寇爾丹

(沈陽市渾河管理中心，遼寧 沈陽 110011)

隨著計算機技術的發(fā)展，水力學模型逐漸發(fā)展起來，首先是一維模型的廣泛應用［1］。20世紀90年代以來，國際上又出現(xiàn)了不少成熟的平面二維水力學模型。丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)開發(fā)的平面二維數(shù)學模型MIKE21是其中應用較為廣泛的一款模型。該模型可用于湖泊、河口、海岸、河道的水力及其相關現(xiàn)象的平面二維模擬［2、3］。

目前在國內(nèi)對其研究也發(fā)展很快，郭鳳清運用MIKE21可對蓄洪區(qū)進行快速的洪水危險性預測［4］;魏凱等對洪水演進過程進行了二維模擬計算，可以得到最危險分洪方案下蓄滯洪區(qū)內(nèi)任一點的水深、流速、水淹沒要素［5］;梁云等在MIKE21的基礎上完成對洪澤湖水位過程的模擬［6］;該模型在橋梁的流場與壅水計算［7］、海洋及港口流場模擬［8］應用等方面，都獲得了較好的效果。

以遼寧省葫蘆島市興城河城市段修建的曲線跌水低堰的數(shù)值模擬計算為例，應用MIKE21模擬河道攔河建筑物在設計洪水工況下的水位及流場。根據(jù)疊水低堰的工程位置，選取修建位置上下游一定長度的河道作為模擬計算區(qū)域。計算河道范圍在北緯 40°35'42″～ 40°36'11″，東經(jīng) 120°44'27″～ 120°45'44″之間。

1 數(shù)據(jù)基礎

1.1 地形數(shù)據(jù)

計算地形數(shù)據(jù)采用河道帶狀地形圖(比例尺1∶1000)以及河道測量橫斷面數(shù)據(jù)(比例尺1∶200)。計算地理坐標系用通用的UTM地形投影，根據(jù)計算區(qū)域所在經(jīng)度，經(jīng)計算，研究區(qū)域所在UTM區(qū)號為51。坐標系為 WGS_1984_UTM_Zone_51N。地形高程、水位數(shù)據(jù)采用黃海高程系統(tǒng)(均以m為單位)。共有三處開邊界，分別為上游流量邊界、溫泉河支流流變邊界和下游水位(潮位)邊界。

從AutoCAD文件中提取高程點數(shù)據(jù)和河岸線數(shù)據(jù)，保存成xyz文件。同時，根據(jù)水工建筑物的設計尺寸，構造相應的地形數(shù)據(jù)。利用MIKE Zero的網(wǎng)格編輯工具生成網(wǎng)格文件(*.mesh)。因疊水低堰尺寸與河道寬度相比較小，網(wǎng)格需要進行局部加密處理。

為進一步減少計算網(wǎng)格數(shù)量，采用三角形、四邊形混合的網(wǎng)格方案。對曲線部分采用四邊形網(wǎng)格，其余部分采用三角形網(wǎng)格。三角形網(wǎng)格最大面積500m2，最小允許角度26°;四邊形長邊最大3m，沿水流方向0.3m。所得網(wǎng)格節(jié)點7541個，單元格11416個。對生成的網(wǎng)格多次平滑處理，避免出現(xiàn)扭曲較大的網(wǎng)格，提高網(wǎng)格質(zhì)量。

采用自然臨近差值法對網(wǎng)格點進行插值。差值后的網(wǎng)格數(shù)據(jù)見圖1。

對插值后的網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行檢查，通常在網(wǎng)格剖分過程中會出現(xiàn)局部不合理的網(wǎng)格，這是就要對插值后的網(wǎng)格數(shù)據(jù)進項修改，圖2列舉了不合理的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，及修改后的網(wǎng)格數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過修改，可以糾正不正確的網(wǎng)格劃分，精確計算結果。

圖1 插值后的網(wǎng)格圖

圖2 修改前、后的網(wǎng)格數(shù)據(jù)

1.2 水文數(shù)據(jù)

水文數(shù)據(jù)主要是為計算模型提供邊界條件。干流(興城河)與支流(溫泉河)遭遇洪水成果見表1。興城河干流流量過程采用上游興城水文站1969年實測洪水過程以面積比的方法、同倍比方法放大得到。

表1 興城河洪水成果表

計算區(qū)域?qū)俸涌诟谐倍?，河口水位直接受渤海潮汐影響，但河口處無潮位觀測站，故采用附近的葫蘆島海洋站潮位資料推求興城河河口的設計潮位。

表2 葫蘆島潮位站年設計高潮位分析成果表

2 模型建立

選擇水動力模型進行計算。模型范圍是指模擬的具體范圍，是通過網(wǎng)格文件定義的。在窗口導入已經(jīng)制作好的網(wǎng)格(*.mesh文件)，定義模型范圍。在模型范圍的窗口，還可以對模型的開邊界進行命名，便于之后的邊界條件輸入。

在該窗口指定模型計算的時段和時間步長，這里的時間步長不是實際計算時采用的步長，而是計算輸出時的時間間隔。文中計算時段為2014年3月1日0時至3月1日24時。計算的時間步長采用30s，之后再模型的試算中逐步調(diào)整時間步長，在滿足穩(wěn)定的前提下，采用較大的時間步長。

計算區(qū)域可能會出現(xiàn)干濕交替的情況，因此在這里需要將選擇干濕邊界，干水深取0.005m，淹沒水深取0.05m，濕水深取0.1m。在設置時，應注意濕深度﹥淹沒水深﹥干水深。當濕水深度取值很小的時候，可能會產(chǎn)生不合理的高流速，且會造成不穩(wěn)定的流態(tài)。

采用Manning數(shù)對河床的摩擦阻力進行設置，Manning數(shù)與平常熟知的糙率值互為倒數(shù)關系。文中模擬的范圍較小，科氏力的影響忽略不計。為了使模型能穩(wěn)定啟動，先試算模型穩(wěn)定后，將計算結果提取出來，制作成熱啟動文件，導入模型中，作為初始條件。Mike可以定義多個輸出文件，對于每個輸出的文件，都可以分別定義。

在MIKE21FM中可以輸出點時間序列文件(*.dfs0)、線時間序列文件(*.dfs1)、面時間序列文件(*.dfsu)3種類型的格式文件。

3 結果分析

從計算結果看，一維恒定流與MIKE21FM計算結果在上下游處較接近，其中，堰下水位出現(xiàn)差值，是由于二者計算方法的原因造成的，另外，堰下水流流態(tài)多為急流，不滿足恒定漸變流的計算要求，因此一維恒定流計算水位較MIKE21FM計算的結果高。

圖3 水位計算結果圖

堰下水位一維恒定流計算結果為5.83m，MIKE21FM計算結果為5.63m，水位差值－0.20m;堰上水位一維恒定流計算結果為6.08m，MIKE21FM計算結果為5.80m，水位差值－0.28m。主要由于一維恒定流采用的寬頂堰公式計算堰上水位，MIKE21FM將疊水概化處理后作為地形進行模擬計算，二者計算方法的差別造成計算結果出現(xiàn)偏差。同時，由結果也可看出，采用寬頂堰公式計算疊水低堰結果是偏大的。

根據(jù)興城河的不同洪水過程確定不同的計算方案。再取P=2%和P=5%進行恒定流計算。對于疊水低堰，假定下游水位最低最不利的情況的水力模擬計算。

分別采用上游洪水50年一遇(P=2%)和20年一遇(P=5%)頻率設計水位及流量對應下游同頻潮位，對該河段建建筑物進行模擬，模擬結果見下圖4。

從圖4可以看出，在50年一遇洪水情況下，水位由上游6.40m漸變到下游5.36m。在上游支流匯入?yún)^(qū)域，在同一斷面出現(xiàn)大約0.4m的水位差，其他位置水位變化均勻。

從在水深等值線圖上可以看出，在溫泉河匯流口上游及疊水低堰上游水深較大，主要是因地形變化導致的。疊水低堰在50年一遇洪水時，與上下游水位銜接順暢，水位落差不明顯，上游沒有明顯的壅水，下游也沒有明顯的水位下跌。

圖4 水位等值線圖

從表3中也可以看出，在50年一遇的洪水洪峰流量情況下，該疊水低堰壅水高度為0.17m，在20年一遇的洪水中，壅水高度0.10m。這主要是因為在設計洪水工況下，上游水位(5.80m)遠遠高于堰頂高程(1.50m)，這說明本文研究的疊水低堰在設計洪水情況下不會影響行洪。

圖5描述了研究河段的流場分布。從圖上可以看出在P=2%和P=5%兩個頻率的洪峰過程中，流速較大的位置在溫泉河匯合口與疊水低堰之間，流速最小的也都同一個位置，查看地形可以看出，流速最小的位置是地形突變，即有一處凸起，流速最大的位置使在地形凸起處的上游。

圖6分別描述了2個頻率下疊水低堰位置局部流場分布情況，兩個頻率下流速最大的位置均在堰頂，流速最小的位置在堰下。綜合河道流場分布可知，河道局部的突出上游流速會局部增大，在低洼處流速會比同斷面其他位置偏小，這與實際情況相符，Mike21能充分將河道中微小地形變化引起的流場變化反應出來。

表3 不同頻率下水面線計算成果

圖5 流場分布

圖6 局部流場分布

另外流場圖也說明，在設計水位及流量工況下，疊水低堰下游流速很低，不能作為設計下游消能的設計工況。

4 結論

采用MIKE21FM軟件對興城河上修建的曲線疊水低堰進行了數(shù)值模擬計算。模擬計算的結果與一維計算結果進行的比較表明，模擬結果與之基本吻合，能夠較好地反映模擬區(qū)的水位、流場分布情況。同時分析了一維模型與MIKE21FM模型計算結果存在差別的原因，筆者認為這也在一定程度上反映出所選的一維模型的局限性，建議在實際運用中，能夠根據(jù)計算條件的情況，靈活選擇適合的模型。

MIKE21FM模型模擬計算結果能夠較全面的反映研究區(qū)域的水位、流場情況，為水工建筑物的設計方案對比、建筑物布置等方面提供更直觀、詳細的數(shù)據(jù)支持。通過與已有成果的比較說明MIKE21FM計算結果是可靠的，是 可以在水利工程設計中發(fā)揮重要的作用。

［1］毛小英．河流一維水質(zhì)數(shù)值模型在入河排污口設置中的應用［J］．水利技術監(jiān)督，2013(05):19-22．

［2］MIKE 21 ＆ MIKE 3 FLOW MODEL FM Hydrodynamic and Transport Module Scientific Documentation．2009．

［3］MIKE 21 FLOW MODEL FMHydrodynamicModuleUser Guide．2009．

［4］郭鳳清，屈寒飛，曾輝，叢沛桐，耿欣．基于MIKE21的潛江蓄滯洪區(qū)洪水危險性快速預測［J］．自然災害學報，2013，22(03):144-152．

［5］魏凱，梁忠民，王軍．基于MIKE21的濛洼蓄滯洪區(qū)洪水演算模擬［J］．南水北調(diào)與水利科技．2013，11(06):16-19．

［6］梁云，殷峻暹，祝雪萍，黃曉敏．Mike21水動力學模型在洪澤湖水位模擬中的應用［J］．水電能源科學，2013，31(01):135-138．

［7］包偉斌．Mike21水動力數(shù)學模型在橋梁工程中流場模擬中的應用［J］．華東科技(學術版)，2014(04):238-239．

［8］安永寧，楊鯤，王瑩，李晶．Mike21模型在海洋工程研究中的應用［J］．海岸工程，2013，32(03):1-10．