基于MIKE21 二维水动力模型的天井湖湖区洪水流场流速分布研究

王 江 张 鹏

（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230601）

1 湖泊概况

天井湖为淮河流域苏皖省界湖泊，湖区跨安徽省五河县和江苏省泗洪县，总面积35.5km2。天井湖总流域面积791km2，其中上游石梁河汇水面积681km2，湖周边友谊沟、史王沟等大沟汇入，区间汇水面积110km2。天井湖下游在五河县大杨村附近通过天井湖引河汇入怀洪新河。

分析天井湖行洪期的流场和流速，对天井湖行洪通道的划定和管理、以及湖区水域岸线的开发利用有重要的意义。本文采用MIKE21 对天井湖湖区进行建模并分析计算。

2 计算方法及原理

MIKE21 软件模拟二维洪水演进的技术比较成熟，已在国内外得到广泛应用。MIKE21 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，在笛卡尔坐标系中可用如下方程表示：

连续性方程：

X 方向动量方程：

Y 方向动量方程：

式中：t 为时间；x，y，z 为右手Cartesian 坐标系；d 为静止水深；h=η+d 为总水深；η 为水位；u，v分别为流速在x，y 方向上的分量；f 为科氏力系数f=2Ωsinθ，Ω为地球旋转的角频率，θ为当地的纬度；ρ为水的密度；ρ0为参考水密度为地球自转引起的加速度；Sxx，Sxy，Syx和Syy为辐射应力分量；Txx，Txy，Tyx和Tyy为水平粘滞应力项；Pa为当地的大气压；S 为源汇项（us，vs）源汇项水流流速。τsx，τsy为风场摩擦力在x，y 上的分量；τbx，τby为底床，摩擦力在x，y 上的分量。

3 模型的建立

3.1 水文分析

天井湖是以除涝功能为主的湖泊，天井湖引河闸、打雁刘圩堤的设防水位均为20 年一遇。天井湖引河闸下杨庵水文站于2018 年8 月设立，至今观测资料尚未汇编。天井湖主要汇水面积为安徽境内淮北平原，安徽省淮北地区除涝水文计算，历来均采用由设计暴雨通过产、汇流推算的方法。现行采用的计算办法为《安徽省淮北地区除涝水文计算办法》（1981 年）（以下简称《安徽省计算办法》）。《安徽省计算办法》是目前淮北骨干河道、边界工程及排水区除涝水文计算的主要依据，在多年来治淮工程规划、设计中被广泛采用。

根据《安徽省计算办法》，淮北地区三天点暴雨均值为125mm，CV=0.55，CS=3.5CV。经分析，20 年一遇设计点暴雨262mm。天井湖汇水面积791km2，采用点雨/面雨折算系数0.861。天井湖20 年一遇设计暴雨226mm。

“70 年北京对口成果”设计Pa 值采用：3～5 年一遇为45mm，10～20 年一遇用55mm。同时把淮北降雨径流关系划分为4 个区，提出了相应的降雨径流关系线，天井湖均处于a 区，采用1 号线。降雨径流关系见表1。

表1 安徽省淮河流域淮北平原洼地降雨径流关系表

根据《淮北除涝水文计算方法》，淮北平原地区规划统一采用K=0.026，排水流量按公式Q=0.026RF0.75 计算，20 年一遇乘0.85。天井湖集水面积为791km2，20 年一遇入库设计流量为580m3/s。

3.2 边界条件

本模型闭边界为陆地边界，开边界为石梁河入天井湖口及天井湖入怀洪新河开口。不考虑天井湖调蓄，天井湖20 年一遇入湖和出湖设计流量为580m3/s。1991 年、1996 年天井湖水位均在16.3m以上，2003 年7 月10 日实测天井湖闸闸上水位16.47m。从历史情况看，天井湖历次高水位均与怀洪新河分洪相关。因此，本次设计洪水计算均考虑怀洪新河分洪工况。

3.3 糙率

天井湖历次规划均没有提出糙率，通过查阅现场调研资料、相关项目经验及各种相关书籍资料，对于滩地具有树木、高杆植物的河滩，糙率可选0.032～0.035。天井湖现状滩地有较多围网养殖和圈圩，糙率应适当加大。本次天井湖在进行洪水模拟的过程中，模型中糙率选用0.035。

3.4 网格概化

MIKE21 非结构化网格模型采用非结构有限体积法离散控制方程。有限体积法中使用的非结构网格通常由三角形或四边形网格组成，为了准确拟合曲折的岸边界，一般采用三角形网格进行计算。本

（查表用内插法计算可得20 年一遇R=176mm）次采用边长约20～60m 的三角形作为计算网格，总共划分4099 个网格。模型网格划分如图1。

图1 网格划分及地形分布示意图

3.5 时间步长

时间步长是模型迭代计算的时间线段长度，时间步长越小计算精度越高，但是计算机负载也相应加重。此次利用有限体积法计算三角网格的水流模拟时，采用30s 作为最大时间步长，0.01s 作为最小时间步长。

4 流场和流速分析结果

4.1 流场和流向分布

根据模型计算结果，天井湖除湖湾死角和石梁河入湖段外，其余洪水流态较为均匀，没有出现范围较大的回流区，见图2。但是在天井湖引河入湖段产生了较为严重的洪水流态不均匀的情况。洪水流向偏差角度高达±47°，经现场调查核实，现状石梁河入天井湖口圈圩养殖情况比较严重，对洪水流态造成了不利影响。此外，天井湖引河处的流向偏差角度达±23°，但没有出现明显的紊流状态，考虑是局部洪水转弯半径较小导致。

图2 天井湖洪水流向等势线示意图

4.2 流速分布

根据模型计算结果，石梁河最大流速为0.47m/s，天井湖引河流速1.16m/s，除石梁河段和天井湖引河段以外，石梁河洪水在天井湖内流速较小，绝大部分湖区流速小于0.2m/s，最大流速均小于0.5m/s。见表3 和图3～图5。

图3 天井湖湖区流速分布示意图

图4 石梁河入口流速分布细部图

图5 天井湖引河流速分布细部图

表2 天井湖湖区流速向偏差角度分布表

表3 天井湖湖区流速分布情况表

5 结论及建议

通常将流线一致、流场均匀和流速较大的湖区范围划定行洪通道。天井湖行洪通道区域较为狭窄，其中在石梁河入口和天井湖引河均为行洪通道，在湖区范围的行洪通道宽度约为200～400m。其余部分基本没有流速分布。

从计算结果看天井湖湖区在20 年一遇洪水工况下除天井湖引河外，其洪水流速较为缓慢。但是天井湖引河流速较大，局部流速超过1.16m3/s。建议采取一定的防冲刷措施。

石梁河入口处由于现状湖泊圈圩养殖情况比较严重，在遭遇20 年一遇洪水时洪水流场不均、流向分布混乱，对行洪造成了较大阻碍，建议对圈圩进行清理，恢复行洪通道的畅通。

6 结语

在编制湖泊保护规划时，需要对湖区行洪通道进行划定，对洪水的流向和流态分布进行研究。采用MIKE21 二维水动力模型可以直观分析出设计洪水下的天井湖湖区的流场和流速分布，同时可以通过图像直观表达，便于迅速找出问题存在的部位，分析问题的影响。

天井湖是苏皖省界湖泊，对天井湖的治理开发和保护应遵循保护优先、两省均衡、协商一致的原则。天井湖目前洪水流态不会产生较大问题，但是局部流态紊乱现象明显，建议对影响行洪通道畅通的圈圩和围网应尽早开展集中整治■