1. 引言
随着地表水文现象研究的深入,地表水流数值模拟越来越成为当今学者研究的焦点。MIKE21模型是丹麦水力学研究所开发的二维数学模拟软件,在国内外水动力学模拟中受到了广泛运用,并且取得较为良好的效果。其模型简便、运算快捷、模拟精度高、模拟结果真实,是目前国际上较为先进的模型之一。MIKE21水动力学模型是平面二维自由表面流模型,强大的前、后处理和运算功能,可以模拟由于各种作用力的作用而产生的水位及水流变化 [1],为从事地表水工作技术人员提供可靠手段和重要依据,模型也在应用中不断发展和改进。
国内外对MIKE21水动力模型主要应用在河道行洪分析、蓄洪区洪水演进、城市内涝风险分析和水利工程建设影响等方面。河道行洪分析对河道安全运行 [2]、河堤风险评价 [3] 具有重要意义;蓄洪区洪水演进 [4] 的模拟,可以得到在不同水情下的洪水影响;城市内涝是目前亟待解决的焦点问题,需要合理准确地模拟出大暴雨后的城市积水情况 [5],找出积水原因和对策;水利工程建设 [6] 在发挥巨大的社会、经济效益的同时,会对原始流场产生一定影响,影响程度依靠模拟计算。对此,本文主要综述国内外关于这些领域应用的实际问题和研究现状,总结MIKE21水动力学模型在各方面应用的研究方法和一般结论,旨在为MIKE21水动力学模型研究前景和方向提供参考借鉴。
2. 河道行洪分析
河床经过常年淤积加上河道发生演变,河道运行安全会受到影响,需定期对河道行洪能力进行验证,河道行洪安全要考虑河道堤防、行洪水位和河道流场。唐永 [7] 构建了关于大辽河河道的MIKE21水动力学模型,依据防洪标准,对大辽河研究区整体堤防进行了分析。类似的河道堤防安全评价,还发生在冯金鹏 [8] 对大洋河行洪能力进行检验时,在建立水动力学模型模拟计算后,发现岫岩城市段从铁路桥至雅河汇合口上游,右岸和左岸满足不同洪水标准。另外,马贵友 [9] 对海城河建立二维水动力学模型,计算分析设计洪水条件下河道行洪能力及其流场分布,对河岸岸堤安全性提出了要求。张志林 [10] 选取东风水库上游复州河附近河道为模拟区,运用MIKE21 FM水动力模块绘制了河道流场图,讨论其行洪安全。郭维东 [11] 为研究浑河河道交汇口处的水流特性,选取中间河段作为研究对象,采用MIKE21软件进行洪水演进计算,对此河段的水面形态、流速分布及交汇口处分离区、滞留区等位置做了定量分析。
河道的洪水演进过程可以在MIKE21水动力模型中完整重现,对河道历史洪水进行模拟时,可以利用已有观测资料进行参数的率定和验证,如李艳 [12] 在珲春河洪水演算中,利用20天汛期实测资料进行糙率系数率定,再用1989年洪水资料进行验证,其实测水位、洪峰流量与计算值误差控制在较低水平,证明河道参数选取较为合理,模拟结果接近历史洪水。在洪水演进过程中由于河道地理形状不利,存在漫溢溃堤隐患时,需要人工改造河道,而在河道改造后水文要素必然发生改变,曹磊 [13] 在浏阳河朝正垸急弯河段(改造拓宽了弯曲段)建立二维模型,利用水面线和断面流速资料对参数率定和验证后,对设计洪水模拟后发现在凸岸水流流速增大,在凹岸局部水位出现壅高。
运用MIKE21水动力学模型进行河道行洪分析时,会遭遇精确度和应用局限性问题:河道条件复杂未查明时,模型构建可能不够精确,选取的参数(糙率系数、干湿度和涡粘系数等)要经过反复率定和验证后,才能纳入模型使用中;河道洪水边界条件依据实测流量和水位资料或者设计资料给定,实际河道行洪过程较复杂,资料选取不一定适用河道模型。
3. 蓄洪区洪水演进
蓄洪区利用低洼地区分蓄河道超额洪水,削减河道洪峰流量,减低对河道两岸堤防的压力。利用历史洪水或设计洪水资料进行模拟时,不同的洪水条件得到洪水特征也不同,进而分析洪水演进特性、洪水风险区域,以及影响洪水演进的因素。常楚阳 [14] 利用MIKE21FM水动力学模块构建了杜家台分蓄洪区数值模型,分别对历史上不同频率洪水演进过程进行了模拟计算和分析,计算得到了杜家台地区遭遇不同频率汉江洪水时的分洪情况。在国外,Dushmanta [15] 运用MIKE21水动力学模型成功地模拟了Carrathool和Hay之间区域的淹没深度,持续时间和在该洪泛区的淹没范围。冯畅 [16] 利用MIKE21水动力学模块,将澧南垸分洪闸流量过程作为边界条件,运用矩形结构化网格剖分计算域,对其分洪洪水演进过程进行数值模拟。孙东坡 [17] 应用MIKE21河流模拟系统,建立了黄河下游夹河滩–高村河段的水动力学数学模型。郭凤清 [18] 在成熟的MIKE21平台搭建了潖江蓄滞洪区洪水演进数值模型,应用MIKE21 FM模块中的有限体积法计算了潖江蓄滞洪区的洪水水位、滞洪时间、蓄洪量、流速的动态变化。
河道在时间、环境及人工修建缺陷因素影响下,河段里的险工险段会发生溃堤,侯海红 [19] 在新沂河标准洪水和超标准洪水出现溃堤情况下,建立了防洪保护区范围内的洪水演进水动力学数值模型,对不同水情下洪水风险集中区域进行了研究。刘冀 [20] 以碧流河水库下游为研究对象,利用二维非恒定流模型MIKE21对超标准洪水引起的淹没状况进行了模拟。
洪水演进会受到地质环境因素的影响,地形是一个重要因素,演进规模和程度在地形差异区域发生改变。蔡美营 [21] 以贾口洼蓄滞洪区为例,基于已有水文和地形资料,建立了洪水演进二维数值模型并验证,对大清河100年一遇设计洪水进行演进模拟,模型充分考虑了地面沉降因素的影响,分析了蓄洪滞区洪水在时间和空间上的分布特征,以及地面沉降状况对洪水特性的影响机制。
蓄洪区洪水演进模拟时,若洪水历时资料不全,模拟时长模糊难以确定,在给定短时段内就不能模拟出完整洪水过程;分蓄洪区、防洪保护区在要实际地理环境基础上进行模拟,在大坝、滩地范围内的蓄洪区与其余场地相比,地形条件和水力参数会有所差异,通过数据前处理对地形高程查验,模型参数依据实际情况选定,避免模拟与实际产生人为误差;洪水边界条件和地质情况依据实际资料插入,实际边界条件观测缺失或地质情况未查明,洪水演进模拟会受到较大影响。
4. 城市内涝灾害
近年以来,城市暴雨积水现象严重且频繁发生,研究暴雨积水和洪水演进过程,可以探清暴雨积水和洪水严重区域,查明内涝积水形成原因,为预防城市内涝和做好城市规划管理提供指导。麻蓉 [22] 以北京市朝阳区某规划小区为例,建立二维模型后,在典型降雨情况下模拟了研究区域内的积水过程。又采用ArcGIS模型对该城市内涝工况模拟,两种模型计算结果对比分析后,MIKE21模型的计算结果满足规范要求,模拟效果更好、精度更高。吴思 [23] 运用DHI MIKE软件对武汉市几个典型雨水系统建立模型并模拟计算,针对模型建立、参数的设置、数据的选取、地形的设置、模块耦合等问题提出了要点指导。
城市内涝包括暴雨积水通常会受工程设施和地形环境影响,而且影响效果持续明显。李传奇 [24] 采用适宜的矩形结构网格,考虑到城区建筑物可能对水流运动造成的影响,建立了济南市城区水动力学模型,并利用特大暴雨实测资料对模型糙率进行率定,模拟了历史降雨积水过程。任梅芳 [25] 以2012年暴雨洪水为例,采用MIKE21 Flow Model模型模拟莲花桥处积水深度及流速,基于此又模拟了该区域不同降水情景的积水程度。刘绍青 [26] 运用MIKE21软件对济南市城区主要马路及河流进行数值模拟,通过建立的水动力学模型,利用历史实测降雨资料对模型参数进行率定和验证,得到的模型能够准确地模拟该区域内的地形及水流情况。
城市暴雨形成内涝,若城市化程度较高,城市建筑物、工程设施较多,只能利用模型进行局部加密,但实际水流情况较为复杂,不能精确得到局部工况;城市内涝模拟需要数据前处理,城市暴雨资料则显得至关重要,不能完整观测暴雨过程导致原始资料不全,这对输入模拟条件和验证内涝过程影响较大。
5. 水利工程建设影响
水利工程的修建会对原始流场产生一定影响,主要取决于修建工程的规模、位置,一般水利工程包括涉河桥梁、船闸和码头等水面工程,建成后会在水位、流向和流速等方面产生变化,考虑这些变化为防洪影响评价和水利工程正常运行提供依据。
杨新伟 [27] 研究的拟建跨河桥梁在模拟计算后发现,当采用300年一遇洪水标准时,桥梁修建后水位产生了壅高,流速基本没有受到影响,对桥梁修建以后两岸堤防、主槽、滩地安全提出了分析评价。叶楠 [28] 研究大型桥梁的建成对河道产生的影响,通过利用洪水标准模拟计算后,发现桥位所在河道上游均有壅水现象,河槽和桥位断面流速增大,洪峰流量发生减小。果有娜 [29] 用MIKE21模块对模拟河道进行非正交矩形和三角形网格剖分,对河道及圆形桥墩局部的流场进行了数值模拟。张利 [30] 利用大凌河入海口处地形地貌和边界的特点,进行了多方案的水动力模拟计算,分析不同桥长方案下河道水位、流速的变化规律。
与桥梁工程的修建造成的影响不同,船闸工程的修建往往是在主河道旁滩地进行的,其引航道的开挖,会引起主河道的分洪引流。枚龙 [31] 以船闸工程中闸室泄水过程模拟为例,充分展现了MIKE21软件建模在船闸泄水非恒定流中模拟的优势。王俊杰 [32] 在梁济运河长沟船闸防洪影响评价中发现,拟建船闸增大了工程所在河段的行洪断面,整体上有利于河道泄洪;以及由于拟建建筑物的阻水作用,在局部产生壅水,但是壅水高度较小的变化特点。齐庆辉 [33] 在对韩庄双线船闸下游引航道水力特性模拟研究时,船闸灌、泄水过程中会形成非恒定流,水流运动较为复杂,采用了MIKE21水动力模型对此进行研究。
河道范围内码头工程中桩基群的存在会导致阻水,对水位、流场等产生影响,码头下部桩基数量较多,影响相互叠加,形成“群桩效应”,构建MIKE21水动力学模型可以定量分析水位、流场变化。李坡 [34] 发现在100年一遇标准洪水条件下,由于受码头新建引桥桩基群的阻水效应以及码头港池的开挖影响,码头附近流速均出现有所减小的趋势。同时,研究了码头附近河段水位因受桩基阻水作用发生变化的规律。李彬 [35] 为研究码头群连体扩建对河道行洪的影响,应用MIKE21软件对码头群连体扩建前、后的河道水流流态进行了数值模拟分析,得到了在码头群连体扩建后,主河道水流壅水高度和范围变化特征,以及码头前沿的流场分布情况。
水利工程的建设可以通过地形高程局部加密处理,也可以通过MIKE21内部的卡片功能进行设置,属性设置依据工程类别而定,对工程的各项指标输入要求完整;工程建设后,原始条件发生改变,如局部地形高程、糙率等都会随之改变,需要新一套资料构建模型;设施运行时,设计标准或者河道安全评价标准,不一定满足建设后实际情况,根据经验和模型结果进行调整。
6. 结论与展望
MIKE21水动力学模型在国内外的研究中取得了丰富成果,满足了大量生产实践需要,解决了应用区遇到的实际问题,并能对水情演进趋势进行预测。目前,针对国内外大量研究成果作为基础,可以预见,模型未来存在以下问题和应用趋势 [36]:
1) 模型应用区域范围扩大。受限于实际工程需要和原始数据资料缺乏,模型往往只能在局部区域和单一河道及其影响区域展开,研究区域范围较小,研究问题所得结论仅适用于小辐射范围。今后,可以逐步建立整个区块甚至整片流域范围内的大模型,对于把握整体内部演变规律,为规划管理以及评价大层面问题提供参考依据。
2) 多模块交互集成应用。本文主要综述了以往国内外水动力学模型应用实例,以平面二维水流运动研究为主,模块仅单一使用,可以与其它模块进行耦合,对泥沙运输、风浪、潮汐、水质环境方面进行模拟,还可以一维、二维和三维模型以及地表水与地下水模块进行耦合计算,实现MIKE软件在“水系统”整体内所有相关内容的综合应用。
3) 原始资料和模型参数实时更新。MIKE21水动力学模型对原始资料和模型参数要求较高,需要对研究区实际情况进行水文地质资料查明,模型构建时要将实际地理环境条件转化成模型要素,模型参数率定和验证要以丰富的历史实测资料作为基础,模型的精确度和拟合度也需要依据实测数据来论证。能够通过联网与地理环境情况和最新实测资料连接,实时更新地理高程数据和历史洪水资料,简化数据处理过程,使环境变化和数据处理误差造成的影响极大降低,对实际还原最大化。