HEC-RAS系列模型在洪水演進(jìn)模擬中的應(yīng)用研究

方園皓 張行南,2 夏達(dá)忠,2

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,南京 210098;2.河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心,南京 210098)

1 HEC-RAS系列模型介紹

1.1 HEC-RAS模型介紹

HEC-RAS(River Analysis System)模型是由美國(guó)陸軍工程師團(tuán)開(kāi)發(fā)的一款模型,其主要用于天然或人造的河網(wǎng)的一維水力學(xué)計(jì)算.其最初的版本是于1995年發(fā)布的1.0版本,最新的版本是于2010年發(fā)布的4.1版本.

HEC-RAS主要由以下4部分組成:恒定流水面線計(jì)算、非恒定流模擬、可動(dòng)邊界泥沙輸移計(jì)算、水質(zhì)分析.以上功能都是基于統(tǒng)一的河道資料以及計(jì)算流程,給河道的水力計(jì)算帶來(lái)很大的方便[1].本文主要利用HEC-RAS的非恒定流模擬功能進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬.

HEC-RAS的非恒定流模擬是基于連續(xù)方程和動(dòng)量方程的.其中連續(xù)方程為[2]

式中,ρ為流體密度;u為流速;下標(biāo)遵守愛(ài)因斯坦求和約定.

動(dòng)量方程為[2]

式中,f為質(zhì)量力;p為壓力;v為流體運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù).

為了對(duì)式(1)和(2)進(jìn)行求解,模型采用四點(diǎn)隱式差分的格式對(duì)其進(jìn)行離散.

1.2 HEC-GeoRAS模型介紹

利用HEC-RAS模型進(jìn)行非恒定流演算需要一系列的研究區(qū)域的集合資料,包括河道的走向、主槽的位置、斷面的分布等.這些幾何資料可以通過(guò)HEC-GeoRAS來(lái)方便地建立.

HEC-GeoRAS是一款基于GIS的擴(kuò)展模塊,作為HEC-RAS的數(shù)據(jù)接口,其可以對(duì)輸入的研究區(qū)域的數(shù)字地面模型(DTM)以及遙感信息等對(duì)下墊面進(jìn)行處理,概化得到利用HEC-RAS進(jìn)行非恒定流模擬需要河網(wǎng)的幾何資料.HEC-GeoRAS最早是基于ArcView 3.2的版本,最新的版本是基于ArcGIS的4.2版本.

HEC-GeoRAS能夠概化的圖層包括:河流中心線圖層、斷面線圖層、主槽線圖層、水流路徑線圖層、土地利用圖層、堤線圖層、橋梁涵洞圖層、無(wú)效水流區(qū)圖層等,各圖層的作用見(jiàn)表1.在模擬中可以根據(jù)研究區(qū)域的不同選擇不同的圖層進(jìn)行概化,但一般都需要概化河流中心線、斷面線、主槽線、水流路徑線.

表1 HEC-GeoRAS模型中圖層作用

2 洪水演進(jìn)模擬方案構(gòu)建

2.1 研究區(qū)域下墊面概化

在構(gòu)建洪水演進(jìn)模擬方案前需要對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行分析,確定需要概化的圖層.圖1是利用HECGeoRAS概化河網(wǎng)幾何資料的流程圖.

圖1 HEC-GeoRAS概化流程圖

概化不同的圖層的步驟都是類(lèi)似的.首先導(dǎo)入地形、遙感資料,由于后續(xù)需要對(duì)概化的幾何資料進(jìn)行距離等屬性統(tǒng)計(jì),所以在導(dǎo)入資料之前必須對(duì)其進(jìn)行投影處理,保證其坐標(biāo)的單位為長(zhǎng)度單位.接下來(lái)可以進(jìn)行圖層要素的概化,如果需要概化的圖層要素已經(jīng)有相應(yīng)的矢量資料,則可將矢量資料投影處理后直接導(dǎo)入HEC-GeoRAS,否則需要根據(jù)DTM和遙感信息勾畫(huà)相應(yīng)圖層,概化完后需要根據(jù)圖層類(lèi)型對(duì)圖層要素賦予屬性,這里屬性分為兩種,一種需要人工給定,而另一種則可根據(jù)概化的要素自動(dòng)提取.對(duì)于河流中心線來(lái)講,河流名、河段名等屬性需要人工給定;而水流中心線的拓?fù)潢P(guān)系、起點(diǎn)距、高程等屬性則可以根據(jù)概化的結(jié)果由模型自動(dòng)提取,圖 2為對(duì)Baxter水流中心線的概化,同時(shí)對(duì)概化的一條水流中心線人工賦予屬性,其河流名為T(mén)ule Creek、河段名為T(mén)ributary.

圖2 HEC-GeoRAS概化示意圖

對(duì)所有需要概化的圖層重復(fù)以上步驟,在概化完后可以將概化的結(jié)果導(dǎo)入HEC-RAS進(jìn)行模擬計(jì)算.圖3為導(dǎo)入HEC-RAS后的Baxter的幾何資料.由于斷面是一維非恒定流演算的基礎(chǔ),對(duì)河網(wǎng)的概化最終都能在斷面上得到體現(xiàn).因此在所有圖層都概化完后需要對(duì)最終概化的斷面結(jié)果進(jìn)行檢查,檢查概化結(jié)果是否與實(shí)際情況相符合.如果概化結(jié)果較差則需要對(duì)相應(yīng)圖層進(jìn)行重新概化,如果概化的結(jié)果較好則可以利用此幾何資料進(jìn)行非恒定流演進(jìn)模擬.

圖3 HEC-RAS幾何資料查詢界面

2.2 邊界與初始條件設(shè)置

設(shè)定完幾何資料之后就可以對(duì)模擬過(guò)程的邊界條件與初始條件進(jìn)行設(shè)定,圖4為邊界條件與初始條件設(shè)定的界面,HEC-RAS會(huì)根據(jù)之前設(shè)定的幾何資料自動(dòng)判斷需要設(shè)置邊界條件的節(jié)點(diǎn),如圖4(a)所示,選擇不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)置其邊界條件,根據(jù)節(jié)點(diǎn)的不同可以設(shè)置不同類(lèi)型的邊界條件,如果節(jié)點(diǎn)為上邊界,則其邊界條件可以設(shè)置為流量邊界條件、水位邊界條件、水位流量關(guān)系邊界條件等;而如果節(jié)點(diǎn)為下邊界,則其邊界條件除了上邊界條件的3種外還有正常水深等.圖4(b)為邊界條件數(shù)據(jù)錄入界面,在這里可以導(dǎo)入資料并且設(shè)置資料的開(kāi)始時(shí)間、時(shí)間步長(zhǎng)等.除了邊界條件外,模型還需要給定初始條件,同邊界條件相同,HEC-RAS會(huì)根據(jù)之前設(shè)定的幾何資料自動(dòng)判斷需要設(shè)置初始條件的斷面,除了這些斷面外,還可以人工給定別的需要設(shè)置初始條件的斷面.初始條件一般給定斷面的初始流量,模型會(huì)在開(kāi)始模擬之前自動(dòng)進(jìn)行恒定流模擬自動(dòng)計(jì)算出相應(yīng)的初始水位.

圖4 HEC-RAS邊界條件與初始條件設(shè)置界面

2.3 演進(jìn)模擬

設(shè)置完邊界與初始條件后就可以設(shè)定HECRAS模擬的相關(guān)參數(shù)以便模型進(jìn)行模擬計(jì)算,圖5為模擬參數(shù)設(shè)置界面,在(a)中可設(shè)置各斷面的糙率值,在(b)中可設(shè)置模擬的起訖時(shí)間以及計(jì)算、結(jié)果輸出的時(shí)間步長(zhǎng);在(c)中可設(shè)置四點(diǎn)隱式差分的參數(shù)θ以及迭代的次數(shù)、允許誤差等.

圖5 HEC-RAS模擬參數(shù)設(shè)置界面

點(diǎn)擊計(jì)算后模型即可根據(jù)設(shè)定好的幾何資料、邊界與初始條件進(jìn)行非恒定流的演進(jìn)模擬.模擬完成后模型可以提供多種方式的結(jié)果查看,圖6(a)～(d)表示的分別是模擬時(shí)段內(nèi)的斷面水面線、斷面水位流量關(guān)系曲線、河段縱剖面水面線以及水位流量過(guò)程線.

圖6 HEC-RAS結(jié)果查看界面

3 應(yīng)用實(shí)例

南四湖由南陽(yáng)、昭陽(yáng)、獨(dú)山、微山等4個(gè)湖泊組成,1958年興建的二級(jí)壩樞紐將南四湖分為上、下級(jí)湖.上級(jí)湖包括南陽(yáng)、獨(dú)山及部分昭陽(yáng)湖,流域面積27439km2;下級(jí)湖包括部分昭陽(yáng)湖及微山湖,流域面積3742km2[3].南四湖流域概化圖見(jiàn)圖7.由于南四湖湖內(nèi)有大量的魚(yú)塘和水生植物,這些區(qū)域的蓄水能力遠(yuǎn)大于行洪能力;而湖內(nèi)人工開(kāi)挖的主航道由于水深較大,有較高的行洪能力.圖8為南四湖下級(jí)湖的遙感圖像,從遙感圖中可以看出南四湖湖內(nèi)已被大量的魚(yú)塘及水生植物占據(jù),在行洪時(shí)已經(jīng)不具備湖泊的特征,洪水主要依靠在東岸人工開(kāi)挖的主航道來(lái)行洪,下級(jí)湖在行洪時(shí)具有一維河道的特征,因此本文采用HEC-RAS對(duì)下級(jí)湖的洪水演進(jìn)進(jìn)行模擬.

下級(jí)湖從二級(jí)壩至韓莊閘,其間有2條有控制站的區(qū)間入流,對(duì)于無(wú)控制站的區(qū)間入流在湖西與湖東分別設(shè)置兩條集中入流來(lái)模擬區(qū)間入流.利用HECGeoRAS對(duì)南四湖下級(jí)湖的河網(wǎng)幾何資料進(jìn)行概化,概化的圖層包括斷面線、水流路徑線、水流中心線、無(wú)效水流區(qū)域等.概化的示意圖如圖9所示,通過(guò)與湖內(nèi)的實(shí)測(cè)資料對(duì)比發(fā)現(xiàn)對(duì)下級(jí)湖的概化能反映南四湖下級(jí)湖的實(shí)際情況,因此將概化結(jié)果導(dǎo)入HECRAS進(jìn)行演算.

圖9 下級(jí)湖河網(wǎng)幾何資料概化圖

根據(jù)對(duì)下級(jí)湖的概化得到下級(jí)湖的拓?fù)潢P(guān)系如圖10所示,其中韓莊閘的邊界條件選用水位邊界條件,其余節(jié)點(diǎn)的邊界條件選用流量邊界條件.分別選擇四場(chǎng)次洪進(jìn)行模擬,其中利用 20040828、20040812、20070818次洪水來(lái)率定模型的糙率,選擇的糙率為主槽0.09,漫灘0.11.利用20050921次洪水來(lái)驗(yàn)證率定的糙率.迭代的時(shí)間步長(zhǎng)為5min,最大迭代次數(shù)為30次,迭代允許誤差為0.006 m.由于下級(jí)湖內(nèi)水位站點(diǎn)較少,本文選擇微山站對(duì)模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,模擬結(jié)果見(jiàn)如11所示.

從模擬的結(jié)果來(lái)看,HEC-RAS對(duì)于南四湖下級(jí)湖是適用的,整個(gè)洪水過(guò)程線的模擬效果較好,四場(chǎng)洪水的誤差都控制在0.1m以內(nèi).

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了利用HEC-RAS進(jìn)行河網(wǎng)水力計(jì)算的原理與流程,以及利用HEC-GeoRAS構(gòu)建河網(wǎng)幾何資料的原理和流程.并且將HEC-RAS與HECGeoRAS應(yīng)用于南四湖下級(jí)湖,利用模型對(duì)4場(chǎng)洪水進(jìn)行模擬.模擬的總體效果較好,根據(jù)模擬的結(jié)果來(lái)看模型對(duì)于南四湖下級(jí)湖是適用的;對(duì)于存在的誤差可能由于對(duì)于下級(jí)湖的概化沒(méi)有完全反應(yīng)下級(jí)湖的實(shí)際情況,需要進(jìn)一步對(duì)下級(jí)湖內(nèi)湖水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析以取得更好的模擬效果.

[1] 陳建峰,楊國(guó)麗,王 穎.ArcView GIS耦合HEC-RAS模型的應(yīng)用研究[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2009(2): 5-7.

[2] 陳建峰,王 穎,李 洋.HEC-RAS模型在洪水模擬中的應(yīng)用[J].東北水利水電,2006(11):12-13,42,71.

[3] 水利部淮委沂沭泗水利管理局.淮河流域沂沭泗水系實(shí)用水文預(yù)報(bào)方案(上)[M].徐州:水利部淮委沂沭泗水利管理局,2001:296.