基于Mike21模型的河道水质提升工程试验研究

奚 斌，陈倩倩，陈 伟，奚 望，邹 燕，黄海涛，陈志刚，沈世煊，陈叶欣，孔庆昊

（1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009； 2.江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200；3.金湖县河湖管理所，江苏 淮安 211600； 4.扬州市城市河道管理处，江苏 扬州 225000）

0 引 言

饮用水源地是保障居民日常生活和公共服务所需用水的取水地。饮用水源地安全和卫生与否直接关系到人类生存和发展，国家高度重视饮用水安全保障工作。这里就保障小沿河饮用水源安全、水质达标，对小沿河饮用水源与一航道交汇处采用水动力数值模拟软件进行研究。常见的水动力数值模拟软件有荷兰的Delft3D模型、英国的InfoWorks模型、丹麦的Mike模型等［1］，其中，Mike软件应用广泛，能模拟一维、二维和三维多种水环境，且模拟结果较符合实际。国内外学者利用Mike软件对河道流态进行研究，张世鑫［2］等基于Mike11分析多闸坝对河道流量演进的影响，并通过模型研究不同区段洪峰流量传播时间及流量传播衰减变化；王曦［3］等利用Mike11的水动力模块（HD）和对流扩散模块（AD）构建了北疆供水工程主干渠的水质模拟模型，发现污染物扩散距离与污染事故发生位置无关，污染物影响范围与流量有关，人工渠道自我净化能力较弱。在水污染扩散研究方面，王迎彬［4］等提出了一种基于多节点数据融合的二维水污染源溯源定位方法，并结合观测值与理论值构建的差值函数，采用拟牛顿法求得污染源关键参数，实现污染源的定位追踪与污染物浓度分布模型的重构；赵娟［5］等借助SMS软件发现可以根据颍上闸的水质合理地调整闸的下泄流量，能有效减少汛前颍上闸下泄水量而造成淮河干流突发性水污染事件的发生概率。

本文采用Mike21FM水动力数值模型模拟［6，7］和物理模型试验验证，对行船从航道经过汊流进入水源地上游，导致汊流内的污水进入水源河道这一现象进行了研究，并对饮水源河道汊流边界进行了优化［8］，分析改变汊流边界对饮水源河道的流场流态的影响，并模拟计算行船以不同速度进入饮水源河道牵引进入的污水量，研究结果可以为分汊河道的水污染防治、河道治理等工作提供参考。

1 研究方法

1.1 物理模型搭建

1.1.1 工程概况

徐州市小沿河饮水源河道位于徐州市铜山区柳泉镇，是当地的饮用水源地，承担周围居民的饮用水供水任务，由于一些小型农船必须从航道航行经汊流进入饮水源河道上游，而汊流及航道内水质较差，行船航行过程中会牵引污水进入饮水源河道，导致饮水源河道水质降低。如图1（a）所示，饮水源河道和航道在总体上呈倒丁字形，航道下方建有地涵，饮水源河道水流通过航道下方的地涵流向下游。因通航需要，饮水源河道与航道无法实现立交功能，饮水源河道与航道通过汊流连通，行船从航道通过汊流驶入水源地，船行驶途中会将汊流内的污水随船行带入饮水源河道，影响水源水质。为尽可能减少行船驶入水源地时牵引进入水源河道的污水量，根据分汊河道流场流态以及污染物输运规律，提出优化水源河道汊流边界。研究范围为沿饮水源河道流向长约554 m，河道宽约36 m，沿航道流向长约441 m，河道宽约61 m，水深在3～4 m。如图1（b）所示，优化措施为封堵原有的汊流，充分利用地涵以北的荒废的汊流，将分汊角度由69°改为34°。在汊流地上游开辟一条供船行驶的单线航道，从岸边向单线航道边沿依次栽植湿生植物和沉水植物，同时在河道右岸内布置丁字坝，调整河道内水流流态，减少污水进入饮用水源河道。将该段河道打造为具有排涝、航运等综合功能的生态走廊。

图1 汊流边界优化方案示意图（——航线）Fig.1 Schematic diagram of the optimization scheme of the boundary of the anabranch

根据查阅资料和分析，饮水源河道和航道为糙率n=0.025，汊流内由于载植湿生植物，糙率为n=0.176。采用1∶40的比例尺搭建物理模型。物理模型中按原型控制饮水源河道上游边界的来流量，同时控制引水地涵前的对应水位。为获取饮水源河道内流态，面层流场采用DPIV表面流场采集系统收集流场数据，DPIV高清流场测量系统是基于粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry）的大范围表面流场测量系统。物理模型中河道部分采用混凝土制作，地涵采用PVC板制作，用来模拟与水流接触的表面糙度。试验时通过流量计及阀门控制模型进水流量，下游出水口叠梁式溢水板调节水位，当流量、水位稳定后利用DPIV采集流场数据。再采用Tecplot后处理软件分析面层流场数据，获取相应的流场矢量图和云图。

1.1.2 研究工况确定

使用Mike21水动力模型模拟无行船经过时工程优化前和汊流边界优化后的饮水源河道流场；以及根据汊流内实际船行速度，将船行速度分设为6、9、12、15、18节，分别对工程优化前和汊流边界优化后河道模拟，共分为12种工况，见表1。在数模二维分析中把船与水接触的部分简化成面，分析其运动对周围流场的影响。由于此处实际工程中运行的是周边村民用很小的民船，在河道中所占面积很小，我们在数模中把船简化成点，将航行路线概化成许多等间距的点，在这些点上添加点源，设置点源流速为船速，并按船行驶经过的先后顺序设置对应的作用时间点和时间段，模拟单艘船行及船行扰动对主支河道的影响。再选取合适的汊口断面，分别计算不同船速下进出汊口断面的水量，以此代表船行牵引进入饮水源河道的污水量。

1.2 数模模拟设置

1.2.1 计算方程

采用Mike21FM水动力模块建立数学模型。Mike21FM水动力模块基于二维黏性不可压缩流体动量守恒的Navier-Stokes方程，且服从Boussinesq和静水压力假定。

二维水流连续性方程为：

二维水流动量方程为：

1.2.2 网格划分及地形建立

根据饮水源河道边界特征和水下地形数据，同时建立工程优化前和汊流边界优化后的模型网格，并生成水下地形图。模拟范围为沿饮水源河道流向长约554 m，宽约36 m，沿航道流向长约441 m，宽约61 m。模型网格采用Mike自带的网格剖分工具划分而成，控制网格边长在5 m左右，对汊口处的网格进行加密，见图2。根据已有的饮水源河道各个横断面水下地形数据，导入已生成的模型网格图中，插值生成地形图。工程优化前和汊流边界优化后地形插值见图3、图4。

图2 工程优化前网格划分图Fig.2 Grid of current topography of drinking water anabranch

图3 工程优化前地形插值图Fig.3 Interpolation map of current topography of drinking water anabranch

图4 汊流边界优化地形插值图Fig.4 Topographic interpolation diagram of optimization scheme of drinking water anabranch

为了避免模型计算出现不稳定性，模型启用干湿分界。饮水源河道和航道初始条件设置为设计水位。由于饮水源河道下游边界选取的是地涵前的开敞式水面，且由于航道与饮水源河道下游通过汊流连接，因此饮水源河道和航道下游边界均设置水位31.53 m。饮水源河道的上游边界设置流量10 m³/s。航道上游边界设置通过流量5 m³/s。

1.3 模型参数率定及验证

使用VY-Ⅲ多功能流速仪在不同测点测量0.6倍水深处点流速，并根据流速比尺换算成原型流速，代表该测点的平均流速。在二维水动力模型中，输出对应测点的模拟流速。将实测流速与二维水动力模型的模拟流速数据比较：为了对数值模拟结果进行进一步的分析，采用DPIV技术对搭建的物理模型进行测量，对河道六个不同位置的断面流场进行研究，为了验证所建数学模型的可靠性，需将数值模拟结果与物理实验数据进行对比。数学模型弗劳德数、雷诺数及流量比均与物模试验保持一致。流速对比情况如图5所示。

图5 主河道不同断面各测线上的流速对比图Fig.5 Comparison of flow velocity on each measuring line at different sections of the main channel

不同纵向断面水面线高度与物模试验实测值吻合较好，饮水源河道内不同断面上的速度数值模拟值与物模试验实测值吻合良好，能够反映流速变化的整体趋势。经过验证，物理模型试验和数值模拟计算结果分布趋势吻合基本良好，数值模拟计算的结果具有可信度。

2 数值模拟结果与分析

2.1 汊流边界优化分析

采用Mike21对工况1和工况7的饮水源河道流场进行模拟，见图6、7。根据工况1的饮水源河道流场图，由于饮水源河道底部地势较低，优化前汊流内河底地势较高，且分汊角度较大，无船行驶情况下，饮水源河道的水流在汊口受到地势阻碍，只有很小一部分水流流入汊流，从饮水源河道进入汊流的流量为0.67 m³/s，并在汊口形成低流速的大面积回流，回流面积约为150 m2，约占汊口处60%面积，污染物会随回流积聚在汊流河口附近，且浓度随时间会越来越高。若行船从汊流进入水源河道，势必会将大量回流区的污染物牵引进入饮水源河道，影响饮水源河道水质。

图6 原方案流场模拟图Fig.6 Flow field simulation diagram of the original scheme

图7 优化方案流场模拟图Fig.7 Optimization scheme flow field simulation diagram

根据工况7的饮水源河道流场图，优化汊流边界以后，饮水源河道上游的水在经过汊口时，由于分汊角减小，主干河道的水流易于汇入优化后的汊流河口，同时有1.36 m³/s的小部分水流平顺进入汊流，优化后的汊口无低速回流区，流速分布均匀。

2.2 行船牵引污水量分析

在饮水源河道进口处设置污水进出量测量断面（见图8），对工况2～6和工况8～12由行船牵引进入饮水源河道的污水量进行计算，用通过断面的水量代表船行牵引进入饮水源河道的污水量，见图9、10。

图8 测量断面示意图Fig.8 Flow field simulation diagram of optimization scheme

图9 不同船行速度牵引汊口断面污水量Fig.9 The amount of sewage in the section of the anabranch at different speeds

根据模拟计算结果，工程优化前的饮水源河道，船行速度分别为6、9、12、15、18节时，船行牵引进入饮水源河道的最高污水量分别为253、249、251、269、273 m3；而根据工况8～12的模拟计算结果，汊流边界经过优化后，行船分别以6、9、12、15、18节进入饮水源河道，牵引进入水源地的最高污水量分别为172、210、223、239、258 m3。根据图9可知，从船舶进入汊流开始计时200 s，随着时间的增加，在不同船速下，污水量均呈现先小幅下降再大幅上升的趋势，在工程优化前，污水量在大幅上升之后波动下降，并稳定在一个较大的流量，且船速越小最终污水量越大，在船速高于15节时，最终污水量稳定在200 m3，而在工程优化之后，进入饮水源河道的污水量减小，其间有个峰值点，峰值之后急速下降并恢复到无船的状态。由于优化后的汊流河口顶托作用加强，船行驶过后，两侧水流形成对冲，在汊流河口处形成回流，导致汊流河口进出水量变化不明显，船行驶过后，汊流河口能较快调整到无船状态，水流又从饮水源河道流入汊流。

通过对比相同行船速度下的断面最大污水牵引量（见图10）可得，汊流边界优化后船行牵引带入饮水源河道的污水量均少于工程优化前，这是由于优化后的汊流河口相较于优化前的汊流河口顶托作用加强。且船行速度在6节时，汊流边界优化后船行牵引带入的污水量变化最明显。根据汊流边界优化后不同船行速度的比较发现，随着船行速度的增加，行船牵引进入饮水源河道的污水量也在增加。

图10 不同船行速度牵引进入饮水源河道的最高污水量Fig.10 The maximum amount of sewage pulled into the drinking water source river at different speeds

汊流边界优化可以有效减少行船行驶牵引进入饮水源河道的污水量，且随着船行速度的增加，进入饮水源河道的污水量也在增加。建议汊流内的行船经过汊口时速度限制在6节左右，可以减少污水被牵引带入饮水源河道。

3 结 论

本文采用Mike软件建立了饮水源河道二维水动力模型，并与物理模型对应测点流速验证数模的准确性，分析了饮水源河道汊流河口流场和不同船行速度牵引污水进入饮水源河道的污水量。得出以下结论：

（1）优化汊流边界可以有效改善饮水源汊口河道的流态，在无行船时可以控制航道污水进入小沿河，有船通行时，优化方案中相同船速情况下进入小沿河的航道污水量减少，因此可以结合工程投资总效益选择，优化汊流边界减少行船牵引进入饮水源河道的污水量。

（2）在优化方案下，随着船速的提升，牵引进饮水源河道的污水量逐渐增加，船速6节时，船行牵引进入饮水源河道的污水量最少。