基于MIKE21的異型堰模型分析

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象的平面二維模擬［2、3］。

目前在國內對其研究也發(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 120°44'27″～ 120°45'44″之間。

1 數據基礎

1.1 地形數據

計算地形數據采用河道帶狀地形圖(比例尺1∶1000)以及河道測量橫斷面數據(比例尺1∶200)。計算地理坐標系用通用的UTM地形投影，根據計算區(qū)域所在經度，經計算，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、水位數據采用黃海高程系統(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據和河岸線數據，保存成xyz文件。同時，根據水工建筑物的設計尺寸，構造相應的地形數據。利用MIKE Zero的網格編輯工具生成網格文件(*.mesh)。因疊水低堰尺寸與河道寬度相比較小，網格需要進行局部加密處理。

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

采用自然臨近差值法對網格點進行插值。差值后的網格數據見圖1。

對插值后的網格數據進行檢查，通常在網格剖分過程中會出現局部不合理的網格，這是就要對插值后的網格數據進項修改，圖2列舉了不合理的網格數據，及修改后的網格數據顯示，經過修改，可以糾正不正確的網格劃分，精確計算結果。

圖1 插值后的網格圖

圖2 修改前、后的網格數據

1.2 水文數據

水文數據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)域屬河口感潮段，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，是通過網格文件定義的。在窗口導入已經制作好的網格(*.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，可能會產生不合理的高流速，且會造成不穩(wěn)定的流態(tài)。

采用Manning數對河床的摩擦阻力進行設置，Manning數與平常熟知的糙率值互為倒數關系。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。在上游支流匯入區(qū)域，在同一斷面出現大約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、詳細的數據支持。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．河流一維水質數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．