MIKE21在水系综合整治工程中的应用

钱佳欢，羊 瑞，陈懿强

(中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120)

目前，随着城市内涝问题及水环境问题的集中爆发，越来越多的水系及水环境综合治理项目在开展。新开挖连通形成的水系，无可参考的观测基础资料，无法针对不同的引排水工况，对水系的流场和水位进行较为直观准确的判断，模型的运用显得较为可靠。目前，MIKE21在水系综合治理中主要体现在防洪、水动力及水质扩散分析等方面。阮洲[1]等运用MIKE21计算了枝江市金湖50年一遇及30年一遇洪水位，指导水生植物的种植；常楚阳[2]等运用MIKE21模拟推演了杜家台分洪区的洪水演进情况；贾瑞鹏[3]等运用MIKE 21水动力和水质耦合模型分析得到了万宝湖水质扩散及分布情况，指导污染物减排方案制定；王哲[4]等运用MIKE21模拟了金仓湖的流场分布及水质扩散情况，指导湖体优化设计；杨卫[5]等研究了汤逊湖湖泊群5种不同连通方案下的水动力和水质分布情况；余成[6]等运用MIKE21模型模拟了4种不同引水工况下TN、TP的分布情况；张虎[7]等运用MIKE21软件模拟对比了“菜子湖”和“白荡湖”引水方案对巢湖水质的改善效果。本文以阳明湖综合治理工程为例，运用MIKE21软件建立开展了二维水动力模型，计算模拟水系不同工况下的水位及流场变化，为复核引水工程规模和优化水系形态提供依据，指导工程设计及优化调度方案。

1 工程概况及模型选用

1.1 项目区现状

阳明湖版块内部水系现状分成北部赤塘湖、南部枉渚湖两个相对独立的水系，外部与沅江、汪水河相接。赤塘湖现状被分割为渔业养殖用的鱼塘，面积约 0.97 km2，南北向长约2.3 km，东西向约1 km，目前水系不连通，水体流动性较差；杨家港和永兴河均主要起到排涝作用，杨家港南北分两条渠道，南侧高排渠长2.9 km，北侧第排渠长约1.3 km，永兴河与赤塘湖相接，总长约3.8 km。枉渚现状面积约0.33 km2，水域主要是鱼塘，汛期洪水主要通过现状红星高低排河排入汪水河。

1.2 实施后水系概况

工程以阳明湖(北部)和枉渚湖(南部)两湖打造阳明湖片区的水系核心；建新河、红云溪和腰堤港作为水系的引水通道，红云泵站、腰堤泵站和红云水闸调节引水量。杨家港和永兴河均为排水通道，天井碈泵站和建设碈泵站调节排水量。实施后的项目区水系如图1所示。

图1 实施后阳明湖水系平面图Fig.1 Water system plan of the Yangming Lake after the implementation

1.3 基本方程

采用丹麦水力研究所(DHI)研发的MIKE21软件进行计算网格生成、地形处理和水流计算等。MIKE21属于平面二维自由表面流模型，广泛运用于海洋、湖泊、河道及蓄滞洪区的流场、流速、水位等方面的模拟，能够获得不同水文要素的时空分布及洪水淹没信息[8]。

MIKE21水动力学模块是本次风险分析模拟最核心的基础模块。水流模拟基于的控制方程是不可压流三维雷诺Navier-Stokes平均方程沿水深积分的连续方程和动量方程，其连续性方程X和Y方向动量方程如下[9]：

(1)

(2)

(3)

(4)

2 阳明湖水动力模型构建

2.1 降雨径流模型的建立

参考海绵径流控制分区，将湖区一共分为14个汇水分区，再根据各个区域具体的海绵城市设计内容，分别对绿色屋顶、透水铺装、下凹式绿地、雨水花园等建设情况进行综合统计，得到各区块的不透水面积比例，采用MIKE 11降雨径流模型模拟计算设计洪水不同工况的径流产生量，分区位置如图2所示，各区域的暴雨24 h内瞬时最大流量见表1。

图2 汇水分区位置Fig.2 Location map of each catchment zone

2.2 模型建立与网格划分

利用Arcgis将阳明湖水系边界矢量化，生成xyz文件，然后导入MIKE21水动力模型生成阳明湖水系边界，即为陆地边界，再用网格生成器生成非结构三角形网格即可得到模拟区域的计算网格。湖区水系水下地形见图3，计算网格由三角形单元构成，这样能较好的拟合岸线和岛屿。根据需要，网格单元边长约为3～30 m。所在区域建立的数学模型网格单元数为11 630个。

表1 各汇水区24 h瞬时最大流量Tab.1 24-hour instantaneous maximum flow in each catchment area

2.3 计算工况及水文条件

根据防洪规划，阳明湖地区规划防洪标准为30年一遇。本项目为了校核设计方案及了解水系流场分布情况，结合常德多年水文气象条件，共设置了5种不同的工况，工况具体情况如表2所示。

图3 阳明湖水下地形图Fig.3 Underwater topographic map of Yangming Lake

表2 水动力模型工况列表Tab.2 Conditions of hydrodynamic model

各工况中，丰水期、平水期3个工况下河道将接受产汇流进入水系的水量，产汇流的计算由MIKE 11 RR模型进行计算。各水文分区进入水系的排口位置如图4所示。

图4 地表径流进入河道的位置分布图Fig.4 Locations of storm water outlets

3 结果分析

3.1 工况1结果分析

该工况下，发生30年一遇降雨，流域产生径流进入附近的河道和湖泊。关闭红云泵站、腰堤泵站、红云水闸，打开天井碈泵站和建设碈泵站。建新河、红云溪、阳明湖的涝水通过永兴河、阳明湖南部进入杨家港中，通过天井碈泵站排入到枉水河中，多余的涝水进入到枉渚湖，通过建设碈泵站排入到枉水河中。腰堤港、枉渚湖的涝水通过建设碈泵站排到枉水河中。

模型输入条件中，天井碈泵站、建设碈泵站分别采用设计最大流量，分别为10.5、20.4 m3/s，该工况下阳明湖与枉渚湖湖心位置处水位变化过程线如图5所示，湖心水位最高时全域内的水位分布见图6。

图5 工况1水位变化过程Fig.5 Water level variation lines of condition 1

如图5所示，湖区水位将上升至30年一遇设计洪水位31.29 m以上，略超设计规划洪水位(阳明湖水系30年一遇洪水位为31.1 m)。枉渚湖位于水系下游位置，水位变化趋势与阳明湖保持一致，同一时刻下湖区水位略高于阳明湖，但是相差不大。12∶00后湖区水位急速上升，18∶00以后又开始回落，因降雨强度从11∶00开始经历了先增大后减小的过程。

整个降雨期间，水系内流速随着降雨强度的变化均呈现先增大后减小的趋势(图7)。因涝水由腰堤港进入枉渚湖，以及建设碈泵站的取水，枉渚湖内整体的流向为由西南流向东北角。由于岛屿众多，岛屿之间距离各不相同，随着涝水流量的变化，湖区岛屿之间流道存在不同方向交错的流态。阳明湖湖区西北部建新河入湖口由于4个小岛的阻水作用，使得由建新河进入的涝水流速降低，加上湖区水面的拓宽，造成阳明湖湖区流速相对较低，湖区内流速水平明显小于枉渚湖。枉渚湖湖区整体流速水平为0～0.1 m/s之间，阳明湖主体湖区流速水平为0～0.05 m/s之间。

图6 工况1湖心最高时水系的水位分布(单位：m)Fig.6 Water level distribution map of the lake at the highest water level of condition 1

图7 工况1湖区瞬时流速分布时间变化图(降雨24 h)Fig.7 Instantaneous flow velocity distribution versus time of condition 1(Rainfall 24 hours)

图7(d)为整个研究区域流速最大时的流场结构图，由图7可以看出，阳明湖东部区域由于与阳明湖主流方向垂直，天井碈泵站的抽水也并不足以驱动该处水体的流动，因此该处流速较缓，最大流速不超过0.01 m/s。除此之外，阳明湖东北角狭窄的流道由于在北侧被中断，水流难以与外界进行交换，形成了死水区，为整个水系中流速最低的区域。

3.2 工况2结果分析

工况2是在工况1的基础上调整风场大小的影响，将风速大小设置为平均风速，以验证暴雨过程中的整个湖区水位变化情况是否符合设计洪水位要求。水位过程变化线(图8)和瞬时流速分布图(图9)如下。

由水位变化图8可得，在1.9 m/s，NNE的平均分速风场影响下湖区水体的水位变化趋势与设计最大风速条件下的类似，

图8 工况2水位变化过程线Fig.8 Water level variation lines of condition 2

但是水体的瞬时最高水位为31.08 m，小于洪水水位31.10 m，满足防洪要求。该工况下水系内流态与工况1条件下相差不大，阳明湖东部湖区与阳明湖主流方向垂直，天井碈泵站的抽水并不足以驱动该处水体的流动，因此该处流速较缓，最大流速不超过0.01 m/s。除此之外，阳明湖东北角狭窄的流道依然为低流速区。

3.3 工况3结果分析

该工况下，打开红云泵站、腰堤泵站、红云水闸，从沅江取水，通过建新河、腰堤港、红云溪分别进入到阳明湖和枉渚湖中，同时10 mm降雨产生径流后进入阳明湖水系，最终通过天井碈泵站和建设碈泵站进行湖体换水。

图9 工况2湖区瞬时流速分布时间变化图(降雨24 h)Fig.9 Instantaneous flow velocity distribution versus time of condition 2(Rainfall 24 hours)

库区内水位变化过程如图10所示，该工况下湖区水位迅速达到稳定状态，并维持在常水位水平。图11为水系内流场稳定后的流速分布图。由于该工况单位时间内降雨量为常数，且泵站均以恒定流量调度，水系内流场很快便趋于稳定。水系内河道除了阳明湖东部流速较小外，其余河道流速均已大于0.03 m/s。阳明湖主体湖区流速稳定在0.001 5～0.002 2 m/s之间，枉渚湖主体流速水平稳定在0.006 m/s附近，湖区内流场走向为由西北阳明湖和西边腰堤港流向东侧建设碈泵站。与丰水期的情况类似，整个水系的死水区仍然出现在阳明路以东的阳明湖区域以及阳明湖东北角狭窄流道，该工况下，这两处水体流速基本处于静止状态。

图10 工况3水位变化过程线Fig.10 Water level variation lines of condition 3

图11 工况3湖区瞬时流速分布时间变化图(降雨24小时)Fig.11 Instantaneous flow velocity distribution versus time of condition 3(Rainfall 24 hours)

3.4 工况4结果分析

该工况下，打开红云泵站、腰堤泵站、红云水闸，从沅江取水，通过建新河、腰堤港、红云溪分别进入到阳明湖和枉渚湖中，最终通过天井碈泵站和建设碈泵站进行湖体换水。其中，红云泵站、腰堤泵站来水流量分别为设计流量1.3和1.0 m3/s

库区内水位变化过程如图12所示，该工况下湖区水位迅速达到稳定状态，并维持在常水位水平。图13为该工况下水系内流场稳定后的流速分布图。水系内流速水平相比平水期工况整体上大大降低，阳明湖湖区内大部分区域流速都低于0.001 m/s，如此低的流速对湖区换水及水质状况十分不利。枉渚湖主体湖区流速水平稳定在0.003～0.01 m/s，受腰堤港来水影响较大。建议增加引水流量或者在滞水水域内部增加动力设施以改善死水区流动条件，驱动整个湖区水流的流动。

图12 工况4水位变化过程线Fig.12 Water level variation lines of condition 4

3.5 工况5结果分析

该工况是在工况4基础上，提高红云泵站和腰堤泵站流量，将原有最大流量翻倍，水系内水量最终通过天井碈泵站和建设碈泵站进行湖体换水。其中，红云泵站、腰堤泵站来水流量分别为设计流量2.6和2.0 m3/s。

库区内水位变化过程如图14所示，该工况下湖区水位迅速达到稳定状态，并维持在常水位水平。图15为该工况下水系内流场稳定后的流速分布图。水系内流速水平相比工况4有些许提升，尤其是阳明湖主流道流速得到整体提升，红云溪入流口以北湖区最高流速达到0.003 5 m/s，大部分流速依然小于0.002 m/s。流速水平仍然处于较低水平。枉渚湖主湖区流速水平稳定在0.004～0.011 m/s，受腰堤港来水影响较大。

图13 工况4湖区瞬时流速分布时间变化图(降雨24 h)Fig.13 Instantaneous flow velocity distribution versus time of condition 4(Rainfall 24 hours)

图14 工况5水位变化过程线Fig.14 Water level variation lines of condition 5

4 结 语

本文采用MIKE 21 FM模型构建湖区水系二维水动力模型系统，根据常德地区的水文及气象条件，设计考虑了5种不同的工况条件，模拟不同工况下湖区水位以及流场变化情况，主要结论及建议如下：

(1)30年一遇降雨条件下，若考虑最大设计风速(22 m/s，NNE)的影响，天井碈泵站、建设碈泵站以最大设计流量开启，湖区瞬时最高水位将上升31.29 m，略高于洪水水位31.10 m，若将风场调整为正常平均风速(1.9 m/s，NNE),则最高水位为30.09 m，低于规划洪水水位，满足排涝要求，平水期及枯水期防洪排涝均可满足。建议针对台风与30年一遇暴雨同行的工况下，对护岸设计进行优化调整，或在遇到该工况时提前降低湖区水位，腾出安全库容。

(2)在5种工况下，从水体的局部流速来看，阳明湖湖区内整体流速小于枉渚湖湖区，阳明湖湖区流速在平水期及枯水期均较低，应考虑设置水动力装置或形态调整；阳明湖东北角狭窄的流道因断头出现死水区，设计应考虑在该区域布置水动力改善装置。

(3)平水期，10 mm降雨条件下，水系内河道永兴河北段、阳明湖东南侧半月形河道流速较小，其余河道流速大于0.03 m/s。建议加大红云泵站来水流量以及东部两个泵站的排水流量，或者拓宽连接阳明湖东侧的两个小河道宽度，驱动湖区水流流动。

(4)枯水期，将红云泵站、腰堤泵站以设计流量进行引水时，水系内流速水平相比平水期工况整体上大大降低，阳明湖湖区内大部分区域流速都低于0.001 m/s，引水流量增加1倍后对水动力改善效果不显著，建议在水域内部增加內源动力，针对局部死水区增加其水体流动，从而有效地促进整体换水速度。

图15 工况5湖区瞬时流速分布时间变化图(降雨24 h)Fig.15 Instantaneous flow velocity distribution versus time of condition 5(Rainfall 24 hours)