MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS在明渠水面线计算中的应用对比研究

2021-10-16陈燕平霍培书汤丁丁

绿色科技 2021年18期

陈燕平，霍培书，汤丁丁，赵皇，周艳

(中建三局绿色产业投资有限公司，湖北武汉 430100)

1 引言

当前，利用MIKE11、InfoWorks RS和HEC-RAS等软件推求明渠水面线在洪水预报、水利设计、洪水风险分析等领域应用已十分普遍，如顾盼等[1]采用MIKE11一维水动力模型对鹅头分叉型河道水面线及分流比进行了研究；魏凯等[2]采用InfoWorks RS软件模拟分析淮河中游鲁台子-淮南区间河段主要防洪断面水位变化；张冲[3]运用HEC-RAS软件对蜂蜜河明岩水库段天然条件下20年一遇水面线进行计算。

基于HEC-RAS和MIKE11软件推求明渠水面线的对比分析较多，如孙鲁志[4]阐述了HEC-RAS和MIKE11模型原理，并对两者水面线计算结果进行了对比；高清震[5]利用MIKE11和HEC-RAS模型计算英那河水面线，综合考虑河道糙率、初始水位等水文参数分析了模型的敏感性特性；谭玲[6]采用HEC-RAS和MIKE11软件对国外某水电站尾水渠水面线进行数值模拟计算，并对结果进行对比分析。对于采用InfoWorks ICM与MIKE11、HEC-RAS软件进行水面线推求的对比研究较少，因此本文以城市内河-黄孝河明渠为例，分别利用MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS软件进行了明渠恒定流模拟计算，并深入分析了模型计算成果的差异以及河道糙率对模型计算成果的影响。

2 模型原理

2.1 MIKE11计算原理

MIKE是由丹麦水利研究院(DHI)开发的系列软件，包括MIKE11、MIKE21、MIKE3、MIKE FLOOD、MIKEURBAN等。其中，MIKE11主要应用于河口、河道、河网的水流、水质、泥沙输移等一维水动力水质模拟，在水利设计、洪水预报、水系规划、防洪影响分析等领域得到推广应用。MIKE11利用Abott-Ionescu六点隐式差分格式求解圣维南方程组，控制方程如下：

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

式(1)、(2)中：x为距离；t为时间；A为过水断面面积；h为水位；Q为流量；q为旁侧入流；g为重力加速度；C为谢才系数；R为水力半径。

2.2 InfoWorks ICM计算原理

InfoWorks ICM是由华霖富水力研究有限公司(HR Wallingford Ltd)开发的综合流域排水模型系统(综合CS、RS为一体的模型系统)，包括水文产汇流模型、一维排水管网模型、一维河道模型、二维地面洪水演进模型、水质模型等。其中，一维河道模型利用Preissmann(普列斯曼)四点隐式差分格式求解圣维南方程组，控制方程如下：

连续性方程：

(3)

动量方程：

(4)

2.3 HEC-RAS计算原理

HEC-RAS是由美国工程兵团水文工程中心编制的河道分析系统软件。本软件支持一维恒定流、非恒定流计算，并可对桥、涵、堰、坝、堤等涉水建筑物进行模拟，在水利设计、涉水桥梁等领域得到广泛应用。HEC-RAS适用于河道一维恒定流和非恒定流计算，功能强大，在国内外天然/人造河道水面线计算中应用广泛[7]。

恒定流水面线计算基于一维能量方程，计算公式如下：

(5)

式(5)中：Z2、Z1为主河床高程；Y2、Y1为断面水深；V2、V1为断面平均流速；α2、α1为流速分布不均匀系数；he为水头损失；g为重力加速度。

3 案例应用

3.1 工程概况

黄孝河位于武汉市江岸区，起于江汉区青年路，止于末端张公堤南侧后湖泵站拦污栅前，全长10.4 km。其中箱涵段起于江汉区青年路，止于京广铁路桥以北100 m处，长5.0 km，坡度范围为2‰～5；明渠段起于京广铁路以北100 m处，止于末端张公堤南侧后湖泵站拦污栅前，长5.4 km，坡度2。

黄孝河明渠部分箱涵桥过水能力有限，防洪能力不足。在50年一遇24 h设计降雨条件下，后湖大道、建设大道延长线、井南路段处等存在河道漫堤风险。为有效解决黄孝河流域内涝问题，将黄孝河明渠断面由30 m拓宽至60～80 m。本次研究对象为黄孝河明渠拓宽后桩号为K0+000～K4+600的明渠段。

3.2 参数设置

边界条件：黄孝河明渠入口给定恒定流量分别为20 m3/s和50 m3/s。下游边界给定实测水面坡降，软件会自动计算该断面处水位流量关系曲线作为下边界条件。

糙率n：根据水力学手册及实地考察调研，确定黄孝河明渠糙率取值范围为0.025～0.035。

4 计算成果及对比分析

4.1 水面线计算成果对比分析

采用MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS软件计算黄孝河明渠在恒定流(Q=20 m3/s和Q=50 m3/s)工况下的水面线，以糙率取值0.030为例，水面线计算成果如表1和图1。

由表1和图1可知，HEC-RAS计算水面线成果最大，InInfoWorks ICM次之，MIKE11最小，且HEC-RAS和InInfoWorks ICM计算成果较为接近。与Q=50 m3/s工况计算成果相比，Q=20 m3/s工况条件下，MIKE11、InfoWorks ICM和HEC-RAS计算的水面线成果差距较小。