基于MIKE模型的取水可靠性分析

2021-10-28梁志宏郑江丽陈秀洪

人民珠江 2021年10期

梁志宏，郑江丽*，陈秀洪，刘夏

(1.水利部珠江河口治理与保护重点实验室，广东广州 510611；2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州 510611)

当前，随着经济和科技的飞速发展，中国工业蓬勃发展，工业工程的应用范围逐渐增大，在实践生产过程中也渐渐凸显其优越性[1]。与此同时，建设项目施工期、运行期的生产、生活等用水对取水河道流量提出了新的要求。项目的取水可靠性直接涉及到项目投入运行后的稳定产出效率，在提高项目经济效益方面发挥着至关重要的作用[2]。

自1992年Warren等[3]首次提出MIKE21建模系统起，MIKE21已历经近30年的发展与推广，目前已广泛应用于多个领域。纪忠华等[4]利用MIKE进行洪水演进模拟，通过设置边界条件、验证并率定模型参数等，推断出了洪水演进规律并制定了相应的防洪方案和策略，为水利工程的防洪工作提供了重要参考。Li等[5]基于气象水文数据和基本水质数据，利用MIKE21建立了模拟河流湖泊的水质扩散模型，反映了排污口污水排放对所在江段的水质影响情况，可作为排污口设置论证的参考依据。Soltani等[6]运用MIKE21进行水沙模拟研究，将原有方案与优化方案进行对比，提出了最优的泥沙防治方案。此外，MIKE21还被用于内涝[7-8]、通航[9]、风浪[10]、突发水污染事件[11]和水系整治[12]等模拟研究。

从上述研究中可以看出，经过近30年的发展和推广，MIKE21已广泛应用于水利行业的多个领域[13-20]，但是在建设项目工程取水可靠性分析方面还尚有不足。取水可靠性分析一般采用水库调节计算或水资源供需平衡计算方法，但对于河网区或来水受下游回水影响的区域，采用水动力模型分析，如姬战生等[21]根据河网调蓄原理构建了以南沙平原骨干河道为基础的概化河网，利用Mike11建立了水动力学模型，验证了偏不利条件下取水口的取水可靠性。刘树锋等[22]针对咸潮河段展开研究，建立了潭江一维河网水质数学模型，并与实测资料进行对比分析，验证了取水口的取水可靠性，并提出了特枯年份的取水风险规避措施。邢凯等[23]针对以巢湖湖区为水源的建设项目，明确其取水可靠性分析的主要思路和方法。

因此，本文以上小河附近规划建设项目——梧州市千万吨级冶金新材料产业基地为例，基于MIKE21，建立并求解水动力模型，旨在针对上小河上、下游河道宽度变幅较大的情况，验证已有取水方案的合理性和可靠性，为项目的建设和运行提供科学支撑。

1 研究区域概况与资料收集

1.1 研究区域概况

梧州市千万吨冶金新材料(钢铁基地)临港经济区片区位于临港经济区南片区，在梧州市总体规划蓝图上，是梧州市城市工业发展的集聚区域之一，其取水口位于上小河，中途有秋米河汇入后，最终汇入浔江。上小河又名须罗江。发源于岑溪市白板村大竹顶，自南向北流，纵贯新地镇、林水镇，至林水乡河口自然村汇入浔江，是浔江右岸的一级支流，河口距长洲水利枢纽2.1 km处，长洲水库2007年开始蓄水后，上小河河口段被长洲水库淹没，成为库区的一部分。

本文研究区域主要包括：①秋米河区域，秋米河水筒口至秋米河与上小河交汇处，长度约2.38 km；②上小河区域，上边界位于拟建工业取水口上游约550 m，下边界至上小河与浔江交汇口，长度约5.65 km；③浔江区域，主要根据现状梧州市饮用水源保护区和长洲水利枢纽地理位置确定，上边界距离上小河与浔江交汇口约4 km，下边界为长洲水利枢纽，距离上小河与浔江交汇口约2 km。研究区域见图1。

图1 研究区域示意

1.2 研究资料

1.2.1资料收集

由于上小河距长洲水利枢纽仅2.1 km，且长洲水利枢纽多年水文资料先后经过了水电部中南院、昆明院、贵阳院、东北院、广西电力院、珠委以及所属各省(区)的水利、水电设计院等单位的多次审查和校核。因此，本文采用长洲水利枢纽1946—2017年共72年径流资料进行研究。

1.2.2资料整理

a)径流计算。采用数学期望公式进行经验频率计算，并用矩法公式估算统计参数(多年平均流量均值、Cv、Cs)初始值，再用P-Ⅲ型理论频率曲线适线，确定长洲水利枢纽坝址多年平均流量为6 124 m3/s，Cv=0.21，Cs/Cv=2.0。

b)典型年选取。根据长洲水利枢纽坝址1946—2017年72年年径流系列，按照丰、平、枯水年选择年来水总量接近且年内水量分配对项目取水较为不利(年内枯水期来水量小)的年份作为典型年。根据典型年的年来水量及年内月来水过程，采用同倍比方法缩放后得到长洲水利枢纽坝址各保证率来水量年内月分配过程。典型年选取结果及年内月分配过程见表1。

表1 典型年月分配过程单位：m3/s

2 模型建立及方案设置

新建取水口位于上小河，中途有秋米河汇入后，最终汇入浔江。由于上下游河宽差别很大，传统的矩形网格应用困难，因此，本次计算模型采用MIKE21模型。该模型网格节点布设灵活，便于局部加密，能精确地拟合弯曲河道边界，具有算法可靠、计算稳定、界面友好、前后处理方便等突出优点，已得到广泛应用。结合本项目河宽、水系连通等实际情况，采用零维和二维模型相结合的技术手段进行研究。

2.1 控制方程

连续性方程表达式如下[20]：

(1)

动量方程表达式如下：

(2)

(3)

式中h——静止水深，即水面到某一基准面的距离；η——水面相对于未扰动基面的高度，即水位；t——时间；u、v——x、y方向上的流速分量；us、vs——源项水流流速；g——重力加速度；f——柯氏力参数；ρ——水密度；ρ0——水的参照密度；sxx、sxy、syy——波浪辐射应力分量；Pa——大气压力；τsx、τsy——风应力分量；τbx、τby——底部摩擦应力分量；Txx、Txy、Tyy——黏性项分量；S——源汇项。

2.2 边界条件及初始条件

2.2.1边界条件

在本研究采用的数值模式中，需给定2种边界条件，即闭边界条件和开边界条件。所谓开边界条件即水域边界条件，可以给定水位、流量或调和常数。所谓闭边界条件即水陆交界条件，计算水域与陆地交界的固边界上Γ2有：

(4)

模型上边界流量平水期采用浔江、上小河和秋米河多年平均流量，枯水期从最不利原则考虑，采用浔江、上小河和秋米河多年最小流量；模型下边界水位分别采用长洲水利枢纽在平水期和枯水期的浔江控制水位。根据上小河实际开发情况，上游建有2座水电站、5座拦河坝(用于蓄水发电或灌溉)，平水期下游来流量有可能小于多年平均流量，因此本次新增一个平水期计算方案，上小河来流量按生态流量考虑，秋米河和浔江按平水期时的边界条件考虑。水动力模型计算边界条件见表2。

表2 水动力边界条件

2.2.2初始条件

(5)

式中ζ0(x,y,t0)、u0(x,y,t0)、v0(x,y,t0)——初始时刻t0的已知值。

2.2.3活动边界处理

本模型采用干湿点判断法处理潮滩活动边界，如果模型中的区域是处在干湿边交替区，为了避免模型计算出现不稳定性，设定一个干水深(drying depth)、淹没深度(flooding water depth)和湿水深(wetting depth)。当某一单元的水深小于湿水深时，在此单元上的水流计算会被相应调整，即不计算动量方程，仅计算连续方程。而当水深小于干深度的时候会被冻结而不参与计算。淹没深度是用来检测网格单元是不是已经被淹没。

2.3 网格布置

二维模型采用三角形网格剖分计算区域，三角形网格节点数为4 534个，三角形网格数为7 950个。上小河取水口附近的网格分辨率为2 m，可见计算网格是非常精细的，能高度拟合岸线，准确地对河道进行概化。模型网格布置见图2。

图2 二维水动力模型计算区域网格布置

2.4 地形资料

计算范围内河道水下地形采用各区域最新实测地形，浔江整体采用2015年实测河道地形资料，上小河和秋米河采用2020年1月最新实测资料。长洲水利枢纽建成后，桂平至长洲段成为河道型水库，当水库为枯水期最低消落水位时，可回水到达桂平坝下。受水库回水的影响，河段水面较天然情况有所抬高，因此该河段会由于水位的壅高而导致流速有所下降，局部滩段存在泥沙淤积的可能性。但由于长洲水利枢纽为低水头径流式电站，汛期坝前水位降低至18.76 m运行，基本恢复到天然状态，且由于长洲枢纽上游干、支流上水库的拦截，长洲枢纽实际推移质产沙面积不大，入库推移质泥沙数量极少，绝大部分来沙(占全年的96%)集中在汛期，进入库区的推移质泥沙很快就可推移到坝前，进而排到下游，因此长洲水库泥沙淤积主要是悬移质泥沙淤积。相关研究结果表明，建库后泥沙淤积是不连续的，几乎全部集中在坝前段和常年回水区的几个深潭内，回水末端没有淤积。非汛期来沙仅占全年的4%，水流夹带的泥沙要少得多，河床也不会发生大的淤积。因此认为2015—2020年浔江河段地形基本不变。水动力模型计算区域河道水下地形见图3。

图3 二维水动力模型计算区域河道水下地形

2.5 模型率定和验证

二维模型的率定和验证采用浔江大桥下游河道右岸苍梧水厂2017年6—9月实测水位数据，当模型底床糙率取值在0.021～0.029范围时，模拟效果较好，模型实测和计算值较为吻合，模拟效果见图4。对水位的模拟值及实测值进行分析，发现水位模拟值和实测值的相对误差在0.31%～7.13%，水位Nash-Stucliffe系数均在0.9以上，表明模型设置参数能用于本次研究计算。