1 前言
本文主要说明案例中水库下游区域HEC-RAS二维建模的过程。文章首先给出建模的基本原则与建模的注意事项,确定了大致的研究区域。其次,整个下游洪水演进区域由单一二维模型模拟,下游存在一条较大的城市内河,沿河堤线对网格调整加密重生成。HEC-RAS2D建模功能较为丰富,本文远未穷尽全部功能,仅供参考
2 建模原则
建模的原则其实很简单,首先是针对研究区域分析,确认所有需水动力模拟的现实对象。之后抽象成概念模型,建构模拟对象间的水动力关系。最后基于模型能力对概念模型作技术化表达,落实到具体的水动力模型上。
2.1 模拟区域
研究区域是指单个二维网格区域覆盖的范围,本案例只设置单个二维网格区域,不讨论多二维网格区域的情况,当然原则类似。RAS把二维网格称为二维模型,以下如是。
二维模型研究区域的确定其实是求多个原则规定的区域的交集,以下为各原则说明:
- 水流可能运动区域。溃坝洪水也算明渠水流的一种,当然没那么“天然”。溃坝洪水体量大,演进极快,除了河道外会显著淹没两岸平原地带,还可能向上游回水。因此二维模型需要覆盖所有可能的洪水运动区域,包括左右两岸,上下游,支流和湖泊等。
- 研究目的区域。由于溃坝洪水演进范围极广(往往在市级及以上),实际项目中无论是原始数据还是研究需要往往都针对特定研究目的区域。比如我做的项目往往只关注一个市级行政区,洪水离开该市便无需考虑。又或者原始数据只包含演进过程中特定的区域。那么更大的区域也是无力模拟的。
- 实际下边界布置在边界误差扰动不会传播到研究区域下边界的足够远处。边界条件,尤其是河床底坡的边界条件,均会存在一定误差,进而向上游传播影响模拟结果。因此,应当将实际模型的下边界扩展至足够远处,保证误差传播至上游时对研究区域下边界不会存在明显影响。为确定扩展距离,可以设置多个不同扩展距离下边界的模型作不确定性分析,查看研究区域边界计算结果直至实际边界距离变化不再影响计算结果即可确定[1]。
上述3个原则只是基本性的原则,具体建模上还会因各种因素发生变化,但这些原则仍是重要的必要条件。
2.2 空间步长
空间步长即单个网格尺度。RAS网格虽然为非结构化网格,但可自定义的只有正交网格部分,作为整个二维模型的默认设置。RAS二维模型中不与边界接触的网格采用正交网格(正方形),与边界接触的网格为自动生成的不规则多边形(外围那一圈),最大8条边。有趣的是RAS验证文档中的溃坝模拟案例使用的正八边形网格[2],但正交网格效率最高,因此目前只开放正交网格自定义。
MIKE等模型中需要给二维模型作边界平滑,保证