基于MIKE21 二維水動力模型的天井湖湖區洪水流場流速分布研究

王 江 張 鵬

（中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230601）

1 湖泊概況

天井湖為淮河流域蘇皖省界湖泊，湖區跨安徽省五河縣和江蘇省泗洪縣，總面積35.5km2。天井湖總流域面積791km2，其中上游石梁河匯水面積681km2，湖周邊友誼溝、史王溝等大溝匯入，區間匯水面積110km2。天井湖下游在五河縣大楊村附近通過天井湖引河匯入懷洪新河。

分析天井湖行洪期的流場和流速，對天井湖行洪通道的劃定和管理、以及湖區水域岸線的開發利用有重要的意義。本文采用MIKE21 對天井湖湖區進行建模并分析計算。

2 計算方法及原理

MIKE21 軟件模擬二維洪水演進的技術比較成熟，已在國內外得到廣泛應用。MIKE21 水流模擬基于的控制方程是不可壓流三維雷諾Navier-Stokes平均方程沿水深積分的連續方程和動量方程，在笛卡爾坐標系中可用如下方程表示：

連續性方程：

X 方向動量方程：

Y 方向動量方程：

式中：t 為時間；x，y，z 為右手Cartesian 坐標系；d 為靜止水深；h=η+d 為總水深；η 為水位；u，v分別為流速在x，y 方向上的分量；f 為科氏力系數f=2Ωsinθ，Ω為地球旋轉的角頻率，θ為當地的緯度；ρ為水的密度；ρ0為參考水密度為地球自轉引起的加速度；Sxx，Sxy，Syx和Syy為輻射應力分量；Txx，Txy，Tyx和Tyy為水平粘滯應力項；Pa為當地的大氣壓；S 為源匯項（us，vs）源匯項水流流速。τsx，τsy為風場摩擦力在x，y 上的分量；τbx，τby為底床，摩擦力在x，y 上的分量。

3 模型的建立

3.1 水文分析

天井湖是以除澇功能為主的湖泊，天井湖引河閘、打雁劉圩堤的設防水位均為20 年一遇。天井湖引河閘下楊庵水文站于2018 年8 月設立，至今觀測資料尚未匯編。天井湖主要匯水面積為安徽境內淮北平原，安徽省淮北地區除澇水文計算，歷來均采用由設計暴雨通過產、匯流推算的方法。現行采用的計算辦法為《安徽省淮北地區除澇水文計算辦法》（1981 年）（以下簡稱《安徽省計算辦法》）。《安徽省計算辦法》是目前淮北骨干河道、邊界工程及排水區除澇水文計算的主要依據，在多年來治淮工程規劃、設計中被廣泛采用。

根據《安徽省計算辦法》，淮北地區三天點暴雨均值為125mm，CV=0.55，CS=3.5CV。經分析，20 年一遇設計點暴雨262mm。天井湖匯水面積791km2，采用點雨/面雨折算系數0.861。天井湖20 年一遇設計暴雨226mm。

“70 年北京對口成果”設計Pa 值采用：3～5 年一遇為45mm，10～20 年一遇用55mm。同時把淮北降雨徑流關系劃分為4 個區，提出了相應的降雨徑流關系線，天井湖均處于a 區，采用1 號線。降雨徑流關系見表1。

表1 安徽省淮河流域淮北平原洼地降雨徑流關系表

根據《淮北除澇水文計算方法》，淮北平原地區規劃統一采用K=0.026，排水流量按公式Q=0.026RF0.75 計算，20 年一遇乘0.85。天井湖集水面積為791km2，20 年一遇入庫設計流量為580m3/s。

3.2 邊界條件

本模型閉邊界為陸地邊界，開邊界為石梁河入天井湖口及天井湖入懷洪新河開口。不考慮天井湖調蓄，天井湖20 年一遇入湖和出湖設計流量為580m3/s。1991 年、1996 年天井湖水位均在16.3m以上，2003 年7 月10 日實測天井湖閘閘上水位16.47m。從歷史情況看，天井湖歷次高水位均與懷洪新河分洪相關。因此，本次設計洪水計算均考慮懷洪新河分洪工況。

3.3 糙率

天井湖歷次規劃均沒有提出糙率，通過查閱現場調研資料、相關項目經驗及各種相關書籍資料，對于灘地具有樹木、高桿植物的河灘，糙率可選0.032～0.035。天井湖現狀灘地有較多圍網養殖和圈圩，糙率應適當加大。本次天井湖在進行洪水模擬的過程中，模型中糙率選用0.035。

3.4 網格概化

MIKE21 非結構化網格模型采用非結構有限體積法離散控制方程。有限體積法中使用的非結構網格通常由三角形或四邊形網格組成，為了準確擬合曲折的岸邊界，一般采用三角形網格進行計算。本

（查表用內插法計算可得20 年一遇R=176mm）次采用邊長約20～60m 的三角形作為計算網格，總共劃分4099 個網格。模型網格劃分如圖1。

圖1 網格劃分及地形分布示意圖

3.5 時間步長

時間步長是模型迭代計算的時間線段長度，時間步長越小計算精度越高，但是計算機負載也相應加重。此次利用有限體積法計算三角網格的水流模擬時，采用30s 作為最大時間步長，0.01s 作為最小時間步長。

4 流場和流速分析結果

4.1 流場和流向分布

根據模型計算結果，天井湖除湖灣死角和石梁河入湖段外，其余洪水流態較為均勻，沒有出現范圍較大的回流區，見圖2。但是在天井湖引河入湖段產生了較為嚴重的洪水流態不均勻的情況。洪水流向偏差角度高達±47°，經現場調查核實，現狀石梁河入天井湖口圈圩養殖情況比較嚴重，對洪水流態造成了不利影響。此外，天井湖引河處的流向偏差角度達±23°，但沒有出現明顯的紊流狀態，考慮是局部洪水轉彎半徑較小導致。

圖2 天井湖洪水流向等勢線示意圖

4.2 流速分布

根據模型計算結果，石梁河最大流速為0.47m/s，天井湖引河流速1.16m/s，除石梁河段和天井湖引河段以外，石梁河洪水在天井湖內流速較小，絕大部分湖區流速小于0.2m/s，最大流速均小于0.5m/s。見表3 和圖3～圖5。

圖3 天井湖湖區流速分布示意圖

圖4 石梁河入口流速分布細部圖

圖5 天井湖引河流速分布細部圖

表2 天井湖湖區流速向偏差角度分布表

表3 天井湖湖區流速分布情況表

5 結論及建議

通常將流線一致、流場均勻和流速較大的湖區范圍劃定行洪通道。天井湖行洪通道區域較為狹窄，其中在石梁河入口和天井湖引河均為行洪通道，在湖區范圍的行洪通道寬度約為200～400m。其余部分基本沒有流速分布。

從計算結果看天井湖湖區在20 年一遇洪水工況下除天井湖引河外，其洪水流速較為緩慢。但是天井湖引河流速較大，局部流速超過1.16m3/s。建議采取一定的防沖刷措施。

石梁河入口處由于現狀湖泊圈圩養殖情況比較嚴重，在遭遇20 年一遇洪水時洪水流場不均、流向分布混亂，對行洪造成了較大阻礙，建議對圈圩進行清理，恢復行洪通道的暢通。

6 結語

在編制湖泊保護規劃時，需要對湖區行洪通道進行劃定，對洪水的流向和流態分布進行研究。采用MIKE21 二維水動力模型可以直觀分析出設計洪水下的天井湖湖區的流場和流速分布，同時可以通過圖像直觀表達，便于迅速找出問題存在的部位，分析問題的影響。

天井湖是蘇皖省界湖泊，對天井湖的治理開發和保護應遵循保護優先、兩省均衡、協商一致的原則。天井湖目前洪水流態不會產生較大問題，但是局部流態紊亂現象明顯，建議對影響行洪通道暢通的圈圩和圍網應盡早開展集中整治■