河道防洪規(guī)劃中水面線推算方法的應(yīng)用

張麗媛，王赟

（鹽城市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 鹽城 224000）

1 區(qū)域概況

鹽城濱海港工業(yè)園區(qū)位于黃海之濱，規(guī)劃范圍涉及濱海、響水兩縣，園區(qū)北至灌河、東至黃海、南至淮河入海水道、西至G228，總面積約596.31 km2，主要包含濱海港口、濱海港城和新灘、灌東兩個(gè)產(chǎn)業(yè)區(qū)，海岸線長約80 km。

2 推算方法

2.1 計(jì)算模型

HEC-RAS模型為美國陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心所開發(fā)的一維水動(dòng)力軟件，適用于推算河道、明渠一維（非）恒定流水面線，其模型見式（1）和（2）。HEC-RAS 模型求解時(shí)主要采用四點(diǎn)隱格式。

式中：ρ—河道水體密度；u—河道水體流速；f—質(zhì)量力；P—水壓力；v—水體粘滯系數(shù)；xi、xj、t—表示影響水位的水體流速、壓力及時(shí)間等自變量。

MIKE11模型是當(dāng)前較為領(lǐng)先的水動(dòng)力模型，適用性廣泛，模型具有較好的擴(kuò)充性，對于溝渠、河流等水體模擬運(yùn)算十分適用。該模型以Saint-Venant 方程組，即一維非恒定流方程組為理論基礎(chǔ)，具體見式（3）和（4）。MIKE11模型求解時(shí)主要采用六點(diǎn)隱格式。

式中：B—水面寬；Q—流量；q—單位流程的側(cè)向出流量；A—過水?dāng)嗝婷娣e；Z—水位；g—重力加速度；C—謝才系數(shù)；R—過水?dāng)嗝娴乃Π霃剑黄溆鄥?shù)含義同前。

2.2 模型誤差

根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》，河道洪水預(yù)報(bào)誤差評定過程主要涉及河道水位、洪峰流量及洪水總量。為此，此文以河道水位誤差相對值和納什效率系數(shù)等指標(biāo)評價(jià)模型的模擬誤差，兩個(gè)指標(biāo)分別表示如下：

式中：δm—河道水位誤差相對值；H實(shí)—河道斷面水位實(shí)測值；H模—河道斷面水位模擬值；Ns—納什效率系數(shù)；H0i—河道第i斷面水位實(shí)測值；Hci—河道第i斷面水位模擬值；0—河道不同斷面水位實(shí)測值均值；N—時(shí)間段數(shù)。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 水面線及流速

對新灘產(chǎn)業(yè)區(qū)與港口河道概化后，應(yīng)用HEC-RAS 模型和MIKE11水動(dòng)力模型展開河道10年一遇洪水模擬，并進(jìn)行水面線及水流流速計(jì)算。結(jié)果見表1和表2。顯然，HEC-RAS模型所模擬的河道水位略低于MIKE11水動(dòng)力模型所模擬的水位值。

表1 新灘產(chǎn)業(yè)區(qū)與港口河道10年一遇洪水水面線表

表2 新灘產(chǎn)業(yè)區(qū)與港口河道10年一遇洪水流速表

將HEC-RAS模型和MIKE11水動(dòng)力模型所得到的水面線模擬結(jié)果與《新灘產(chǎn)業(yè)區(qū)河道治理工程實(shí)施方案》中的水位展開比較，可以得出10 年一遇水位誤差相對值及納什效率系數(shù)值，詳見表3。根據(jù)表中結(jié)果，MIKE11模型所得到的納什效率系數(shù)略高于HEC-RAS 模型，且河道水位誤差相對值相對較小。故新灘片區(qū)河道水面線計(jì)算應(yīng)選用MIKE11水動(dòng)力模型，以得到較為可靠的模擬結(jié)果。

表3 HEC-RAS模型和MIKE11模型模擬結(jié)果誤差表

3.2 參數(shù)靈敏度

模型參數(shù)變化對模擬結(jié)果的影響程度即為模型參數(shù)的靈敏度，在假定其余參數(shù)不變，通過改變其中1個(gè)參數(shù)，便能有效識別出該參數(shù)的靈敏度，進(jìn)而反映并提升模擬結(jié)果的可靠度。新灘片區(qū)河道水面線推算過程中涉及參數(shù)多，結(jié)合對相關(guān)參考文獻(xiàn)及類似工程經(jīng)驗(yàn)的分析，河道初始水深對水面線推算結(jié)果的可靠性較為關(guān)鍵。故本文在新灘片區(qū)河道10年一遇設(shè)計(jì)洪水過程中，在保證其余水文參數(shù)不變的情況下，以初始水位參數(shù)展開靈敏度分析，即改變初始水位參數(shù)取值，識別相應(yīng)參數(shù)的靈敏度。

3.2.1 分析方法

當(dāng)前，應(yīng)用較為廣泛的局部靈敏度分析方法是摩爾斯分類篩選法，靈敏度判別因子取均值，公式如下：

式中：S—靈敏度判別因子；yi+1—模型第i+1次運(yùn)行過程中控制斷面實(shí)測水位；yi—模型第i 次運(yùn)行過程中控制斷面實(shí)測水位；Pi+1—模型第i+1次運(yùn)算參數(shù)相對于率定后初始參數(shù)值的變動(dòng)率；Pi—模型第i 次運(yùn)算參數(shù)相對于率定后初始參數(shù)值的變動(dòng)率；y0—模型初始控制斷面實(shí)測水位；n—模型運(yùn)行總次數(shù)。

根據(jù)（7）式所得到的靈敏度判斷因子取值越大，意味著模型計(jì)算結(jié)果對于該參數(shù)的變化情況越敏感，參數(shù)對模擬結(jié)果的影響程度也越大。參照預(yù)報(bào)規(guī)范中靈敏度分級標(biāo)準(zhǔn)，將靈敏度劃分成高靈敏、靈敏、中等靈敏、不靈敏等幾個(gè)等級。

3.2.2 分析結(jié)果

在模型初始條件、邊界條件及其余水文要素均不變的情況，改變河道初始水深，即將河道初始水深按照±10%、±20%、±30%等比例增減，同時(shí)計(jì)算河段沿程水位變化。根據(jù)河段沿程水位，進(jìn)一步計(jì)算不同斷面河道初始水位下的水位變幅。

對每個(gè)斷面展開河道初始水深靈敏度計(jì)算，其中，M000斷面當(dāng)河道初始水深從4.91 m 分別增大10%、20%、30%時(shí)水位分別提高0 m、0 m 和0 m，應(yīng)用摩爾斯篩選法可以計(jì)算出靈敏度值為1.12，對照靈敏度等級的劃分，可以看出該河段主河槽初始水深屬于高靈敏度參數(shù)。其余斷面的處理完全一致，所得到的結(jié)果也基本相同，限于篇幅，此處從略。以上結(jié)果與筆者在計(jì)算前對參考文獻(xiàn)及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)梳理后所得出的結(jié)論完全吻合，也驗(yàn)證了河道初始水深在水面線推算中的重要性。

4 結(jié)語

綜上所述，文中采用MIKE11模型所得到的河道水面線計(jì)算成果和《新灘產(chǎn)業(yè)區(qū)河道治理工程實(shí)施方案》中所列成果具有較好的擬合性；在相同邊界條件下，MIKE11模型對河道水面線及流速的模擬結(jié)果精度比HEC-RAS 模型略高。對初始水深水文參數(shù)靈敏度的分析表明，MIKE11模型所得出的河道水位模擬結(jié)果具有更高的靈敏度。結(jié)合文中分析結(jié)果，MIKE11模型對于糙率變化較大的河段水面線推算較為適用，而HECRAS 模型則適用于河床陡峭、沖刷較嚴(yán)重的河道，為保證防洪規(guī)劃中水面線推算結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，必須結(jié)合規(guī)劃河道實(shí)際，選擇更為適用的計(jì)算模型。