MIKE21在水系綜合整治工程中的應(yīng)用

錢佳歡，羊 瑞，陳懿強(qiáng)

(中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120)

目前，隨著城市內(nèi)澇問題及水環(huán)境問題的集中爆發(fā)，越來越多的水系及水環(huán)境綜合治理項目在開展。新開挖連通形成的水系，無可參考的觀測基礎(chǔ)資料，無法針對不同的引排水工況，對水系的流場和水位進(jìn)行較為直觀準(zhǔn)確的判斷，模型的運(yùn)用顯得較為可靠。目前，MIKE21在水系綜合治理中主要體現(xiàn)在防洪、水動力及水質(zhì)擴(kuò)散分析等方面。阮洲[1]等運(yùn)用MIKE21計算了枝江市金湖50年一遇及30年一遇洪水位，指導(dǎo)水生植物的種植；常楚陽[2]等運(yùn)用MIKE21模擬推演了杜家臺分洪區(qū)的洪水演進(jìn)情況；賈瑞鵬[3]等運(yùn)用MIKE 21水動力和水質(zhì)耦合模型分析得到了萬寶湖水質(zhì)擴(kuò)散及分布情況，指導(dǎo)污染物減排方案制定；王哲[4]等運(yùn)用MIKE21模擬了金倉湖的流場分布及水質(zhì)擴(kuò)散情況，指導(dǎo)湖體優(yōu)化設(shè)計；楊衛(wèi)[5]等研究了湯遜湖湖泊群5種不同連通方案下的水動力和水質(zhì)分布情況；余成[6]等運(yùn)用MIKE21模型模擬了4種不同引水工況下TN、TP的分布情況；張虎[7]等運(yùn)用MIKE21軟件模擬對比了“菜子湖”和“白蕩湖”引水方案對巢湖水質(zhì)的改善效果。本文以陽明湖綜合治理工程為例，運(yùn)用MIKE21軟件建立開展了二維水動力模型，計算模擬水系不同工況下的水位及流場變化，為復(fù)核引水工程規(guī)模和優(yōu)化水系形態(tài)提供依據(jù)，指導(dǎo)工程設(shè)計及優(yōu)化調(diào)度方案。

1 工程概況及模型選用

1.1 項目區(qū)現(xiàn)狀

陽明湖版塊內(nèi)部水系現(xiàn)狀分成北部赤塘湖、南部枉渚湖兩個相對獨(dú)立的水系，外部與沅江、汪水河相接。赤塘湖現(xiàn)狀被分割為漁業(yè)養(yǎng)殖用的魚塘，面積約 0.97 km2，南北向長約2.3 km，東西向約1 km，目前水系不連通，水體流動性較差；楊家港和永興河均主要起到排澇作用，楊家港南北分兩條渠道，南側(cè)高排渠長2.9 km，北側(cè)第排渠長約1.3 km，永興河與赤塘湖相接，總長約3.8 km。枉渚現(xiàn)狀面積約0.33 km2，水域主要是魚塘，汛期洪水主要通過現(xiàn)狀紅星高低排河排入汪水河。

1.2 實(shí)施后水系概況

工程以陽明湖(北部)和枉渚湖(南部)兩湖打造陽明湖片區(qū)的水系核心；建新河、紅云溪和腰堤港作為水系的引水通道，紅云泵站、腰堤泵站和紅云水閘調(diào)節(jié)引水量。楊家港和永興河均為排水通道，天井碈泵站和建設(shè)碈泵站調(diào)節(jié)排水量。實(shí)施后的項目區(qū)水系如圖1所示。

圖1 實(shí)施后陽明湖水系平面圖Fig.1 Water system plan of the Yangming Lake after the implementation

1.3 基本方程

采用丹麥水力研究所(DHI)研發(fā)的MIKE21軟件進(jìn)行計算網(wǎng)格生成、地形處理和水流計算等。MIKE21屬于平面二維自由表面流模型，廣泛運(yùn)用于海洋、湖泊、河道及蓄滯洪區(qū)的流場、流速、水位等方面的模擬，能夠獲得不同水文要素的時空分布及洪水淹沒信息[8]。

MIKE21水動力學(xué)模塊是本次風(fēng)險分析模擬最核心的基礎(chǔ)模塊。水流模擬基于的控制方程是不可壓流三維雷諾Navier-Stokes平均方程沿水深積分的連續(xù)方程和動量方程，其連續(xù)性方程X和Y方向動量方程如下[9]：

(1)

(2)

(3)

(4)

2 陽明湖水動力模型構(gòu)建

2.1 降雨徑流模型的建立

參考海綿徑流控制分區(qū)，將湖區(qū)一共分為14個匯水分區(qū)，再根據(jù)各個區(qū)域具體的海綿城市設(shè)計內(nèi)容，分別對綠色屋頂、透水鋪裝、下凹式綠地、雨水花園等建設(shè)情況進(jìn)行綜合統(tǒng)計，得到各區(qū)塊的不透水面積比例，采用MIKE 11降雨徑流模型模擬計算設(shè)計洪水不同工況的徑流產(chǎn)生量，分區(qū)位置如圖2所示，各區(qū)域的暴雨24 h內(nèi)瞬時最大流量見表1。

圖2 匯水分區(qū)位置Fig.2 Location map of each catchment zone

2.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

利用Arcgis將陽明湖水系邊界矢量化，生成xyz文件，然后導(dǎo)入MIKE21水動力模型生成陽明湖水系邊界，即為陸地邊界，再用網(wǎng)格生成器生成非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格即可得到模擬區(qū)域的計算網(wǎng)格。湖區(qū)水系水下地形見圖3，計算網(wǎng)格由三角形單元構(gòu)成，這樣能較好的擬合岸線和島嶼。根據(jù)需要，網(wǎng)格單元邊長約為3～30 m。所在區(qū)域建立的數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格單元數(shù)為11 630個。

表1 各匯水區(qū)24 h瞬時最大流量Tab.1 24-hour instantaneous maximum flow in each catchment area

2.3 計算工況及水文條件

根據(jù)防洪規(guī)劃，陽明湖地區(qū)規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇。本項目為了校核設(shè)計方案及了解水系流場分布情況，結(jié)合常德多年水文氣象條件，共設(shè)置了5種不同的工況，工況具體情況如表2所示。

圖3 陽明湖水下地形圖Fig.3 Underwater topographic map of Yangming Lake

表2 水動力模型工況列表Tab.2 Conditions of hydrodynamic model

各工況中，豐水期、平水期3個工況下河道將接受產(chǎn)匯流進(jìn)入水系的水量，產(chǎn)匯流的計算由MIKE 11 RR模型進(jìn)行計算。各水文分區(qū)進(jìn)入水系的排口位置如圖4所示。

圖4 地表徑流進(jìn)入河道的位置分布圖Fig.4 Locations of storm water outlets

3 結(jié)果分析

3.1 工況1結(jié)果分析

該工況下，發(fā)生30年一遇降雨，流域產(chǎn)生徑流進(jìn)入附近的河道和湖泊。關(guān)閉紅云泵站、腰堤泵站、紅云水閘，打開天井碈泵站和建設(shè)碈泵站。建新河、紅云溪、陽明湖的澇水通過永興河、陽明湖南部進(jìn)入楊家港中，通過天井碈泵站排入到枉水河中，多余的澇水進(jìn)入到枉渚湖，通過建設(shè)碈泵站排入到枉水河中。腰堤港、枉渚湖的澇水通過建設(shè)碈泵站排到枉水河中。

模型輸入條件中，天井碈泵站、建設(shè)碈泵站分別采用設(shè)計最大流量，分別為10.5、20.4 m3/s，該工況下陽明湖與枉渚湖湖心位置處水位變化過程線如圖5所示，湖心水位最高時全域內(nèi)的水位分布見圖6。

圖5 工況1水位變化過程Fig.5 Water level variation lines of condition 1

如圖5所示，湖區(qū)水位將上升至30年一遇設(shè)計洪水位31.29 m以上，略超設(shè)計規(guī)劃洪水位(陽明湖水系30年一遇洪水位為31.1 m)。枉渚湖位于水系下游位置，水位變化趨勢與陽明湖保持一致，同一時刻下湖區(qū)水位略高于陽明湖，但是相差不大。12∶00后湖區(qū)水位急速上升，18∶00以后又開始回落，因降雨強(qiáng)度從11∶00開始經(jīng)歷了先增大后減小的過程。

整個降雨期間，水系內(nèi)流速隨著降雨強(qiáng)度的變化均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(圖7)。因澇水由腰堤港進(jìn)入枉渚湖，以及建設(shè)碈泵站的取水，枉渚湖內(nèi)整體的流向為由西南流向東北角。由于島嶼眾多，島嶼之間距離各不相同，隨著澇水流量的變化，湖區(qū)島嶼之間流道存在不同方向交錯的流態(tài)。陽明湖湖區(qū)西北部建新河入湖口由于4個小島的阻水作用，使得由建新河進(jìn)入的澇水流速降低，加上湖區(qū)水面的拓寬，造成陽明湖湖區(qū)流速相對較低，湖區(qū)內(nèi)流速水平明顯小于枉渚湖。枉渚湖湖區(qū)整體流速水平為0～0.1 m/s之間，陽明湖主體湖區(qū)流速水平為0～0.05 m/s之間。

圖6 工況1湖心最高時水系的水位分布(單位：m)Fig.6 Water level distribution map of the lake at the highest water level of condition 1

圖7 工況1湖區(qū)瞬時流速分布時間變化圖(降雨24 h)Fig.7 Instantaneous flow velocity distribution versus time of condition 1(Rainfall 24 hours)

圖7(d)為整個研究區(qū)域流速最大時的流場結(jié)構(gòu)圖，由圖7可以看出，陽明湖東部區(qū)域由于與陽明湖主流方向垂直，天井碈泵站的抽水也并不足以驅(qū)動該處水體的流動，因此該處流速較緩，最大流速不超過0.01 m/s。除此之外，陽明湖東北角狹窄的流道由于在北側(cè)被中斷，水流難以與外界進(jìn)行交換，形成了死水區(qū)，為整個水系中流速最低的區(qū)域。

3.2 工況2結(jié)果分析

工況2是在工況1的基礎(chǔ)上調(diào)整風(fēng)場大小的影響，將風(fēng)速大小設(shè)置為平均風(fēng)速，以驗證暴雨過程中的整個湖區(qū)水位變化情況是否符合設(shè)計洪水位要求。水位過程變化線(圖8)和瞬時流速分布圖(圖9)如下。

由水位變化圖8可得，在1.9 m/s，NNE的平均分速風(fēng)場影響下湖區(qū)水體的水位變化趨勢與設(shè)計最大風(fēng)速條件下的類似，

圖8 工況2水位變化過程線Fig.8 Water level variation lines of condition 2

但是水體的瞬時最高水位為31.08 m，小于洪水水位31.10 m，滿足防洪要求。該工況下水系內(nèi)流態(tài)與工況1條件下相差不大，陽明湖東部湖區(qū)與陽明湖主流方向垂直，天井碈泵站的抽水并不足以驅(qū)動該處水體的流動，因此該處流速較緩，最大流速不超過0.01 m/s。除此之外，陽明湖東北角狹窄的流道依然為低流速區(qū)。

3.3 工況3結(jié)果分析

該工況下，打開紅云泵站、腰堤泵站、紅云水閘，從沅江取水，通過建新河、腰堤港、紅云溪分別進(jìn)入到陽明湖和枉渚湖中，同時10 mm降雨產(chǎn)生徑流后進(jìn)入陽明湖水系，最終通過天井碈泵站和建設(shè)碈泵站進(jìn)行湖體換水。

圖9 工況2湖區(qū)瞬時流速分布時間變化圖(降雨24 h)Fig.9 Instantaneous flow velocity distribution versus time of condition 2(Rainfall 24 hours)

庫區(qū)內(nèi)水位變化過程如圖10所示，該工況下湖區(qū)水位迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并維持在常水位水平。圖11為水系內(nèi)流場穩(wěn)定后的流速分布圖。由于該工況單位時間內(nèi)降雨量為常數(shù)，且泵站均以恒定流量調(diào)度，水系內(nèi)流場很快便趨于穩(wěn)定。水系內(nèi)河道除了陽明湖東部流速較小外，其余河道流速均已大于0.03 m/s。陽明湖主體湖區(qū)流速穩(wěn)定在0.001 5～0.002 2 m/s之間，枉渚湖主體流速水平穩(wěn)定在0.006 m/s附近，湖區(qū)內(nèi)流場走向為由西北陽明湖和西邊腰堤港流向東側(cè)建設(shè)碈泵站。與豐水期的情況類似，整個水系的死水區(qū)仍然出現(xiàn)在陽明路以東的陽明湖區(qū)域以及陽明湖東北角狹窄流道，該工況下，這兩處水體流速基本處于靜止?fàn)顟B(tài)。

圖10 工況3水位變化過程線Fig.10 Water level variation lines of condition 3

圖11 工況3湖區(qū)瞬時流速分布時間變化圖(降雨24小時)Fig.11 Instantaneous flow velocity distribution versus time of condition 3(Rainfall 24 hours)

3.4 工況4結(jié)果分析

該工況下，打開紅云泵站、腰堤泵站、紅云水閘，從沅江取水，通過建新河、腰堤港、紅云溪分別進(jìn)入到陽明湖和枉渚湖中，最終通過天井碈泵站和建設(shè)碈泵站進(jìn)行湖體換水。其中，紅云泵站、腰堤泵站來水流量分別為設(shè)計流量1.3和1.0 m3/s

庫區(qū)內(nèi)水位變化過程如圖12所示，該工況下湖區(qū)水位迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并維持在常水位水平。圖13為該工況下水系內(nèi)流場穩(wěn)定后的流速分布圖。水系內(nèi)流速水平相比平水期工況整體上大大降低，陽明湖湖區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域流速都低于0.001 m/s，如此低的流速對湖區(qū)換水及水質(zhì)狀況十分不利。枉渚湖主體湖區(qū)流速水平穩(wěn)定在0.003～0.01 m/s，受腰堤港來水影響較大。建議增加引水流量或者在滯水水域內(nèi)部增加動力設(shè)施以改善死水區(qū)流動條件，驅(qū)動整個湖區(qū)水流的流動。

圖12 工況4水位變化過程線Fig.12 Water level variation lines of condition 4

3.5 工況5結(jié)果分析

該工況是在工況4基礎(chǔ)上，提高紅云泵站和腰堤泵站流量，將原有最大流量翻倍，水系內(nèi)水量最終通過天井碈泵站和建設(shè)碈泵站進(jìn)行湖體換水。其中，紅云泵站、腰堤泵站來水流量分別為設(shè)計流量2.6和2.0 m3/s。

庫區(qū)內(nèi)水位變化過程如圖14所示，該工況下湖區(qū)水位迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并維持在常水位水平。圖15為該工況下水系內(nèi)流場穩(wěn)定后的流速分布圖。水系內(nèi)流速水平相比工況4有些許提升，尤其是陽明湖主流道流速得到整體提升，紅云溪入流口以北湖區(qū)最高流速達(dá)到0.003 5 m/s，大部分流速依然小于0.002 m/s。流速水平仍然處于較低水平。枉渚湖主湖區(qū)流速水平穩(wěn)定在0.004～0.011 m/s，受腰堤港來水影響較大。

圖13 工況4湖區(qū)瞬時流速分布時間變化圖(降雨24 h)Fig.13 Instantaneous flow velocity distribution versus time of condition 4(Rainfall 24 hours)

圖14 工況5水位變化過程線Fig.14 Water level variation lines of condition 5

4 結(jié) 語

本文采用MIKE 21 FM模型構(gòu)建湖區(qū)水系二維水動力模型系統(tǒng)，根據(jù)常德地區(qū)的水文及氣象條件，設(shè)計考慮了5種不同的工況條件，模擬不同工況下湖區(qū)水位以及流場變化情況，主要結(jié)論及建議如下：

(1)30年一遇降雨條件下，若考慮最大設(shè)計風(fēng)速(22 m/s，NNE)的影響，天井碈泵站、建設(shè)碈泵站以最大設(shè)計流量開啟，湖區(qū)瞬時最高水位將上升31.29 m，略高于洪水水位31.10 m，若將風(fēng)場調(diào)整為正常平均風(fēng)速(1.9 m/s，NNE),則最高水位為30.09 m，低于規(guī)劃洪水水位，滿足排澇要求，平水期及枯水期防洪排澇均可滿足。建議針對臺風(fēng)與30年一遇暴雨同行的工況下，對護(hù)岸設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，或在遇到該工況時提前降低湖區(qū)水位，騰出安全庫容。

(2)在5種工況下，從水體的局部流速來看，陽明湖湖區(qū)內(nèi)整體流速小于枉渚湖湖區(qū)，陽明湖湖區(qū)流速在平水期及枯水期均較低，應(yīng)考慮設(shè)置水動力裝置或形態(tài)調(diào)整；陽明湖東北角狹窄的流道因斷頭出現(xiàn)死水區(qū)，設(shè)計應(yīng)考慮在該區(qū)域布置水動力改善裝置。

(3)平水期，10 mm降雨條件下，水系內(nèi)河道永興河北段、陽明湖東南側(cè)半月形河道流速較小，其余河道流速大于0.03 m/s。建議加大紅云泵站來水流量以及東部兩個泵站的排水流量，或者拓寬連接陽明湖東側(cè)的兩個小河道寬度，驅(qū)動湖區(qū)水流流動。

(4)枯水期，將紅云泵站、腰堤泵站以設(shè)計流量進(jìn)行引水時，水系內(nèi)流速水平相比平水期工況整體上大大降低，陽明湖湖區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域流速都低于0.001 m/s，引水流量增加1倍后對水動力改善效果不顯著，建議在水域內(nèi)部增加內(nèi)源動力，針對局部死水區(qū)增加其水體流動，從而有效地促進(jìn)整體換水速度。

圖15 工況5湖區(qū)瞬時流速分布時間變化圖(降雨24 h)Fig.15 Instantaneous flow velocity distribution versus time of condition 5(Rainfall 24 hours)