基于MIKE21FM模型的防洪区洪水演进数值模拟

基于MIKE21FM模型的防洪区洪水演进数值模拟

王聪珲

浙江省第一水电建设集团股份有限公司浙江杭州310051

摘要：本文以梯形断面河道为背景，应用MIKE21FM软件计算桥梁在防洪区洪水演进中，桥墩的雍水情况。对比讨论了三种桥墩概化方式：桥墩作为陆地边界，桥墩网格内部不参与数值计算、不进行剖分；桥墩作为陆地边界，桥墩网格内部不参与数值计算、不进行剖分；

关键词：MIKE21FM模型；洪水演进；数值模拟

MIKE21模型在近几年的应用中体现出精度高、稳定性强、计算效率高等优点，模拟结果具有合理性。本次通过MIKE21FM模型的模拟计算及结果分析，可以看出将桥墩边界作为陆地边界处理，内部不参与数值计算的方法，与实际情况较为吻合。模拟结果具有参考性。通过对比3种桥墩概化方式在MIKE21FM中的模拟结果可知：一般情况下，修正局部糙率模拟结果偏小；修正局部地形模拟结果精确度在网格足够精细条件下，可以得出较好的模拟结果。

一、MIKE21FM模型概述

MIKE21FM是丹麦水利研究所研发的一种平面二维模型，该方法以水动力研究为基础，进过了几十年的发展与改进，MIKE21FM模型的应用己经成为一种比较成熟及普遍的洪水演进数值模拟模型。三角形网格是MIKE21FM模型的基础，网格剖分灵活多变是该方法的优点，可以实现对现实中弯曲多变的地形条件进行实际模拟[1]。

二、工程背景

本次选用怀沙河为研究区域，所在流域为怀沙河流域，该流域总面积为175.2km2，其中平原为17.2km2，怀沙河全长28.7公里。河流发源于怀柔县沙峪乡南、北苇滩，经三岔村进入长城，后与响水湖支流汇合，形成的干流经沙峪、辛营，最后于城关乡凯甲村附近入怀柔水库。沿河有多处泉水汇入。年均流量4765万立方米。1972年在口头村的洪峰达1751m3/s。

考虑到MIKE21FM在工程中已得到广泛的应用，并在洪水演进研究中模拟结果比较稳定，本文基于MIKE21FM模型，就3种不同的桥墩概化方式：①桥墩视为陆地边界，桥墩内部网格不剖分，不参与数值计算；②桥墩处局部地形修正法；③桥墩处局部糙率修正法，通过增大桥墩处糙率值来模拟桥墩的阻水作用。对比分析三种概化结果，得出不同概化方式的适用性及优缺点。对工程实际应用具有一定的现实意义。

三、MIKE21FM模型的建立

3.1河道概况

模拟河道概况：二维模型计算河段长5km，河道纵比降为1：10000，进口底高程为100.0m，出口底高程为95.0m。河道断面形式为正梯形断面，底宽200m，顶宽220m，坡比1：2.5。

3.2桥墩布置

桥墩为圆柱型桥墩，河道内垂直水流方向布设5排，沿水流方向布设2排。桥墩直径2.0m，垂直水流方向桥墩间距20.0m，前后排桥墩中心距离10.0m。边墩距岸坡距离为60.0m。

3.3桥墩概化

三种桥墩概化方式：桥墩视为陆地边界，桥墩内部网格不剖分，不参与数值计算；桥墩处局部地形修正法，通过加高桥墩处地形高程来模拟桥墩阻水作用；桥墩处局部糙率修正法，通过增大桥墩处糙率值来模拟桥墩的阻水作用。

3.4边界条件

模型计算有上下游两个边界条件，上游采用流量边界条件，Q=2343.9m3/s，下游采用水位边界条件，为相应于流量为2343.9m3/s时下游的水位，即98.0m。

3.5计算工况

本次计算有两种工况：河道内布设桥墩、河道内无任何阻水建筑物两种工况条件下，分析桥墩的三种处理方法所产生的结果。

3.6结果分析

对怀沙河流域中参数的处理：采用推理公式法计算小黄梁沟、水泉沟以及汇流总沟的洪峰流量，依据现场调查选取当小黄梁沟、水泉沟及部分总沟和总沟整治段的糙率分别取0.030和0.027，与研究区所在区域的科研成果比较，得出糙率在此取值下结果合理。最终结果中河道水面线形态和水位高程基本与防洪规划中的水位线相似，认为模型模拟整体结果可信。

以下是具体结果分析：

由图1、图2比较3三种桥墩概化方式下桥前雍水结果可知，将桥墩视为陆地边界的桥前雍水结果与修正局部地形结果相近，且大于修正局部糙率结果。究其原因：修正局部糙率法是将桥墩处糙率加到足够大，本文设桥墩处糙率为10。此外，从修正局部糙率可以看出，桥墩处网格单元仍有流速矢量，即表明桥墩处仍有水流通过，与实际中桥墩的完全阻水作用有一定出入，因此出现修正局部糙率模拟结果偏小的现象。关于糙率取值问题，若想取得较好的模拟结果有待进一步深入探讨[2]。

将桥墩边界作为陆地边界处理，内部不参与数值计算的方法，与实际情况较为吻合。模拟结果作为参考的依据。

从图2各测点水位雍高值看出，修正局部地形与将桥墩作为陆地边界处理模拟结果相近。修正局部地形是将桥墩处河底高程增大到高于水位值，作为一个凸起物来模拟其对水流的压缩作用，则局部修正地形模拟结果的精确度有赖于软件生成的地形对真实地形表达的真实性。鉴于网格根据地形高程差值生成模拟地形，在差值过程中存在模拟地形失真的现象。但网格足够细情况下，修正局部地形可以得到相对较好的结果。本次模拟，修正局部地形桥墩处网格尺寸为0.6m。模拟结果与将桥墩作为陆地边界的模拟结果相差在5%以内。精度基本满足实际工程应用。通过对比3种桥墩概化方式在MIKE21FM中的模拟结果可知：一般情况下，修正局部糙率模拟结果偏小；修正局部地形模拟结果精确度在网格足够精细条件下，可以得到较准确定的洪水模拟结果。

四、结论与建议

本文应用MIKE21FM软件，研究在怀沙河流域中桥梁桥墩在防洪区洪水演进中的雍水情况。对比讨论了三种桥墩概化方式：桥墩作为陆地边界，桥墩网格内部不参与数值计算、不进行剖分；桥墩作为陆地边界，桥墩网格内部不参与数值计算、不进行剖分；局部桥墩处地形修正；桥墩处糙率局部修正。通过MIKE21FM模型的模拟计算可以看出，将桥墩边界作为陆地边界处理，内部不参与数值计算的方法，与实际情况较为吻合；一般情况下，修正局部糙率模拟结果偏小；修正局部地形模拟结果精确度在网格足够精细条件下，可以得出较好的模拟结果。

通过三种计算结果的对比分析，得到不同概化方式的优缺点及各自适用性，在实际工程应用中具有实用意义，希望为同类工程提供借鉴。

参考文献：

[1]张大伟.堤坝溃决水流数学模型及其应用研究［D］.北京：清华大学，2008.

[2]刘刚，金生.基于修正Roe格式的有限体积法求解二维浅水方程［J］.水利水运工程学报，2009（3）：29-33.

[3]杨志，冯民权.溃口近区二维数值模拟与溃坝洪水演进耦合[J].水利水运工程学报，2015，（1）：8-19.

[4]姜容，李光炽.蓄滞洪区对淮河干流防洪影响的数值模拟研究[J].中国农村水利水电，2018，（1）：85-88.