基于MIKE21的异型堰模型分析

寇尔丹

(沈阳市浑河管理中心，辽宁 沈阳 110011)

随着计算机技术的发展，水力学模型逐渐发展起来，首先是一维模型的广泛应用［1］。20世纪90年代以来，国际上又出现了不少成熟的平面二维水力学模型。丹麦水资源及水环境研究所(DHI)开发的平面二维数学模型MIKE21是其中应用较为广泛的一款模型。该模型可用于湖泊、河口、海岸、河道的水力及其相关现象的平面二维模拟［2、3］。

目前在国内对其研究也发展很快，郭凤清运用MIKE21可对蓄洪区进行快速的洪水危险性预测［4］;魏凯等对洪水演进过程进行了二维模拟计算，可以得到最危险分洪方案下蓄滞洪区内任一点的水深、流速、水淹没要素［5］;梁云等在MIKE21的基础上完成对洪泽湖水位过程的模拟［6］;该模型在桥梁的流场与壅水计算［7］、海洋及港口流场模拟［8］应用等方面，都获得了较好的效果。

以辽宁省葫芦岛市兴城河城市段修建的曲线跌水低堰的数值模拟计算为例，应用MIKE21模拟河道拦河建筑物在设计洪水工况下的水位及流场。根据叠水低堰的工程位置，选取修建位置上下游一定长度的河道作为模拟计算区域。计算河道范围在北纬 40°35'42″～ 40°36'11″，东经 120°44'27″～ 120°45'44″之间。

1 数据基础

1.1 地形数据

计算地形数据采用河道带状地形图(比例尺1∶1000)以及河道测量横断面数据(比例尺1∶200)。计算地理坐标系用通用的UTM地形投影，根据计算区域所在经度，经计算，研究区域所在UTM区号为51。坐标系为 WGS_1984_UTM_Zone_51N。地形高程、水位数据采用黄海高程系统(均以m为单位)。共有三处开边界，分别为上游流量边界、温泉河支流流变边界和下游水位(潮位)边界。

从AutoCAD文件中提取高程点数据和河岸线数据，保存成xyz文件。同时，根据水工建筑物的设计尺寸，构造相应的地形数据。利用MIKE Zero的网格编辑工具生成网格文件(*.mesh)。因叠水低堰尺寸与河道宽度相比较小，网格需要进行局部加密处理。

为进一步减少计算网格数量，采用三角形、四边形混合的网格方案。对曲线部分采用四边形网格，其余部分采用三角形网格。三角形网格最大面积500m2，最小允许角度26°;四边形长边最大3m，沿水流方向0.3m。所得网格节点7541个，单元格11416个。对生成的网格多次平滑处理，避免出现扭曲较大的网格，提高网格质量。

采用自然临近差值法对网格点进行插值。差值后的网格数据见图1。

对插值后的网格数据进行检查，通常在网格剖分过程中会出现局部不合理的网格，这是就要对插值后的网格数据进项修改，图2列举了不合理的网格数据，及修改后的网格数据显示，经过修改，可以纠正不正确的网格划分，精确计算结果。

图1 插值后的网格图

图2 修改前、后的网格数据

1.2 水文数据

水文数据主要是为计算模型提供边界条件。干流(兴城河)与支流(温泉河)遭遇洪水成果见表1。兴城河干流流量过程采用上游兴城水文站1969年实测洪水过程以面积比的方法、同倍比方法放大得到。

表1 兴城河洪水成果表

计算区域属河口感潮段，河口水位直接受渤海潮汐影响，但河口处无潮位观测站，故采用附近的葫芦岛海洋站潮位资料推求兴城河河口的设计潮位。

表2 葫芦岛潮位站年设计高潮位分析成果表

2 模型建立

选择水动力模型进行计算。模型范围是指模拟的具体范围，是通过网格文件定义的。在窗口导入已经制作好的网格(*.mesh文件)，定义模型范围。在模型范围的窗口，还可以对模型的开边界进行命名，便于之后的边界条件输入。

在该窗口指定模型计算的时段和时间步长，这里的时间步长不是实际计算时采用的步长，而是计算输出时的时间间隔。文中计算时段为2014年3月1日0时至3月1日24时。计算的时间步长采用30s，之后再模型的试算中逐步调整时间步长，在满足稳定的前提下，采用较大的时间步长。

计算区域可能会出现干湿交替的情况，因此在这里需要将选择干湿边界，干水深取0.005m，淹没水深取0.05m，湿水深取0.1m。在设置时，应注意湿深度﹥淹没水深﹥干水深。当湿水深度取值很小的时候，可能会产生不合理的高流速，且会造成不稳定的流态。

采用Manning数对河床的摩擦阻力进行设置，Manning数与平常熟知的糙率值互为倒数关系。文中模拟的范围较小，科氏力的影响忽略不计。为了使模型能稳定启动，先试算模型稳定后，将计算结果提取出来，制作成热启动文件，导入模型中，作为初始条件。Mike可以定义多个输出文件，对于每个输出的文件，都可以分别定义。

在MIKE21FM中可以输出点时间序列文件(*.dfs0)、线时间序列文件(*.dfs1)、面时间序列文件(*.dfsu)3种类型的格式文件。

3 结果分析

从计算结果看，一维恒定流与MIKE21FM计算结果在上下游处较接近，其中，堰下水位出现差值，是由于二者计算方法的原因造成的，另外，堰下水流流态多为急流，不满足恒定渐变流的计算要求，因此一维恒定流计算水位较MIKE21FM计算的结果高。

图3 水位计算结果图

堰下水位一维恒定流计算结果为5.83m，MIKE21FM计算结果为5.63m，水位差值－0.20m;堰上水位一维恒定流计算结果为6.08m，MIKE21FM计算结果为5.80m，水位差值－0.28m。主要由于一维恒定流采用的宽顶堰公式计算堰上水位，MIKE21FM将叠水概化处理后作为地形进行模拟计算，二者计算方法的差别造成计算结果出现偏差。同时，由结果也可看出，采用宽顶堰公式计算叠水低堰结果是偏大的。

根据兴城河的不同洪水过程确定不同的计算方案。再取P=2%和P=5%进行恒定流计算。对于叠水低堰，假定下游水位最低最不利的情况的水力模拟计算。

分别采用上游洪水50年一遇(P=2%)和20年一遇(P=5%)频率设计水位及流量对应下游同频潮位，对该河段建建筑物进行模拟，模拟结果见下图4。

从图4可以看出，在50年一遇洪水情况下，水位由上游6.40m渐变到下游5.36m。在上游支流汇入区域，在同一断面出现大约0.4m的水位差，其他位置水位变化均匀。

从在水深等值线图上可以看出，在温泉河汇流口上游及叠水低堰上游水深较大，主要是因地形变化导致的。叠水低堰在50年一遇洪水时，与上下游水位衔接顺畅，水位落差不明显，上游没有明显的壅水，下游也没有明显的水位下跌。

图4 水位等值线图

从表3中也可以看出，在50年一遇的洪水洪峰流量情况下，该叠水低堰壅水高度为0.17m，在20年一遇的洪水中，壅水高度0.10m。这主要是因为在设计洪水工况下，上游水位(5.80m)远远高于堰顶高程(1.50m)，这说明本文研究的叠水低堰在设计洪水情况下不会影响行洪。

图5描述了研究河段的流场分布。从图上可以看出在P=2%和P=5%两个频率的洪峰过程中，流速较大的位置在温泉河汇合口与叠水低堰之间，流速最小的也都同一个位置，查看地形可以看出，流速最小的位置是地形突变，即有一处凸起，流速最大的位置使在地形凸起处的上游。

图6分别描述了2个频率下叠水低堰位置局部流场分布情况，两个频率下流速最大的位置均在堰顶，流速最小的位置在堰下。综合河道流场分布可知，河道局部的突出上游流速会局部增大，在低洼处流速会比同断面其他位置偏小，这与实际情况相符，Mike21能充分将河道中微小地形变化引起的流场变化反应出来。

表3 不同频率下水面线计算成果

图5 流场分布

图6 局部流场分布

另外流场图也说明，在设计水位及流量工况下，叠水低堰下游流速很低，不能作为设计下游消能的设计工况。

4 结论

采用MIKE21FM软件对兴城河上修建的曲线叠水低堰进行了数值模拟计算。模拟计算的结果与一维计算结果进行的比较表明，模拟结果与之基本吻合，能够较好地反映模拟区的水位、流场分布情况。同时分析了一维模型与MIKE21FM模型计算结果存在差别的原因，笔者认为这也在一定程度上反映出所选的一维模型的局限性，建议在实际运用中，能够根据计算条件的情况，灵活选择适合的模型。

MIKE21FM模型模拟计算结果能够较全面的反映研究区域的水位、流场情况，为水工建筑物的设计方案对比、建筑物布置等方面提供更直观、详细的数据支持。通过与已有成果的比较说明MIKE21FM计算结果是可靠的，是 可以在水利工程设计中发挥重要的作用。

［1］毛小英．河流一维水质数值模型在入河排污口设置中的应用［J］．水利技术监督，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］郭凤清，屈寒飞，曾辉，丛沛桐，耿欣．基于MIKE21的潜江蓄滞洪区洪水危险性快速预测［J］．自然灾害学报，2013，22(03):144-152．

［5］魏凯，梁忠民，王军．基于MIKE21的濛洼蓄滞洪区洪水演算模拟［J］．南水北调与水利科技．2013，11(06):16-19．

［6］梁云，殷峻暹，祝雪萍，黄晓敏．Mike21水动力学模型在洪泽湖水位模拟中的应用［J］．水电能源科学，2013，31(01):135-138．

［7］包伟斌．Mike21水动力数学模型在桥梁工程中流场模拟中的应用［J］．华东科技(学术版)，2014(04):238-239．

［8］安永宁，杨鲲，王莹，李晶．Mike21模型在海洋工程研究中的应用［J］．海岸工程，2013，32(03):1-10．