基于MIKE11和HEC-RAS的模拟水面线比较及敏感性分析

高 彬，梁士奎，王兴伟

(华北水利水电大学，河南 郑州 450046)

0 引言

人工实时监测水位变化是一项费时费力的任务，但近年来，随着计算机技术和水文学数值模型的飞速发展，水文学研究得到了极大的推动，并取得了许多令人欣喜的成果[1]。在此背景下，对流域内水文气象信息资料缺乏地区，建立基于水动力与河床地形耦合作用的洪水演进数学模型是十分必要的。根据现有的研究成果和相关数据，本文考虑运用MIKE11和HEC-RAS模型对河流面线过程进行计算，并结合实测水位数据，对模型的水文参数和结果进行了一系列不同设计标准下的流量验证分析和计算。通过对河道比降、水文参数糙率和模型原理进行综合考虑，并对各要素的敏感性特征进行分析，最终选择了一种适用于淮河河段水面线计算的模型，并将其成功应用于实际工程中[2-3]。

1 研究方法

1.1 HEC-RAS模型原理

HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center RiverAnalysis System)是美国陆军工程兵团水文工程中心研发的一款软件，主要用于河流水资源领域的研究[4]。本文根据实际需要建立了一个二维水流模型并利用该模型对洪峰水位进行模拟，通过与实测结果比较证明本程序能够很好地反映出流域内水文情势、河床演变规律等信息。考虑到本次计算涉及到河道洪水过程，因此采用了Newton-Raphson迭代法，也就是非恒定流方法，以计算水面线。

动量方程：

(1)

(2)

式中，ρ—水体密度，m3/kg；u—流速m/s；f—质量力，m/s2；v—动力黏滞系数，Pa·s；Р—压力，Pa。

1.2 MIKE11模型原理

DHI公司在开发MIKE模型系列时，采用了非恒定流圣维南(Saint-Venant)方程组来构建MIKE11一维河网汇流模型[5]。

连续方程：

(3)

动量方程：

(4)

式中，A—河道过水面积，m；Q—流量，m3/s；t—时间，s；x—与水流方向一致的横向坐标；q—河道的侧向来流量，m3/s；g—重力加速度，m/s2；h—水位，m。

2 研究数据与模型

2.1 研究区概况

本次研究选择淮河流域踅孜镇到淮滨站河段，该区域人口密度大，农田密集，是淮河流域的重要防汛保护对象，该地域有踅孜站和淮滨站两水文站的实测数据。

2.2 数据来源与处理

2.2.1设计洪水推求

本次模拟采用水文比拟法推求设计洪水。研究河段为踅孜水文站到淮滨水文站之间的淮河河段，取踅孜水文站为入水口，此次选取1970—2020年50年实测洪峰流量系列，并将2020年洪峰流量作为50年一遇特大值处理，进行频率计算，经P-Ⅲ型曲线适线得到该站的设计洪水，设计洪水见表1。

表1 设计洪水流量 单位：m3/s

2.2.2水位-流量关系

取淮滨河水文站为研究河段出水口，出水口水位-流量关系采用实测结果。

2.3 模型参数设置

(1)断面数据

该河道处于平原，主要为居民区与农田。天然河道的横断面资料等地形资料，采用无人机航拍的形式获取，通过cad加载到软件中[6-7]。MIKE和HEC-RAS导入相同河道与断面形式，其中在HEC-RAS软件中建立河道断面模型。

(2)其他参数

根据HEC-RAS使用手册和野外实地考察情况，模型主要参数见表2[8]。

表2 模型参数表

3 成果对比分析

3.1 成果对比

模拟48h恒定流量下，初始水位为16m，出口断面采用水位流量关系的设计洪水，计算结果如图1所示。

图1 模拟工况水位、流速对比图

将水文站实测水位与2个模型的计算输出水位对比。通过计算获取20a、50a一遇水位的纳什效率系数NSE和平均绝对误差e，进行水位模拟精度分析，见表3。

表3 水位精度评价表

表3中，MIKE模型比HEC-RAS模型水位纳什效率系数的计算值偏大，显然对水面线推求MIKE模型精度高且误差比较小。在设计标准洪水位不同时，MIKE与HEC-RAS模型结果整体基本没有变化，但是后者结果整体低于前者。

以淮河流域整体为视角进行分析，两模型输出流速与水位计算结果基本一致，且MIKE流速计算与水位模拟精度均高于HEC-RAS模型。

3.2 参数敏感性

水面线计算采用HEC-RAS和MIKE模型时会涉及到很多因素，其中影响计算结果的重要参数是河道比降、和河道糙率。参数敏感度分析是指各参数的河面的影响程度在参数变化幅度相同的进行的分析。参数灵敏度越高，对水位影响越大。以设计洪水50年一遇为例，探讨上述两个模型对河道糙率和河道比降的敏感性，设定+50%、-50%、+20%、-20%、0为参数变化幅度，进行敏感性分析。模型参数设置见表4。

表4 敏感性参数变幅表

使用HEC-RAS和MIKE模型改变参数进行计算，将其中一个参数的设定的幅值进行改变，其他参数保持不变。这种方法依次确定每根桩的水位在不同幅度内，取其平均值作为水位计算结果的两个参数，河道比降和糙率对水位的敏感性分析见表5—6。

表5 糙率对水位敏感性分析

表6 河道比降对水位敏感性分析

在糙率变幅不变的情况下，HEC-RAS的水位变化要比MIKE低。因此，HEC-RAS模型对糙率参数的敏感性比MIKE要明显降低。对于河道比降参数，这两款模型在水面线的推求过程中均表现出了非敏感性，总体上并没有明显的改观。在河道比降变幅足够大的情况下，水面线推求结果经多次试验确定仍无明显变化。

4 结论

(1)在保持相同水文条件下，MIKE11的水位模拟结果和水面线推求精度比HEC-RAS模型更高，流速计算过程中MIKE11的最终输出结果更大。通过对比分析，我们发现MIKE模型对糙率参数更为敏感。对于河道比降参数，在水面线的推算上，发现任何模型都不敏感。实验证明，最终水位变化受河道比降影响较小，总体上没有太大变化。即使河道发生了很大的变化，水位也几乎不会改变。

(2)在不同的研究区域应根据实际情况选择不同的模型。MIKE11水动力模型适用于河流糙度变化较大的河段，HEC-RAS模型适用于河床侵蚀速度快、坡度陡的河道。重点河流规划工程要结合当地实际，分别建立MIKE11水动力模型和HEC-RAS模型计算水面线，并从工程安全角度进行选择。

(3)HEC-RAS模型可以设置一个断面内不同行洪区的糙率，而MIKE11模型只能设置单个断面的综合糙率，综合糙率难以确定。如果模拟河段为典型的山区性河道，一个断面内往往存在较顺直的河槽与糙率较大的滩地山区性河道，应用HEC-RAS模型较为精准；如果是典型平原断面河道，采用对糙率灵敏度更高的MIKE模型更合理。