HEC-RAS 一、二维模型在水面线计算中的比较分析

2022-02-16粟毅明

水科学与工程技术 2022年6期

粟毅明

（西昌学院土木与水利工程学院，四川西昌 615000）

随着河道数值模拟技术的迅速发展，提高了水面线计算速度与准确性。如安莉莉［1］利用HEC-RAS与MIKE11对梯形断面河道的计算水位进行了对比分析，认为流量、糙率、坡度分别是单一变量时，小流量下HEC-RAS的计算水位高于MIKE11，大流量时HEC-RAS的计算水位低于MIKE11。蒋楠等［2］应用HEC-RAS和MIKE11模型对高安市锦江河段进行水面线计算，得出MIKE11水面线计算结果略高于HEC-RAS模型，认为模型糙率的敏感性不同是造成水面线结果差异的一个重要因素。于子铖等［3］以珲春市内河及其北支为例，应用MIKE21与HEC-RAS对现状河道与设计河道水面线进行推求，并对一维与二维水动力模型的适用性做出建议。陈雪冬等［4］应用HEC-RAS与MIKE11 两种软件数值仿真成果进行了对比分析，得出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。本文以成都市南河百花潭段为例，利用HEC-RAS分别建立了一维与二维河道水动力学模型，并对水面线的计算结果进行分析。

1 模型介绍

1.1 HEC-RAS一维数学模型

HEC-RAS在恒定流计算基于一维能量方程，如下形式：

式中 Z为水面高程（m）；α为动能修正系数；V为断面平均流速（m/s）；g为重力加速度（m/s2）；hθ为断面间的能量损失（m）；下标1，2分别代表下游断面和上游断面。

1.2 HEC-RAS二维数学模型

HEC-RAS二维水动力学模型中控制方程是基于Navier-Stokes方程沿水深平均的平面二维流动基本方程。

式中 H为水面高程（m）；h为水深（m）；V为流速（m/s）；q为单位河长的汇流量（m2/s）；g为重力加速度（m/s2）；v为水平方向运动黏度（m2/s）；R为水力半径（m）；Cf为底摩阻系数；f为柯氏系数；k为垂直单位矢量；n为糙率。

在HEC-RAS中二维模型网格为非结构化网格，采用上述方程组通过半隐式有限体积法计算求解。

2 模型建立

2.1 地形构建

本次采取成都市南河百花潭段实测地形图，全长2.2km，每100～200m测量1个横断面，共布置13个大断面。利用HEC-RAS每50m差值1个横断面，建立了一维模型XYZ图，再利用HEC-RAS将一维模型XYZ图生成二维DEM图，建立的一维模型XYZ图与二维模型DEM图如图1，图2。

图1 一维模型XYZ图

图2 二维模型DEM图

2.2 计算参数及边界条件

在一维与二维河道模型中，上游边界条件为流量边界，下游起始水位条件相同，模型糙率取值0.025。对于二维模型，本次模型网格步长dx为5m。

3 计算结果

利用HEC-RAS以不同流量300，400，600m3/s对该河段计算出水面线。二维模型取值横断面网格的平均水位高程。计算结果如表1，图3为二维模型计算成果。

表1 不同流量下的水面线计算成果

图3 不同流量下的二维模型水面线

4 结果分析

4.1 计算成果分析

由图4可知，一维模型普遍比二维模型计算的水位高，一维与二维模型的计算水位成果与里程变化趋势大体相同。对于Q=300m3/s工况下，一维与二维模型的差值在0～0.47m之间，Q=450m3/s工况下，一维与二维模型的差值在0～0.62m之间。对于Q=600m3/s工况下，一维与二维模型的差值在0～0.70m之间。模型差异较大处出现在模型上游边界范围附近。随着远离模型的上游边界，两者差值呈减小趋势。