基于MIKE11(HD)的农用灌排水非恒定流算例分析

牛瑶瑶

(盘锦市水利勘测设计有限公司，辽宁 盘锦 124010)

随着计算机信息技术的迅猛发展，以及人们对农用灌排水系网模拟分析要求的不断提高，可视化理论及相关算法应运而生，而各式各样的流水模拟软件系统更是为环境模拟及河流水动力方案制定等提供了高可靠、高精准的技术支持。

各国学者在很早就对非恒定流理论展开了广泛且深入地探索与研究，并针对恒定流状态的适用性问题进行了全面分析。通过以下2种计算方法的优缺点直观对比后发现，如果采用恒定流方程式计算水面线，步长选择会对成果精准性产生很大影响，而且在现实操作中很难掌控。如果采用非恒定流方程组推导水面线，可对恒定流状态的整个演进过程进行完整描述。尽管第二种算法的运算量很大，但能为计算成果提供更多有效信息，最关键的是能从根本上保持可靠的稳定状态。因为斗沟末端、研究区支沟的水流全部汇入干沟，所以斗沟、支沟的水位会直接受汇流区影响，而且流水运动情况较为复杂，在此情况下，如果采用恒定流理论进行求值计算，一般很难获取精准、可靠的成果。但非恒定流模型却能凭借独有的概化流水优势妥善解决该问题。因此，在本研究中，为进一步验证非恒定流理论在小型农田排水工程应用中的可靠性，笔者采用了当前备受业界人士推崇的MIKE11水动力学模型(HD)作为计算平台。

1 计算平台MIKE11水动力(HD)模型

水动力学模型(HD)是MIKE11最重要的一个组成部分，它依托非恒定流理论设计而成。在对HD模型的运行机制进行深入分析后发现，它引入了专业的追赶解析法和6点Abbott-lonescu格式离散圣维南方程组，其计算格式具体如图1所示。整体来看，该方法先对水系网进行离散处理，使其成为更容易计算的交替网络，之后再按照既定顺序对各节点的过流量(Q点)及水位(h点)进行交替计算，其计算过程具体如图2所示。

图1 基于Abbott-lonescu格式的6点计算

图2 Abbott格式过流量点与水位点交替布设

对每一h点解析连续性方程，解析格式如图3所示。

图3 Abbott格式6点连续性解析方程

2 构建研究区MIKE11水动力学模型

案例MIKE11水动力学模型构建是一个复杂的过程，不仅要建立6个文件，还要将各文件涉及的相关数据进行有效汇总。模型的构建过程为：①建立水系网文件；②选取截面数据；③确定边界条件，建立相匹配文件；④参考计算成果，建立时间序列文件；⑤明确起始条件，建立参数文件；⑥确定计算时间步长，建立模拟文件。其构建流程具体如图4所示。

图4 基于MIKE11的一维水系建模流程

利用建好的6个文件对水系网进行一维概化，由此便可对河道洪水情况进行全程模拟，从而为计算成果提供可靠且有效的数据支持。

2.1 数字水系网

将已扫描完成的水系网底图导入MIKE11水系网编辑页面中，各河段则选用水系网文件编辑器进行定义，再将河段信息(包括长度、河道部位等)完整地导入模型中，以生成所需的数字水系网，具体如图5所示。其中R1用来描述干沟，F1～F12分别用来描述12条支沟，Z1～Z4用来描述4条斗沟。

图5 数字水系网

2.2 河道截面

把截面计算成果精准无误地导入截面文件编辑器中，参考地形高度，再将河道的截面x、z数据导入其中，由此完成截面文件构建操作。需依据现场地形及河道长度确定各河道的截面间距。生成的截面文件如图6所示。研究区干沟总共细分为35个截面，支沟、斗沟截面数量及间距均需要按照现场地形特点来确定。

2.3 时程序列

在本研究中，将案例雨量站搜集数据作为参考资料，同样按照传统方法确定河道底坡和边坡常数、规范排涝设计标准。因为研究区暴雨覆盖面积高达4.02km2，根据现行规范需参考案例区域洪峰过流量经验公式计算出洪水过程线(案例区域水文总站，1977年)，关于案例区域概化洪长过程比值更多详情可见表1，Qi/Qp为洪峰过流量比率，Ti/τ为汇流时长比率。

表1 案例区域综合概化洪长过程比值

根据规范要求，直接推导出河道洪峰过流量：

(1)

式中，C1—与P相关的参数，翻阅规范后得知，C1在P=20%时取值0.056；Qp—P设计频率所形成的洪峰过流量，m3/s；H24p—24h设计暴雨量，本文取值153.05mm；F—汇水面积，km2；θ—地理要素。

图6 截面文件

(2)

式中，J—河道坡降；L—河道长度。

可直接推导出河道流水的汇流时间：

(3)

式中，K—汇流常数，翻阅规范后得知，它与θ相关；Qp—设计频率为P时形成的洪峰过流量，m3/s；其他变量含义同前。

根据表1计算出研究区各河道的洪峰过流量过程线，由此生成的成果具体可见表2—4，q基指的是7d以内洪水基流模数，取值0.07(s·m3)/km2，所以Q基=q基×F。

表2 干沟洪峰状态过流量

表3 支沟8洪峰状态过流量

表4 斗沟3洪峰状态过流量

写入起始时间，然后分别确定干沟、支沟和斗沟的模拟类型，其中前者选用水位和过流量模型，而后二者选用过流量模型。将通过计算获得的河道洪峰过流量过程线有序输入以构建时间序列文件。干沟时间序列文件具体如图7所示，同理，利用此方法可生成其他河道的文件。

2.4 边界参数

(1)内、外边界条件。支沟、干沟、斗沟均通过Open状态进行边界表达，并设定为inflow边界类型。

(2)河床糙率及起始水位。将起始过流量设置为0，可达到理想收敛效果；为保证模型顺利完成计算，需根据河床高度设定起始水位。在本研究中，起始水位为起算部位河床高度0.51m；由于糙率取值是关乎计算成果是否精准的一个重要环节，因此，在本研究中要充分考虑河道实际情况，以确定出最理想的糙率值，最终取值0.03。

3 基于MIKE11水动力(HD)模型的算例成果

将上文构建的各类文件进行有效汇总，以10s为时间步长进行计算。按照传统算法逐一计算出起始水位、糙率常数和边坡值，并根据现场实际及非因为少数沟段存在很大坡降，在工程量限定的条件下，就难以防止冲刷现象的发生。所以土质河道的流动速率只有控制在0.4m/s

图7 干沟时程序列显示文件

表5 河道截面规格非恒定流计算

各沟段水位模拟情况如图8—10所示。其中，桩号用横坐标表示，高度用纵坐标表示，实线为最高水位线，虚线为最低水位线，单位均为m。

通过上述分析进一步了解到，经过起始试算沟深的多次优化，本工程的最高水位线均位于沟顶高度线以下，也就说明不存在漫顶危险，而且截面设计规格也达到了排洪要求。由于该地区对地下水位无特殊要求，因此河道无需排渍设计。通过非恒定流理论方法得知，河道水位较大，为便于后续施工，选取了比传统算法高的底宽值，经多次优化后确定了截面规格。

图9 支沟8截面设计(单位：m)

图10 斗沟3截面设计(单位：m)

4 结语

本研究对非恒定流理论的运行机制进行了深入探讨，并对它在小型农田排水工程应用中的可靠性进行了验证。经过模拟计算得知，通过起始试算沟深的的多次优化，本工程的最高水位线均位处沟顶高度线以下，也就说明不存在漫顶危险，而且截面设计规格也达到了排洪要求。流动速率核校成果表明，一些坡降较大的沟段存在着冲刷现象，河道汇流处流速相对缓慢，容易形成淤积，但其他河道流速均达到了不冲不淤的要求，进而证实了非恒定流理论截面设计的可靠性与有效性。