位计算成果ｍ桩号河底高程Ｐ＝３３３％ＨＥＣ－ＲＡＳＭＩＫＥ１１物模试验与物模水位差值ＨＥＣ－ＲＡＳＭＩＫＥ１１２９＋３００００１５１５７９９１５２４９８５１５２４９８５１５２５２６５－０２８０－０２８０２９＋６００００１５１５５４０１５２４９７９１５２５２７３１５２５１６０－０１８１０１１３２９＋９００００１５１５０４３１５２４８９８１５２５２７０１５２５０５５－０１５７０２１５３０＋１００００１５１４７２４１５２４６３８１５２５０９５１５２５０１０－０３７２００８５３０＋４６５７０１５１５２５５１５２４６０５１５２５０８３１５２４８１５－０２１００２６８３０＋７３５００１５１６１９８１５２４５３７１５２５０４７１５２４７２４－０１８７０３２３３０＋９５０００１５１５５６２１５２４３６６１５２４７１８１５２４６２９－０２６３００８９３１＋２００００１５１５６９０１５２４１９５１５２４５０１１５２４３８４－０１８９０１１７３１＋４００００１５１５４４７１５２３９３７１５２４２３４１５２４０８９－０１５２０１４５３１＋６００００１５１５２２６１５２３８９９１５２４２２２１５２４０３０－０１３１０１９２３２＋０００００１５１５１８８１５２３９２１１５２４２５３１５２４１０５－０１８４０１４６３２＋４００００１５１５０７１１５２３７２４１５２３９６７１５２３８７６－０１５２００９１件与物模试验结果最大水位差值为０３２３ｍ（差值＞０），平均为０１２５ｍ，其计算的水位成果偏大。表３ 不同软件流速计算成果ｍ／ｓ桩号Ｐ＝３３３％ＨＥＣ－ＲＡＳＭＩＫＥ１１物模试验与物模流速差值ＨＥＣ－ＲＡＳＭＩＫＥ１１２９＋３００００２０３１９９８２１７－０１４－０１７２２９＋６００００２２８２０４２２７００１－０２３２９＋９００００２３５２２３２３２００３－００９３０＋１００００２８９２７３２７６０１３－００３３０＋４６５７０３２５３０４３１９００６－０１５３０＋７３５００２９９２７７２８４０１５－００７３０＋９５０００２７１２６２２７００１－００８３１＋２００００３２９２８８３０９０２－０２１３１＋４００００３４１３１４３３２００９－０１８３１＋６００００３３３３０８３２２０１１－０１４３２＋０００００３４７３１４３２１０２６－００７３２＋４００００３１６３０９３１２００４－００３ 由表３可知，使用ＨＥＣ－ＲＡＳ软件计算的流速与物模试验最大流速差值０２６ｍ／ｓ（差值＞０），平均为００７ｍ／ｓ，说明ＨＥＣ－ＲＡＳ计算的流速成果偏大；而ＭＩＫＥ１１软件计算的最大流速差值０２３ｍ／ｓ（差值＜０），平均为－０１２ｍ／ｓ，其流速成果偏小。总体而言，ＨＥＣ－ＲＡＳ软件和ＭＩＫＥ１１软件计算的水位成果、流速成果沿程变化趋势基本一致，但ＭＩＫＥ１１软件计算的水位高于ＨＥＣ－ＲＡＳ计算的水位，ＨＥＣ－ＲＡＳ计算的流速大于ＭＩＫＥ１１计算的流速。分析其原因是：①ＭＩＫＥ１１软件和ＨＥＣ－ＲＡＳ软件所定义的水力半径不同，ＭＩＫＥ１１软件采用阻力半径，对于沿程断面变化较大的山区天然河道，其精度更高；②由于计算方程不同，故其迭代求解的方式及求解的条件不同，ＭＩＫＥ１１软件采用六点隐格式，较ＨＥＣ－ＲＡＳ软件求解误差更小。４ 结语ＭＩＫＥ１１软件与ＨＥＣ－ＲＡＳ两种软件对测量资料的要求都较为严格，特别是在考虑河道建筑物对水面线的影响７１１时，需要建筑物详实的资料；在前处理方面，ＨＥＣ－ＲＡＳ软件首先需要在ＡｒｃＶｉｅｗＧＩＳ下，导入数字模型（ＤＥＭ）采用ＨＥＣ－ＧｅｏＲＡＳ进行前期处理，然后在ＤＥＭ中创建河道几何特性，而ＭＩＫＥ１１软件则不需要；在图形方面，ＭＩＫＥ１１需要根据地形资料，扫描纸图，生成ｂｍｐ文件，作为河网文件底图，ＨＥＣ－ＲＡＳ则无需此要求；在结果处理方面，ＭＩＫＥ１１软件较ＨＥＣ－ＲＡＳ软件简化，而ＨＥＣ－ＲＡＳ软件可以输出ｘ－ｙ－ｚ三维河道水面情况，使模拟结果更加直观。推求山区天然河道水面线，应根据工程实际情况选择计算软件。当水位对工程规模、淹没占地、投资等影响较大，建议采用ＭＩＫＥ１１软件进行推算；若河床抗冲流速对工程影响较大，建议用ＨＥＣ－ＲＡＳ软件进行计算。对于重点河道或河段，应兼顾水位和流速对工程的影响，可以分别采用ＨＥＣ－ＲＡＳ和ＭＩＫＥ１１软件进行推算，然后对其计算结果进行分析比较，有针对性的采用。参考文献：［１］ＧＢ５０２８６—２０１３堤防工程设计规范［Ｓ］［２］刘洋，孙晓英，王俊英，等ＨＥＣ－ＲＡＳ及ＳＯＢＥＫ－ＲＵＲＡＬ软件推算山区天然河道水面线［Ｊ］北京水务，２００８（６）：３３－３６［３］戴文洪，高嵩ＨＥＣ－ＲＡＳ和ＭＩＫＥ１１河床糙率应用比较研究［Ｊ］泥沙研究，２０１１（１