基于Mike21模型的河道水質(zhì)提升工程試驗(yàn)研究

奚 斌，陳倩倩，陳 偉，奚 望，鄒 燕，黃海濤，陳志剛，沈世煊，陳葉欣，孔慶昊

（1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009； 2.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200；3.金湖縣河湖管理所，江蘇 淮安 211600； 4.揚(yáng)州市城市河道管理處，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引 言

飲用水源地是保障居民日常生活和公共服務(wù)所需用水的取水地。飲用水源地安全和衛(wèi)生與否直接關(guān)系到人類(lèi)生存和發(fā)展，國(guó)家高度重視飲用水安全保障工作。這里就保障小沿河飲用水源安全、水質(zhì)達(dá)標(biāo)，對(duì)小沿河飲用水源與一航道交匯處采用水動(dòng)力數(shù)值模擬軟件進(jìn)行研究。常見(jiàn)的水動(dòng)力數(shù)值模擬軟件有荷蘭的Delft3D模型、英國(guó)的InfoWorks模型、丹麥的Mike模型等［1］，其中，Mike軟件應(yīng)用廣泛，能模擬一維、二維和三維多種水環(huán)境，且模擬結(jié)果較符合實(shí)際。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用Mike軟件對(duì)河道流態(tài)進(jìn)行研究，張世鑫［2］等基于Mike11分析多閘壩對(duì)河道流量演進(jìn)的影響，并通過(guò)模型研究不同區(qū)段洪峰流量傳播時(shí)間及流量傳播衰減變化；王曦［3］等利用Mike11的水動(dòng)力模塊（HD）和對(duì)流擴(kuò)散模塊（AD）構(gòu)建了北疆供水工程主干渠的水質(zhì)模擬模型，發(fā)現(xiàn)污染物擴(kuò)散距離與污染事故發(fā)生位置無(wú)關(guān)，污染物影響范圍與流量有關(guān)，人工渠道自我凈化能力較弱。在水污染擴(kuò)散研究方面，王迎彬［4］等提出了一種基于多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合的二維水污染源溯源定位方法，并結(jié)合觀(guān)測(cè)值與理論值構(gòu)建的差值函數(shù)，采用擬牛頓法求得污染源關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)污染源的定位追蹤與污染物濃度分布模型的重構(gòu)；趙娟［5］等借助SMS軟件發(fā)現(xiàn)可以根據(jù)潁上閘的水質(zhì)合理地調(diào)整閘的下泄流量，能有效減少汛前潁上閘下泄水量而造成淮河干流突發(fā)性水污染事件的發(fā)生概率。

本文采用Mike21FM水動(dòng)力數(shù)值模型模擬［6，7］和物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)行船從航道經(jīng)過(guò)汊流進(jìn)入水源地上游，導(dǎo)致汊流內(nèi)的污水進(jìn)入水源河道這一現(xiàn)象進(jìn)行了研究，并對(duì)飲水源河道汊流邊界進(jìn)行了優(yōu)化［8］，分析改變汊流邊界對(duì)飲水源河道的流場(chǎng)流態(tài)的影響，并模擬計(jì)算行船以不同速度進(jìn)入飲水源河道牽引進(jìn)入的污水量，研究結(jié)果可以為分汊河道的水污染防治、河道治理等工作提供參考。

1 研究方法

1.1 物理模型搭建

1.1.1 工程概況

徐州市小沿河飲水源河道位于徐州市銅山區(qū)柳泉鎮(zhèn)，是當(dāng)?shù)氐娘嬘盟吹兀袚?dān)周?chē)用竦娘嬘盟┧蝿?wù)，由于一些小型農(nóng)船必須從航道航行經(jīng)汊流進(jìn)入飲水源河道上游，而汊流及航道內(nèi)水質(zhì)較差，行船航行過(guò)程中會(huì)牽引污水進(jìn)入飲水源河道，導(dǎo)致飲水源河道水質(zhì)降低。如圖1（a）所示，飲水源河道和航道在總體上呈倒丁字形，航道下方建有地涵，飲水源河道水流通過(guò)航道下方的地涵流向下游。因通航需要，飲水源河道與航道無(wú)法實(shí)現(xiàn)立交功能，飲水源河道與航道通過(guò)汊流連通，行船從航道通過(guò)汊流駛?cè)胨吹兀旭偼局袝?huì)將汊流內(nèi)的污水隨船行帶入飲水源河道，影響水源水質(zhì)。為盡可能減少行船駛?cè)胨吹貢r(shí)牽引進(jìn)入水源河道的污水量，根據(jù)分汊河道流場(chǎng)流態(tài)以及污染物輸運(yùn)規(guī)律，提出優(yōu)化水源河道汊流邊界。研究范圍為沿飲水源河道流向長(zhǎng)約554 m，河道寬約36 m，沿航道流向長(zhǎng)約441 m，河道寬約61 m，水深在3～4 m。如圖1（b）所示，優(yōu)化措施為封堵原有的汊流，充分利用地涵以北的荒廢的汊流，將分汊角度由69°改為34°。在汊流地上游開(kāi)辟一條供船行駛的單線(xiàn)航道，從岸邊向單線(xiàn)航道邊沿依次栽植濕生植物和沉水植物，同時(shí)在河道右岸內(nèi)布置丁字壩，調(diào)整河道內(nèi)水流流態(tài)，減少污水進(jìn)入飲用水源河道。將該段河道打造為具有排澇、航運(yùn)等綜合功能的生態(tài)走廊。

圖1 汊流邊界優(yōu)化方案示意圖（——航線(xiàn)）Fig.1 Schematic diagram of the optimization scheme of the boundary of the anabranch

根據(jù)查閱資料和分析，飲水源河道和航道為糙率n=0.025，汊流內(nèi)由于載植濕生植物，糙率為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飲水源河道上游邊界的來(lái)流量，同時(shí)控制引水地涵前的對(duì)應(yīng)水位。為獲取飲水源河道內(nèi)流態(tài)，面層流場(chǎng)采用DPIV表面流場(chǎng)采集系統(tǒng)收集流場(chǎng)數(shù)據(jù)，DPIV高清流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)是基于粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Particle Image Velocimetry）的大范圍表面流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。物理模型中河道部分采用混凝土制作，地涵采用PVC板制作，用來(lái)模擬與水流接觸的表面糙度。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)流量計(jì)及閥門(mén)控制模型進(jìn)水流量，下游出水口疊梁式溢水板調(diào)節(jié)水位，當(dāng)流量、水位穩(wěn)定后利用DPIV采集流場(chǎng)數(shù)據(jù)。再采用Tecplot后處理軟件分析面層流場(chǎng)數(shù)據(jù)，獲取相應(yīng)的流場(chǎng)矢量圖和云圖。

1.1.2 研究工況確定

使用Mike21水動(dòng)力模型模擬無(wú)行船經(jīng)過(guò)時(shí)工程優(yōu)化前和汊流邊界優(yōu)化后的飲水源河道流場(chǎng)；以及根據(jù)汊流內(nèi)實(shí)際船行速度，將船行速度分設(shè)為6、9、12、15、18節(jié)，分別對(duì)工程優(yōu)化前和汊流邊界優(yōu)化后河道模擬，共分為12種工況，見(jiàn)表1。在數(shù)模二維分析中把船與水接觸的部分簡(jiǎn)化成面，分析其運(yùn)動(dòng)對(duì)周?chē)鲌?chǎng)的影響。由于此處實(shí)際工程中運(yùn)行的是周邊村民用很小的民船，在河道中所占面積很小，我們?cè)跀?shù)模中把船簡(jiǎn)化成點(diǎn)，將航行路線(xiàn)概化成許多等間距的點(diǎn)，在這些點(diǎn)上添加點(diǎn)源，設(shè)置點(diǎn)源流速為船速，并按船行駛經(jīng)過(guò)的先后順序設(shè)置對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間點(diǎn)和時(shí)間段，模擬單艘船行及船行擾動(dòng)對(duì)主支河道的影響。再選取合適的汊口斷面，分別計(jì)算不同船速下進(jìn)出汊口斷面的水量，以此代表船行牽引進(jìn)入飲水源河道的污水量。

1.2 數(shù)模模擬設(shè)置

1.2.1 計(jì)算方程

采用Mike21FM水動(dòng)力模塊建立數(shù)學(xué)模型。Mike21FM水動(dòng)力模塊基于二維黏性不可壓縮流體動(dòng)量守恒的Navier-Stokes方程，且服從Boussinesq和靜水壓力假定。

二維水流連續(xù)性方程為：

二維水流動(dòng)量方程為：

1.2.2 網(wǎng)格劃分及地形建立

根據(jù)飲水源河道邊界特征和水下地形數(shù)據(jù)，同時(shí)建立工程優(yōu)化前和汊流邊界優(yōu)化后的模型網(wǎng)格，并生成水下地形圖。模擬范圍為沿飲水源河道流向長(zhǎng)約554 m，寬約36 m，沿航道流向長(zhǎng)約441 m，寬約61 m。模型網(wǎng)格采用Mike自帶的網(wǎng)格剖分工具劃分而成，控制網(wǎng)格邊長(zhǎng)在5 m左右，對(duì)汊口處的網(wǎng)格進(jìn)行加密，見(jiàn)圖2。根據(jù)已有的飲水源河道各個(gè)橫斷面水下地形數(shù)據(jù)，導(dǎo)入已生成的模型網(wǎng)格圖中，插值生成地形圖。工程優(yōu)化前和汊流邊界優(yōu)化后地形插值見(jiàn)圖3、圖4。

圖2 工程優(yōu)化前網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Grid of current topography of drinking water anabranch

圖3 工程優(yōu)化前地形插值圖Fig.3 Interpolation map of current topography of drinking water anabranch

圖4 汊流邊界優(yōu)化地形插值圖Fig.4 Topographic interpolation diagram of optimization scheme of drinking water anabranch

為了避免模型計(jì)算出現(xiàn)不穩(wěn)定性，模型啟用干濕分界。飲水源河道和航道初始條件設(shè)置為設(shè)計(jì)水位。由于飲水源河道下游邊界選取的是地涵前的開(kāi)敞式水面，且由于航道與飲水源河道下游通過(guò)汊流連接，因此飲水源河道和航道下游邊界均設(shè)置水位31.53 m。飲水源河道的上游邊界設(shè)置流量10 m3/s。航道上游邊界設(shè)置通過(guò)流量5 m3/s。

1.3 模型參數(shù)率定及驗(yàn)證

使用VY-Ⅲ多功能流速儀在不同測(cè)點(diǎn)測(cè)量0.6倍水深處點(diǎn)流速，并根據(jù)流速比尺換算成原型流速，代表該測(cè)點(diǎn)的平均流速。在二維水動(dòng)力模型中，輸出對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的模擬流速。將實(shí)測(cè)流速與二維水動(dòng)力模型的模擬流速數(shù)據(jù)比較：為了對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析，采用DPIV技術(shù)對(duì)搭建的物理模型進(jìn)行測(cè)量，對(duì)河道六個(gè)不同位置的斷面流場(chǎng)進(jìn)行研究，為了驗(yàn)證所建數(shù)學(xué)模型的可靠性，需將數(shù)值模擬結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。數(shù)學(xué)模型弗勞德數(shù)、雷諾數(shù)及流量比均與物模試驗(yàn)保持一致。流速對(duì)比情況如圖5所示。

圖5 主河道不同斷面各測(cè)線(xiàn)上的流速對(duì)比圖Fig.5 Comparison of flow velocity on each measuring line at different sections of the main channel

不同縱向斷面水面線(xiàn)高度與物模試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合較好，飲水源河道內(nèi)不同斷面上的速度數(shù)值模擬值與物模試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合良好，能夠反映流速變化的整體趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分布趨勢(shì)吻合基本良好，數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果具有可信度。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 汊流邊界優(yōu)化分析

采用Mike21對(duì)工況1和工況7的飲水源河道流場(chǎng)進(jìn)行模擬，見(jiàn)圖6、7。根據(jù)工況1的飲水源河道流場(chǎng)圖，由于飲水源河道底部地勢(shì)較低，優(yōu)化前汊流內(nèi)河底地勢(shì)較高，且分汊角度較大，無(wú)船行駛情況下，飲水源河道的水流在汊口受到地勢(shì)阻礙，只有很小一部分水流流入汊流，從飲水源河道進(jìn)入汊流的流量為0.67 m3/s，并在汊口形成低流速的大面積回流，回流面積約為150 m2，約占汊口處60%面積，污染物會(huì)隨回流積聚在汊流河口附近，且濃度隨時(shí)間會(huì)越來(lái)越高。若行船從汊流進(jìn)入水源河道，勢(shì)必會(huì)將大量回流區(qū)的污染物牽引進(jìn)入飲水源河道，影響飲水源河道水質(zhì)。

圖6 原方案流場(chǎng)模擬圖Fig.6 Flow field simulation diagram of the original scheme

圖7 優(yōu)化方案流場(chǎng)模擬圖Fig.7 Optimization scheme flow field simulation diagram

根據(jù)工況7的飲水源河道流場(chǎng)圖，優(yōu)化汊流邊界以后，飲水源河道上游的水在經(jīng)過(guò)汊口時(shí)，由于分汊角減小，主干河道的水流易于匯入優(yōu)化后的汊流河口，同時(shí)有1.36 m3/s的小部分水流平順進(jìn)入汊流，優(yōu)化后的汊口無(wú)低速回流區(qū)，流速分布均勻。

2.2 行船牽引污水量分析

在飲水源河道進(jìn)口處設(shè)置污水進(jìn)出量測(cè)量斷面（見(jiàn)圖8），對(duì)工況2～6和工況8～12由行船牽引進(jìn)入飲水源河道的污水量進(jìn)行計(jì)算，用通過(guò)斷面的水量代表船行牽引進(jìn)入飲水源河道的污水量，見(jiàn)圖9、10。

圖8 測(cè)量斷面示意圖Fig.8 Flow field simulation diagram of optimization scheme

圖9 不同船行速度牽引汊口斷面污水量Fig.9 The amount of sewage in the section of the anabranch at different speeds

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，工程優(yōu)化前的飲水源河道，船行速度分別為6、9、12、15、18節(jié)時(shí)，船行牽引進(jìn)入飲水源河道的最高污水量分別為253、249、251、269、273 m3；而根據(jù)工況8～12的模擬計(jì)算結(jié)果，汊流邊界經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，行船分別以6、9、12、15、18節(jié)進(jìn)入飲水源河道，牽引進(jìn)入水源地的最高污水量分別為172、210、223、239、258 m3。根據(jù)圖9可知，從船舶進(jìn)入汊流開(kāi)始計(jì)時(shí)200 s，隨著時(shí)間的增加，在不同船速下，污水量均呈現(xiàn)先小幅下降再大幅上升的趨勢(shì)，在工程優(yōu)化前，污水量在大幅上升之后波動(dòng)下降，并穩(wěn)定在一個(gè)較大的流量，且船速越小最終污水量越大，在船速高于15節(jié)時(shí)，最終污水量穩(wěn)定在200 m3，而在工程優(yōu)化之后，進(jìn)入飲水源河道的污水量減小，其間有個(gè)峰值點(diǎn)，峰值之后急速下降并恢復(fù)到無(wú)船的狀態(tài)。由于優(yōu)化后的汊流河口頂托作用加強(qiáng)，船行駛過(guò)后，兩側(cè)水流形成對(duì)沖，在汊流河口處形成回流，導(dǎo)致汊流河口進(jìn)出水量變化不明顯，船行駛過(guò)后，汊流河口能較快調(diào)整到無(wú)船狀態(tài)，水流又從飲水源河道流入汊流。

通過(guò)對(duì)比相同行船速度下的斷面最大污水牽引量（見(jiàn)圖10）可得，汊流邊界優(yōu)化后船行牽引帶入飲水源河道的污水量均少于工程優(yōu)化前，這是由于優(yōu)化后的汊流河口相較于優(yōu)化前的汊流河口頂托作用加強(qiáng)。且船行速度在6節(jié)時(shí)，汊流邊界優(yōu)化后船行牽引帶入的污水量變化最明顯。根據(jù)汊流邊界優(yōu)化后不同船行速度的比較發(fā)現(xiàn)，隨著船行速度的增加，行船牽引進(jìn)入飲水源河道的污水量也在增加。

圖10 不同船行速度牽引進(jìn)入飲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

汊流邊界優(yōu)化可以有效減少行船行駛牽引進(jìn)入飲水源河道的污水量，且隨著船行速度的增加，進(jìn)入飲水源河道的污水量也在增加。建議汊流內(nèi)的行船經(jīng)過(guò)汊口時(shí)速度限制在6節(jié)左右，可以減少污水被牽引帶入飲水源河道。

3 結(jié) 論

本文采用Mike軟件建立了飲水源河道二維水動(dòng)力模型，并與物理模型對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)流速驗(yàn)證數(shù)模的準(zhǔn)確性，分析了飲水源河道汊流河口流場(chǎng)和不同船行速度牽引污水進(jìn)入飲水源河道的污水量。得出以下結(jié)論：

（1）優(yōu)化汊流邊界可以有效改善飲水源汊口河道的流態(tài)，在無(wú)行船時(shí)可以控制航道污水進(jìn)入小沿河，有船通行時(shí)，優(yōu)化方案中相同船速情況下進(jìn)入小沿河的航道污水量減少，因此可以結(jié)合工程投資總效益選擇，優(yōu)化汊流邊界減少行船牽引進(jìn)入飲水源河道的污水量。

（2）在優(yōu)化方案下，隨著船速的提升，牽引進(jìn)飲水源河道的污水量逐漸增加，船速6節(jié)時(shí)，船行牽引進(jìn)入飲水源河道的污水量最少。