HEC-RAS系列模型在洪水演进模拟中的应用研究

方园皓 张行南,2 夏达忠,2

(1.河海大学水文水资源学院,南京 210098;2.河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心,南京 210098)

1 HEC-RAS系列模型介绍

1.1 HEC-RAS模型介绍

HEC-RAS(River Analysis System)模型是由美国陆军工程师团开发的一款模型,其主要用于天然或人造的河网的一维水力学计算.其最初的版本是于1995年发布的1.0版本,最新的版本是于2010年发布的4.1版本.

HEC-RAS主要由以下4部分组成:恒定流水面线计算、非恒定流模拟、可动边界泥沙输移计算、水质分析.以上功能都是基于统一的河道资料以及计算流程,给河道的水力计算带来很大的方便[1].本文主要利用HEC-RAS的非恒定流模拟功能进行洪水演进模拟.

HEC-RAS的非恒定流模拟是基于连续方程和动量方程的.其中连续方程为[2]

式中,ρ为流体密度;u为流速;下标遵守爱因斯坦求和约定.

动量方程为[2]

式中,f为质量力;p为压力;v为流体运动粘滞系数.

为了对式(1)和(2)进行求解,模型采用四点隐式差分的格式对其进行离散.

1.2 HEC-GeoRAS模型介绍

利用HEC-RAS模型进行非恒定流演算需要一系列的研究区域的集合资料,包括河道的走向、主槽的位置、断面的分布等.这些几何资料可以通过HEC-GeoRAS来方便地建立.

HEC-GeoRAS是一款基于GIS的扩展模块,作为HEC-RAS的数据接口,其可以对输入的研究区域的数字地面模型(DTM)以及遥感信息等对下垫面进行处理,概化得到利用HEC-RAS进行非恒定流模拟需要河网的几何资料.HEC-GeoRAS最早是基于ArcView 3.2的版本,最新的版本是基于ArcGIS的4.2版本.

HEC-GeoRAS能够概化的图层包括:河流中心线图层、断面线图层、主槽线图层、水流路径线图层、土地利用图层、堤线图层、桥梁涵洞图层、无效水流区图层等,各图层的作用见表1.在模拟中可以根据研究区域的不同选择不同的图层进行概化,但一般都需要概化河流中心线、断面线、主槽线、水流路径线.

表1 HEC-GeoRAS模型中图层作用

2 洪水演进模拟方案构建

2.1 研究区域下垫面概化

在构建洪水演进模拟方案前需要对研究区域进行分析,确定需要概化的图层.图1是利用HECGeoRAS概化河网几何资料的流程图.

图1 HEC-GeoRAS概化流程图

概化不同的图层的步骤都是类似的.首先导入地形、遥感资料,由于后续需要对概化的几何资料进行距离等属性统计,所以在导入资料之前必须对其进行投影处理,保证其坐标的单位为长度单位.接下来可以进行图层要素的概化,如果需要概化的图层要素已经有相应的矢量资料,则可将矢量资料投影处理后直接导入HEC-GeoRAS,否则需要根据DTM和遥感信息勾画相应图层,概化完后需要根据图层类型对图层要素赋予属性,这里属性分为两种,一种需要人工给定,而另一种则可根据概化的要素自动提取.对于河流中心线来讲,河流名、河段名等属性需要人工给定;而水流中心线的拓扑关系、起点距、高程等属性则可以根据概化的结果由模型自动提取,图 2为对Baxter水流中心线的概化,同时对概化的一条水流中心线人工赋予属性,其河流名为Tule Creek、河段名为Tributary.

图2 HEC-GeoRAS概化示意图

对所有需要概化的图层重复以上步骤,在概化完后可以将概化的结果导入HEC-RAS进行模拟计算.图3为导入HEC-RAS后的Baxter的几何资料.由于断面是一维非恒定流演算的基础,对河网的概化最终都能在断面上得到体现.因此在所有图层都概化完后需要对最终概化的断面结果进行检查,检查概化结果是否与实际情况相符合.如果概化结果较差则需要对相应图层进行重新概化,如果概化的结果较好则可以利用此几何资料进行非恒定流演进模拟.

图3 HEC-RAS几何资料查询界面

2.2 边界与初始条件设置

设定完几何资料之后就可以对模拟过程的边界条件与初始条件进行设定,图4为边界条件与初始条件设定的界面,HEC-RAS会根据之前设定的几何资料自动判断需要设置边界条件的节点,如图4(a)所示,选择不同的节点设置其边界条件,根据节点的不同可以设置不同类型的边界条件,如果节点为上边界,则其边界条件可以设置为流量边界条件、水位边界条件、水位流量关系边界条件等;而如果节点为下边界,则其边界条件除了上边界条件的3种外还有正常水深等.图4(b)为边界条件数据录入界面,在这里可以导入资料并且设置资料的开始时间、时间步长等.除了边界条件外,模型还需要给定初始条件,同边界条件相同,HEC-RAS会根据之前设定的几何资料自动判断需要设置初始条件的断面,除了这些断面外,还可以人工给定别的需要设置初始条件的断面.初始条件一般给定断面的初始流量,模型会在开始模拟之前自动进行恒定流模拟自动计算出相应的初始水位.

图4 HEC-RAS边界条件与初始条件设置界面

2.3 演进模拟

设置完边界与初始条件后就可以设定HECRAS模拟的相关参数以便模型进行模拟计算,图5为模拟参数设置界面,在(a)中可设置各断面的糙率值,在(b)中可设置模拟的起讫时间以及计算、结果输出的时间步长;在(c)中可设置四点隐式差分的参数θ以及迭代的次数、允许误差等.

图5 HEC-RAS模拟参数设置界面

点击计算后模型即可根据设定好的几何资料、边界与初始条件进行非恒定流的演进模拟.模拟完成后模型可以提供多种方式的结果查看,图6(a)～(d)表示的分别是模拟时段内的断面水面线、断面水位流量关系曲线、河段纵剖面水面线以及水位流量过程线.

图6 HEC-RAS结果查看界面

3 应用实例

南四湖由南阳、昭阳、独山、微山等4个湖泊组成,1958年兴建的二级坝枢纽将南四湖分为上、下级湖.上级湖包括南阳、独山及部分昭阳湖,流域面积27439km2;下级湖包括部分昭阳湖及微山湖,流域面积3742km2[3].南四湖流域概化图见图7.由于南四湖湖内有大量的鱼塘和水生植物,这些区域的蓄水能力远大于行洪能力;而湖内人工开挖的主航道由于水深较大,有较高的行洪能力.图8为南四湖下级湖的遥感图像,从遥感图中可以看出南四湖湖内已被大量的鱼塘及水生植物占据,在行洪时已经不具备湖泊的特征,洪水主要依靠在东岸人工开挖的主航道来行洪,下级湖在行洪时具有一维河道的特征,因此本文采用HEC-RAS对下级湖的洪水演进进行模拟.

下级湖从二级坝至韩庄闸,其间有2条有控制站的区间入流,对于无控制站的区间入流在湖西与湖东分别设置两条集中入流来模拟区间入流.利用HECGeoRAS对南四湖下级湖的河网几何资料进行概化,概化的图层包括断面线、水流路径线、水流中心线、无效水流区域等.概化的示意图如图9所示,通过与湖内的实测资料对比发现对下级湖的概化能反映南四湖下级湖的实际情况,因此将概化结果导入HECRAS进行演算.

图9 下级湖河网几何资料概化图

根据对下级湖的概化得到下级湖的拓扑关系如图10所示,其中韩庄闸的边界条件选用水位边界条件,其余节点的边界条件选用流量边界条件.分别选择四场次洪进行模拟,其中利用 20040828、20040812、20070818次洪水来率定模型的糙率,选择的糙率为主槽0.09,漫滩0.11.利用20050921次洪水来验证率定的糙率.迭代的时间步长为5min,最大迭代次数为30次,迭代允许误差为0.006 m.由于下级湖内水位站点较少,本文选择微山站对模拟的结果进行对比,模拟结果见如11所示.

从模拟的结果来看,HEC-RAS对于南四湖下级湖是适用的,整个洪水过程线的模拟效果较好,四场洪水的误差都控制在0.1m以内.

4 结 语

本文介绍了利用HEC-RAS进行河网水力计算的原理与流程,以及利用HEC-GeoRAS构建河网几何资料的原理和流程.并且将HEC-RAS与HECGeoRAS应用于南四湖下级湖,利用模型对4场洪水进行模拟.模拟的总体效果较好,根据模拟的结果来看模型对于南四湖下级湖是适用的;对于存在的误差可能由于对于下级湖的概化没有完全反应下级湖的实际情况,需要进一步对下级湖内湖水的运动规律进行分析以取得更好的模拟效果.

[1] 陈建峰,杨国丽,王 颖.ArcView GIS耦合HEC-RAS模型的应用研究[J].河北建筑工程学院学报,2009(2): 5-7.

[2] 陈建峰,王 颖,李 洋.HEC-RAS模型在洪水模拟中的应用[J].东北水利水电,2006(11):12-13,42,71.

[3] 水利部淮委沂沭泗水利管理局.淮河流域沂沭泗水系实用水文预报方案(上)[M].徐州:水利部淮委沂沭泗水利管理局,2001:296.