河道防洪规划中水面线推算方法的应用

张丽媛，王赟

（盐城市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 盐城 224000）

1 区域概况

盐城滨海港工业园区位于黄海之滨，规划范围涉及滨海、响水两县，园区北至灌河、东至黄海、南至淮河入海水道、西至G228，总面积约596.31 km2，主要包含滨海港口、滨海港城和新滩、灌东两个产业区，海岸线长约80 km。

2 推算方法

2.1 计算模型

HEC-RAS模型为美国陆军工程兵团水文工程中心所开发的一维水动力软件，适用于推算河道、明渠一维（非）恒定流水面线，其模型见式（1）和（2）。HEC-RAS 模型求解时主要采用四点隐格式。

式中：ρ—河道水体密度；u—河道水体流速；f—质量力；P—水压力；v—水体粘滞系数；xi、xj、t—表示影响水位的水体流速、压力及时间等自变量。

MIKE11模型是当前较为领先的水动力模型，适用性广泛，模型具有较好的扩充性，对于沟渠、河流等水体模拟运算十分适用。该模型以Saint-Venant 方程组，即一维非恒定流方程组为理论基础，具体见式（3）和（4）。MIKE11模型求解时主要采用六点隐格式。

式中：B—水面宽；Q—流量；q—单位流程的侧向出流量；A—过水断面面积；Z—水位；g—重力加速度；C—谢才系数；R—过水断面的水力半径；其余参数含义同前。

2.2 模型误差

根据《水文情报预报规范》，河道洪水预报误差评定过程主要涉及河道水位、洪峰流量及洪水总量。为此，此文以河道水位误差相对值和纳什效率系数等指标评价模型的模拟误差，两个指标分别表示如下：

式中：δm—河道水位误差相对值；H实—河道断面水位实测值；H模—河道断面水位模拟值；Ns—纳什效率系数；H0i—河道第i断面水位实测值；Hci—河道第i断面水位模拟值；0—河道不同断面水位实测值均值；N—时间段数。

3 模拟结果分析

3.1 水面线及流速

对新滩产业区与港口河道概化后，应用HEC-RAS 模型和MIKE11水动力模型展开河道10年一遇洪水模拟，并进行水面线及水流流速计算。结果见表1和表2。显然，HEC-RAS模型所模拟的河道水位略低于MIKE11水动力模型所模拟的水位值。

表1 新滩产业区与港口河道10年一遇洪水水面线表

表2 新滩产业区与港口河道10年一遇洪水流速表

将HEC-RAS模型和MIKE11水动力模型所得到的水面线模拟结果与《新滩产业区河道治理工程实施方案》中的水位展开比较，可以得出10 年一遇水位误差相对值及纳什效率系数值，详见表3。根据表中结果，MIKE11模型所得到的纳什效率系数略高于HEC-RAS 模型，且河道水位误差相对值相对较小。故新滩片区河道水面线计算应选用MIKE11水动力模型，以得到较为可靠的模拟结果。

表3 HEC-RAS模型和MIKE11模型模拟结果误差表

3.2 参数灵敏度

模型参数变化对模拟结果的影响程度即为模型参数的灵敏度，在假定其余参数不变，通过改变其中1个参数，便能有效识别出该参数的灵敏度，进而反映并提升模拟结果的可靠度。新滩片区河道水面线推算过程中涉及参数多，结合对相关参考文献及类似工程经验的分析，河道初始水深对水面线推算结果的可靠性较为关键。故本文在新滩片区河道10年一遇设计洪水过程中，在保证其余水文参数不变的情况下，以初始水位参数展开灵敏度分析，即改变初始水位参数取值，识别相应参数的灵敏度。

3.2.1 分析方法

当前，应用较为广泛的局部灵敏度分析方法是摩尔斯分类筛选法，灵敏度判别因子取均值，公式如下：

式中：S—灵敏度判别因子；yi+1—模型第i+1次运行过程中控制断面实测水位；yi—模型第i 次运行过程中控制断面实测水位；Pi+1—模型第i+1次运算参数相对于率定后初始参数值的变动率；Pi—模型第i 次运算参数相对于率定后初始参数值的变动率；y0—模型初始控制断面实测水位；n—模型运行总次数。

根据（7）式所得到的灵敏度判断因子取值越大，意味着模型计算结果对于该参数的变化情况越敏感，参数对模拟结果的影响程度也越大。参照预报规范中灵敏度分级标准，将灵敏度划分成高灵敏、灵敏、中等灵敏、不灵敏等几个等级。

3.2.2 分析结果

在模型初始条件、边界条件及其余水文要素均不变的情况，改变河道初始水深，即将河道初始水深按照±10%、±20%、±30%等比例增减，同时计算河段沿程水位变化。根据河段沿程水位，进一步计算不同断面河道初始水位下的水位变幅。

对每个断面展开河道初始水深灵敏度计算，其中，M000断面当河道初始水深从4.91 m 分别增大10%、20%、30%时水位分别提高0 m、0 m 和0 m，应用摩尔斯筛选法可以计算出灵敏度值为1.12，对照灵敏度等级的划分，可以看出该河段主河槽初始水深属于高灵敏度参数。其余断面的处理完全一致，所得到的结果也基本相同，限于篇幅，此处从略。以上结果与笔者在计算前对参考文献及相关经验梳理后所得出的结论完全吻合，也验证了河道初始水深在水面线推算中的重要性。

4 结语

综上所述，文中采用MIKE11模型所得到的河道水面线计算成果和《新滩产业区河道治理工程实施方案》中所列成果具有较好的拟合性；在相同边界条件下，MIKE11模型对河道水面线及流速的模拟结果精度比HEC-RAS 模型略高。对初始水深水文参数灵敏度的分析表明，MIKE11模型所得出的河道水位模拟结果具有更高的灵敏度。结合文中分析结果，MIKE11模型对于糙率变化较大的河段水面线推算较为适用，而HECRAS 模型则适用于河床陡峭、冲刷较严重的河道，为保证防洪规划中水面线推算结果的准确可靠，必须结合规划河道实际，选择更为适用的计算模型。