TUFLOW与MIKE 21在模拟增江及分洪道二维水动力中的应用

邵锦焯

(广州市水务规划勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510640)

0 引言

增江及分洪道位于广州市增城区石滩镇，本研究分别采用TUFLOW与MIKE 21建立增江及分洪道的二维水动力数学模型，对河道水流流场、水位等进行数值模拟研究，分析河道水动力，揭示不同模型软件的特点。

1 数学模型简介

1.1 TUFLOW模型

TUFLOW由某公司联合昆士兰大学在1989—1990年共同开发，在随后的多年持续改进、完善和扩充功能，已在全球推广应用。应用TUFLOW软件可以构建精细化的分布式、直接降雨法、水文水动力耦合、一维二维耦合暴雨洪水模型[1]，并采用GPU并行计算技术提高计算速度，采用Quadtree网格四杈剖分技术、SGS(Sub-Grid-Sampling)地形数据亚网格提取技术，两者技术结合使得对河道可以构建内外连成一体的二维洪水模型，能够有效提高构建洪水模型的效率，获得高精度的洪水模拟成果。

针对二维浅水方程的求解，TUFLOW使用的是基于Stelling网格的交替方向隐格式有限差分法(ADI)。采用追赶法求解，首先利用连续方程和x方向动量方程求解水位ζ和流速u：将动量方程代入到连续方程并消去流速u，获得1个三对角矩阵，从而求得水位ζ，接着将其反代入到动量方程中求出流速u，更换求解方向即可求得v。

1.2 MIKE21模型

MIKE 21是专业的二维水动力计算模块，用于模拟河流、湖泊、河口等水流、波浪状态，高级图形用户界面与高效的计算引擎结合，为工程应用、规划设计提供完备、有效的设计环境[2-5]。MIKE 21具有用户界面友好、强大的前后处理功能、多种计算网格模块、干湿节点单元设置、集成式多种控制性结构设置、可视化建模、集成展示等特点。

MIKE 21的水流连续方程如下：

(1)

水流运动方程如下：

(2)

(3)

式中，x、y、t—分别为空间、时间坐标；z—水位；h—水深；u、v—分别为垂线平均流速在x、y方向上的分量；M、N—分别为单宽流量在x、y方向上的分量，M=hu，N=hv；n—曼宁糙率系数；c—谢才系数；vt—紊动粘性系数；g—重力加速度。

2 增江及分洪道二维水动力模型

2.1 工程区域基本情况

2.1.1流域概况

研究工程区域位于增江流域下游。增江发源于广东省新丰县七星岭，全长203km，流域面积3160km2，增城区内长66km，河宽90～220m，区间集雨面积971km2，占全区面积的53%。增江上游建有天堂山水库及梅州、白沙河、七星墩水库，区内有百一座中型水库(花林水库)，59座小型水库，主要支流96条，总长416.62km，石滩镇内主要支流有县江河、水门头涌等。

2.1.2气象条件

研究工程区域位于广州珠江三角洲地区，属亚热带气候，区域受东南亚季风影响很大，且处于低纬度地区，太阳辐射强，日照时数多，平均气温高，气候炎热多雨，夏季绵长。

区域为广州市的暴雨区，由于地形多山，南部临近海洋，气流的抬升经常带来强度大、历时长的暴雨。多年平均降雨量为1820mm，但年内分配不均，4—6月多季风雨，占全年降雨量的46.7%，7—9月多台风雨，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%。据新家埔站实测，最大24h降雨量为476mm(1981年6月29日)。多年平均蒸发量为1232mm。流域内水汽充沛，湿度较大，平均相对湿度达84%，极端最大相对湿度99%。

2.1.3工程区域现状问题

近年来，受气候变化和城市下垫面影响，城市热岛效应严重，增城区降雨范围、量级存在不确定性[6]。近年来极端天气频发，特别是2020年发生的“5.22”和“6.8”两场特大暴雨，具有强度大、范围广、面雨量大的特点，增江堤岸出现漫堤，水深超1m，造成严重的经济社会损失。增江分洪道进口位于初溪水利枢纽下游约6km，分洪道进口至出口段的增江长6.3km、分洪道长7.6km，出口至增江口约2.3km。分洪道进口前增江河道宽约400m，增江石滩镇中心段河道最窄处仅有99m，过洪能力不足，且河道内存在铁路桥、公路桥等桥梁存在壅水现象。分洪道河滩地高程较高并有农田、鱼塘、果林等，经多年运行，分洪道存在分洪比例不协调的情况。如图1—2所示。

图1 增江及分洪道位置示意图

图2 增江及分洪道堤围分布图

从历史水系分析，分洪道自20世纪80年代已形成，河道走势较为稳定，至今保留较为天然的河道形态[7]。根据《增江中下游干流设计洪潮水面线复核》[8]，2008年6月27日增江出现十年一遇洪水，省水文局广州分局进行了现场测验，左汊(分洪道)过流440m3/s，右汊(增江)过流2220m3/s，分流比例16.7%。

2.2 建模范围及网格划分

本研究的建模范围为增江及分洪道，下游为新家埔水位站，上游为甩洲水位站，增江河道建模范围为0+710～9+200，总长8.49km，分洪道建模范围为0+110～8+210，总长8.10km，模拟水域面积4.69km2，并考虑莞高速桥、增江大桥、铁路桥、犁耙渡桥等桥梁。

TUFLOW采用2D矩形网格嵌套的模式，先通过堤防确定计算范围，对河道测量数据进行水下地形格栅化，设置堤内地面高程14m，并生成asc格式文件用于模型处理，通过tgc控制文件设置模型区域x=9000，y=3000，网格大小Cell Size=5，通过tcf文件设置启用SGS技术。如图3—6所示。

图3 建模范围

图4 水位站分布图

图5 TUFLOW网格地形

图6 桥墩处局部示意图

MIKE 21采用2D三角网格模式，先通过堤线确定计算范围，对河道测量数据进行水下地形矢量化，对堤内地面和桥墩位置不成生网格，设置网格大小不大于50m2，河道局部变化及桥墩处加密网格，生成网格总数148975个，平均网格大小31m2，最小网格大小0.08m2，生成mesh格式文件用于模型处理。如图7—8所示。

图7 MIKE 21网格地形

图8 铁路桥桥墩处局部示意图

2.3 模型率定

采用2020年的6.8增江洪水进行率定。收集到甩洲、石滩围、新家埔3个水位站当次洪水前后三日的水位实测数据，新家埔最高水位为3.06m(珠基，下同)，石滩围为5.66m，甩洲为6.27m(超20年一遇)。通过甩洲站水位及增江河道大断面，计算相应洪峰流量为3700m3/s。

由于增江及分洪道水位高时，周边地面主要靠排涝泵站排水，泵排流量较小，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边界，上游采用甩洲处流量作为边界条件率定。如图9—11所示。通过两种模型软件分别计算，计算结果见表1。

表1 6.8洪水两种模型软件计算成果对比表 单位：m

图9 甩洲、石滩围、新家埔水位站三日水位过程线

图10 6.8洪水TUFLOW计算结果

图11 6.8洪水MIKE 21计算结果

由上述对比图可见，在地形基础数据、边界条件相同，网格大小相似的情况下，采用TUFLOW及MIKE 21两种不同的模型软件计算的水位分布相近，计算水位与实测水位吻合，TUFLOW计算结果略比MIKE 21的高。由于对桥墩的处理方式不同，以及结果输出展示软件的不同，水位分布效果略有差异。

2.4 模型应用

经过率定后的模型，可应用于汛期洪水水位预报。增江若出现5年一遇左右洪水，麒麟咀站出现2350m3/s的最大流量，东江博罗站出现近5年一遇洪水。根据上述边界条件，折合至本模拟范围，下游边界水位采用3.85m，上游甩洲流量取2380m3/s。通过两种模型软件分别计算，计算结果如下。如图12—13所示。

图12 5年一遇洪水TUFLOW计算结果

图13 5年一遇MIKE 21计算结果

增江石滩镇中心区段路堤结合(桩号6+125～7+000)、堤顶高程为4.48～4.92m，2020年6.8期间曾出现1m左右的漫堤。根据《增江中下游干流设计洪潮水面线复核》[3]此段河道相应5年一遇设计水位为4.65～4.89m，通过5年一遇洪水计算，TUFLOW模型预测水位为4.83～5.12m，MIKE 21模型预测水位为4.71～5.04m，均比原设计水位提高，分析原因为河道演变、分洪道多年运行过流减小、本次计算考虑最新实测桥墩等精细化计算。

根据上述计算结果，增江石滩镇区段堤防在遭遇5年一遇洪水时，预计将出现约40cm的漫堤风险，据此可在汛期准备临时应急沙包以应对可能出现的增江高水位风险。

3 TUFLOW与MIKE 21模型的对比

3.1 建模方式

TUFLOW的模型文件主要归类于bc_dbase、check、model、results、runs等，分别存放边界文件、检查文件、模型数据文件、结果文件、运算文件等，依托GIS进行各类矢量数据处理、应用电子表格对边界文件和地类文件处理，通过Notepad++进行控制文件编写，对文件管理严格，建模过程灵活。MIKE 21的界面友好，模型文件主要为mdf、mesh、m21fm等，分别用于数据处理、网格文件生成修改、模型总运行文件，建模过程需结合CAD、Dxf2xyz工具、电子表格等软件处理，流水线式建模，文件较少、集成度高，可视化程度高。

3.2 计算结果

TUFLOW与MIKE 21在地形原数据、边界条件等一致的情况下，计算结果略有差异，适用与二维模型计算各有特点，且在考虑河道弯道、水下地形变化、桥墩流态变化等都较为优异，比一维水动力模型计算结果更符合实际。在桥墩处理上，本次处理方式不一样，TUFLOW可采用单独桥涵设置的方式，但本次研究采用抬高局部河底高程的方式，MIKE 21采用不生成网格的方式进行，因此在流态上略有差异。总体来说，两种模型在本次计算实例中，都能得到很好的应用。

3.3 计算速度

TUFLOW的GPU并行计算技术、SGS技术等有效提高运算效率，修改网格大小简便，能根据实际情况提高计算速度。MIKE 21亦能启用GPU计算，计算速度总体较慢。

本研究采用两台不同配置的台式计算机，分别启用中央处理器(CPU)和图形处理器(GPU)组合，测试TUFLOW两种网格大小与MIKE 21模型的运行时间。见表2。

表2 两种模型软件计算速度对比表

(1)网格大小接近的情况下，TUFLOW总体比MIKE 21快15～25倍；

(2)同样的计算机，启用GPU相比不启用GPU，MIKE 21计算快3.2～7.8倍，TUFLOW计算快3.2～16.8倍。

(3)TUFLOW网格从5m增大至20m，网格的大小不同引起的计算速度不同，采用CPU+GPU运算差异是13～26倍，采用CPU运算差异是43～63倍。

(4)CPU、GPU是提高计算速度的关键，计算机的独立显卡宜更新至最新的驱动程序；二维水动力模型在计算过程中需读取和生成大量数据，固态硬盘比机械硬盘读写数据快，配备固态硬盘的计算机在一定程度上提高运行速度。

(5)TUFLOW在运行大范围、高精度的模型，计算速度优势更明显。

4 结语

本文以增江及分洪道为例，分别采用TUFLOW和MIKE 21研究河道二维水动力数学模型，两者在河道二维水动力模拟上都能较好的反映真实情况，在计算速度上，TUFLOW总体比MIKE 21较快。

作为两款应用广泛的水动力计算商业软件，在实际应用中，建模方式、计算速度、结果展示等方面各有特点。在大范围、高精度、高效预警预报的模拟应用中，采用TUFLOW更合适；在小范围、对计算速度要求不高、模拟结果展示效果方面，MIKE 21更有优势。