MIKE21曼寧數(shù)對水域流速模擬影響研究

丁澤浩

（汕頭市環(huán)境保護研究所 廣東汕頭 515041）

引言

MIKE21為丹麥水資源及水環(huán)境研究所開發(fā)的一款處理平面二維數(shù)學模型的軟件。該軟件中的水動力學模塊為其核心模塊，可模擬水位和水流在各種作用力下產(chǎn)生的變化，在國內(nèi)大型水利工程中也得到廣泛應用。MIKE21水動力模塊采用單元中心的顯式有限體積法[1]求解，保證了水量和動量在計算域內(nèi)的守恒[2]。為了驗證MIKE21模擬結果與實測結果的擬合程度，有必要進行參數(shù)率定[3]。曼寧數(shù)作為MIKE21水域水動力模擬的一項重要參數(shù)，其取值的合理性直接影響模擬結果的精確性。為了使水域水動力模擬結果更符合實際，往往需要分別選取不同的曼寧數(shù)進行模擬，以確定合適的曼寧數(shù)。由于二維水域水動力模擬的計算量較為巨大，且每次參數(shù)選取后均需要對整個水域進行完整的模擬才可得出模擬結果，因此在實際應用中，參數(shù)率定往往需要耗費大量的時間。掌握曼寧數(shù)對水域流速模擬結果的影響規(guī)律，可提高曼寧數(shù)的選取效率，從而節(jié)約參數(shù)率定時間，在實際應用中意義重大。

1　曼寧數(shù)定義

其中，c為謝才系數(shù)；R 為水力半徑，H為水深，寬淺河流中，R≈H；n為糙率。

MIKE21底床摩擦力可用謝才系數(shù)或曼寧數(shù)表征。當?shù)状材Σ亮τ寐鼘帞?shù)表征時，曼寧數(shù)單位為。

2　模型計算

以南粵獅子洋感潮水域作為模擬對象，分別選取不同的曼寧數(shù)進行水動力模擬。選擇水域內(nèi)一個特定點位進行流速實測，并將不同曼寧數(shù)下點位流速模擬值與實測值進行對比。在本次參數(shù)率定中，模擬時間為一個潮周期（約為25h）。模擬結果如圖1所示。

圖1　各曼寧數(shù)下點位流速模擬值與實測值對比示意圖

由圖1對比結果可知：

（1）曼寧數(shù)對點位流速模擬值影響較大；

（2）各曼寧數(shù)下點位流速模擬值隨時間的變化趨勢基本一致；

（3）曼寧數(shù)取值越大，點位流速模擬值隨時間的變化幅度越大，反之則變化幅度越小。

因此，為使水域流速模擬值與實測值較為擬合，在進行水動力模擬時，可選取一個較為常用的曼寧數(shù)（如30～40中的任意一個數(shù)），并選取一個特定點位（水文站或手工測量點）。若點位流速模擬值隨時間的變化幅度較實測值的小，則可適當增大曼寧數(shù)的取值；反之則可適當減小曼寧數(shù)的取值，直至點位流速模擬值與實測值隨時間的變化幅度基本一致，即可確定曼寧數(shù)的最終取值。

結語

曼寧數(shù)作為MIKE21底床摩擦力的一種表征方式，對模擬結果的精確性有著較大的影響。在進行水域流速模擬時，可選取一個較為常用的曼寧數(shù)，并將特定點位流速模擬值與實測值隨時間的變化幅度進行對比，有針對性地調(diào)整曼寧數(shù)的取值，從而更快地獲得較為精確的模擬結果。

[1]王領元.應用MIKE對河流一、二維的數(shù)值模擬[D].大連:大連理工大學,2007.

[2]邱兆山.有限體積法及其在近岸潮流計算中的應用研究[D].山東:中國海洋大學,2003.

[3]章四龍,劉九夫.通用模型參數(shù)率定技術研究[J].水文.2005,25(1):9-12.