TUFLOW與MIKE 21在模擬增江及分洪道二維水動力中的應用

邵錦焯

(廣州市水務規劃勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510640)

0 引言

增江及分洪道位于廣州市增城區石灘鎮，本研究分別采用TUFLOW與MIKE 21建立增江及分洪道的二維水動力數學模型，對河道水流流場、水位等進行數值模擬研究，分析河道水動力，揭示不同模型軟件的特點。

1 數學模型簡介

1.1 TUFLOW模型

TUFLOW由某公司聯合昆士蘭大學在1989—1990年共同開發，在隨后的多年持續改進、完善和擴充功能，已在全球推廣應用。應用TUFLOW軟件可以構建精細化的分布式、直接降雨法、水文水動力耦合、一維二維耦合暴雨洪水模型[1]，并采用GPU并行計算技術提高計算速度，采用Quadtree網格四杈剖分技術、SGS(Sub-Grid-Sampling)地形數據亞網格提取技術，兩者技術結合使得對河道可以構建內外連成一體的二維洪水模型，能夠有效提高構建洪水模型的效率，獲得高精度的洪水模擬成果。

針對二維淺水方程的求解，TUFLOW使用的是基于Stelling網格的交替方向隱格式有限差分法(ADI)。采用追趕法求解，首先利用連續方程和x方向動量方程求解水位ζ和流速u：將動量方程代入到連續方程并消去流速u，獲得1個三對角矩陣，從而求得水位ζ，接著將其反代入到動量方程中求出流速u，更換求解方向即可求得v。

1.2 MIKE21模型

MIKE 21是專業的二維水動力計算模塊，用于模擬河流、湖泊、河口等水流、波浪狀態，高級圖形用戶界面與高效的計算引擎結合，為工程應用、規劃設計提供完備、有效的設計環境[2-5]。MIKE 21具有用戶界面友好、強大的前后處理功能、多種計算網格模塊、干濕節點單元設置、集成式多種控制性結構設置、可視化建模、集成展示等特點。

MIKE 21的水流連續方程如下：

(1)

水流運動方程如下：

(2)

(3)

式中，x、y、t—分別為空間、時間坐標；z—水位；h—水深；u、v—分別為垂線平均流速在x、y方向上的分量；M、N—分別為單寬流量在x、y方向上的分量，M=hu，N=hv；n—曼寧糙率系數；c—謝才系數；vt—紊動粘性系數；g—重力加速度。

2 增江及分洪道二維水動力模型

2.1 工程區域基本情況

2.1.1流域概況

研究工程區域位于增江流域下游。增江發源于廣東省新豐縣七星嶺，全長203km，流域面積3160km2，增城區內長66km，河寬90～220m，區間集雨面積971km2，占全區面積的53%。增江上游建有天堂山水庫及梅州、白沙河、七星墩水庫，區內有百一座中型水庫(花林水庫)，59座小型水庫，主要支流96條，總長416.62km，石灘鎮內主要支流有縣江河、水門頭涌等。

2.1.2氣象條件

研究工程區域位于廣州珠江三角洲地區，屬亞熱帶氣候，區域受東南亞季風影響很大，且處于低緯度地區，太陽輻射強，日照時數多，平均氣溫高，氣候炎熱多雨，夏季綿長。

區域為廣州市的暴雨區，由于地形多山，南部臨近海洋，氣流的抬升經常帶來強度大、歷時長的暴雨。多年平均降雨量為1820mm，但年內分配不均，4—6月多季風雨，占全年降雨量的46.7%，7—9月多臺風雨，占全年雨量的36.27%，其余10月—次年3月降雨量只占全年的17.03%。據新家埔站實測，最大24h降雨量為476mm(1981年6月29日)。多年平均蒸發量為1232mm。流域內水汽充沛，濕度較大，平均相對濕度達84%，極端最大相對濕度99%。

2.1.3工程區域現狀問題

近年來，受氣候變化和城市下墊面影響，城市熱島效應嚴重，增城區降雨范圍、量級存在不確定性[6]。近年來極端天氣頻發，特別是2020年發生的“5.22”和“6.8”兩場特大暴雨，具有強度大、范圍廣、面雨量大的特點，增江堤岸出現漫堤，水深超1m，造成嚴重的經濟社會損失。增江分洪道進口位于初溪水利樞紐下游約6km，分洪道進口至出口段的增江長6.3km、分洪道長7.6km，出口至增江口約2.3km。分洪道進口前增江河道寬約400m，增江石灘鎮中心段河道最窄處僅有99m，過洪能力不足，且河道內存在鐵路橋、公路橋等橋梁存在壅水現象。分洪道河灘地高程較高并有農田、魚塘、果林等，經多年運行，分洪道存在分洪比例不協調的情況。如圖1—2所示。

圖1 增江及分洪道位置示意圖

圖2 增江及分洪道堤圍分布圖

從歷史水系分析，分洪道自20世紀80年代已形成，河道走勢較為穩定，至今保留較為天然的河道形態[7]。根據《增江中下游干流設計洪潮水面線復核》[8]，2008年6月27日增江出現十年一遇洪水，省水文局廣州分局進行了現場測驗，左汊(分洪道)過流440m3/s，右汊(增江)過流2220m3/s，分流比例16.7%。

2.2 建模范圍及網格劃分

本研究的建模范圍為增江及分洪道，下游為新家埔水位站，上游為甩洲水位站，增江河道建模范圍為0+710～9+200，總長8.49km，分洪道建模范圍為0+110～8+210，總長8.10km，模擬水域面積4.69km2，并考慮莞高速橋、增江大橋、鐵路橋、犁耙渡橋等橋梁。

TUFLOW采用2D矩形網格嵌套的模式，先通過堤防確定計算范圍，對河道測量數據進行水下地形格柵化，設置堤內地面高程14m，并生成asc格式文件用于模型處理，通過tgc控制文件設置模型區域x=9000，y=3000，網格大小Cell Size=5，通過tcf文件設置啟用SGS技術。如圖3—6所示。

圖3 建模范圍

圖4 水位站分布圖

圖5 TUFLOW網格地形

圖6 橋墩處局部示意圖

MIKE 21采用2D三角網格模式，先通過堤線確定計算范圍，對河道測量數據進行水下地形矢量化，對堤內地面和橋墩位置不成生網格，設置網格大小不大于50m2，河道局部變化及橋墩處加密網格，生成網格總數148975個，平均網格大小31m2，最小網格大小0.08m2，生成mesh格式文件用于模型處理。如圖7—8所示。

圖7 MIKE 21網格地形

圖8 鐵路橋橋墩處局部示意圖

2.3 模型率定

采用2020年的6.8增江洪水進行率定。收集到甩洲、石灘圍、新家埔3個水位站當次洪水前后三日的水位實測數據，新家埔最高水位為3.06m(珠基，下同)，石灘圍為5.66m，甩洲為6.27m(超20年一遇)。通過甩洲站水位及增江河道大斷面，計算相應洪峰流量為3700m3/s。

由于增江及分洪道水位高時，周邊地面主要靠排澇泵站排水，泵排流量較小，相比于增江、分洪道流量可忽略。本次研究下游采用新家埔的水位邊界，上游采用甩洲處流量作為邊界條件率定。如圖9—11所示。通過兩種模型軟件分別計算，計算結果見表1。

表1 6.8洪水兩種模型軟件計算成果對比表 單位：m

圖9 甩洲、石灘圍、新家埔水位站三日水位過程線

圖10 6.8洪水TUFLOW計算結果

圖11 6.8洪水MIKE 21計算結果

由上述對比圖可見，在地形基礎數據、邊界條件相同，網格大小相似的情況下，采用TUFLOW及MIKE 21兩種不同的模型軟件計算的水位分布相近，計算水位與實測水位吻合，TUFLOW計算結果略比MIKE 21的高。由于對橋墩的處理方式不同，以及結果輸出展示軟件的不同，水位分布效果略有差異。

2.4 模型應用

經過率定后的模型，可應用于汛期洪水水位預報。增江若出現5年一遇左右洪水，麒麟咀站出現2350m3/s的最大流量，東江博羅站出現近5年一遇洪水。根據上述邊界條件，折合至本模擬范圍，下游邊界水位采用3.85m，上游甩洲流量取2380m3/s。通過兩種模型軟件分別計算，計算結果如下。如圖12—13所示。

圖12 5年一遇洪水TUFLOW計算結果

圖13 5年一遇MIKE 21計算結果

增江石灘鎮中心區段路堤結合(樁號6+125～7+000)、堤頂高程為4.48～4.92m，2020年6.8期間曾出現1m左右的漫堤。根據《增江中下游干流設計洪潮水面線復核》[3]此段河道相應5年一遇設計水位為4.65～4.89m，通過5年一遇洪水計算，TUFLOW模型預測水位為4.83～5.12m，MIKE 21模型預測水位為4.71～5.04m，均比原設計水位提高，分析原因為河道演變、分洪道多年運行過流減小、本次計算考慮最新實測橋墩等精細化計算。

根據上述計算結果，增江石灘鎮區段堤防在遭遇5年一遇洪水時，預計將出現約40cm的漫堤風險，據此可在汛期準備臨時應急沙包以應對可能出現的增江高水位風險。

3 TUFLOW與MIKE 21模型的對比

3.1 建模方式

TUFLOW的模型文件主要歸類于bc_dbase、check、model、results、runs等，分別存放邊界文件、檢查文件、模型數據文件、結果文件、運算文件等，依托GIS進行各類矢量數據處理、應用電子表格對邊界文件和地類文件處理，通過Notepad++進行控制文件編寫，對文件管理嚴格，建模過程靈活。MIKE 21的界面友好，模型文件主要為mdf、mesh、m21fm等，分別用于數據處理、網格文件生成修改、模型總運行文件，建模過程需結合CAD、Dxf2xyz工具、電子表格等軟件處理，流水線式建模，文件較少、集成度高，可視化程度高。

3.2 計算結果

TUFLOW與MIKE 21在地形原數據、邊界條件等一致的情況下，計算結果略有差異，適用與二維模型計算各有特點，且在考慮河道彎道、水下地形變化、橋墩流態變化等都較為優異，比一維水動力模型計算結果更符合實際。在橋墩處理上，本次處理方式不一樣，TUFLOW可采用單獨橋涵設置的方式，但本次研究采用抬高局部河底高程的方式，MIKE 21采用不生成網格的方式進行，因此在流態上略有差異。總體來說，兩種模型在本次計算實例中，都能得到很好的應用。

3.3 計算速度

TUFLOW的GPU并行計算技術、SGS技術等有效提高運算效率，修改網格大小簡便，能根據實際情況提高計算速度。MIKE 21亦能啟用GPU計算，計算速度總體較慢。

本研究采用兩臺不同配置的臺式計算機，分別啟用中央處理器(CPU)和圖形處理器(GPU)組合，測試TUFLOW兩種網格大小與MIKE 21模型的運行時間。見表2。

表2 兩種模型軟件計算速度對比表

(1)網格大小接近的情況下，TUFLOW總體比MIKE 21快15～25倍；

(2)同樣的計算機，啟用GPU相比不啟用GPU，MIKE 21計算快3.2～7.8倍，TUFLOW計算快3.2～16.8倍。

(3)TUFLOW網格從5m增大至20m，網格的大小不同引起的計算速度不同，采用CPU+GPU運算差異是13～26倍，采用CPU運算差異是43～63倍。

(4)CPU、GPU是提高計算速度的關鍵，計算機的獨立顯卡宜更新至最新的驅動程序；二維水動力模型在計算過程中需讀取和生成大量數據，固態硬盤比機械硬盤讀寫數據快，配備固態硬盤的計算機在一定程度上提高運行速度。

(5)TUFLOW在運行大范圍、高精度的模型，計算速度優勢更明顯。

4 結語

本文以增江及分洪道為例，分別采用TUFLOW和MIKE 21研究河道二維水動力數學模型，兩者在河道二維水動力模擬上都能較好的反映真實情況，在計算速度上，TUFLOW總體比MIKE 21較快。

作為兩款應用廣泛的水動力計算商業軟件，在實際應用中，建模方式、計算速度、結果展示等方面各有特點。在大范圍、高精度、高效預警預報的模擬應用中，采用TUFLOW更合適；在小范圍、對計算速度要求不高、模擬結果展示效果方面，MIKE 21更有優勢。