基于MIKE21 FM的南渡江河口段行洪能力分析

班美娜　武永新

摘要：為預測并分析濱江西帶狀公園建設后對南渡江河口段行洪能力的影響，基于MIKE21 FM水動力模塊，建立了南渡江河口段平面二維水流數(shù)值模型。首先結(jié)合水文站實測洪水資料，對河口段河道、灘地糙率參數(shù)進行率定與驗證。將公園模型概化為局部阻力修正和局部地形修正兩種方式，然后分別模擬計算三種潮洪組合工況下河口段水面線和流場變化。計算結(jié)果表明，兩種概化方式計算結(jié)果基本一致，公園建設后河道地形和糙率發(fā)生變化，導致水面線壅高和主流流速加大。阻力修正法計算的水面線壅高值稍偏大，但仍低于左右岸防洪堤設計水位，沒有降低南渡江河口段防洪能力。司馬坡島附近局部出現(xiàn)高流速區(qū)，有必要采取相應的防沖措施。

關(guān)鍵詞：MIKE 21；數(shù)值模擬；局部阻力修正；局部地形修正；行洪能力

中圖分類號：TV143；TV87文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2018）02015107

Abstract：

In order to predict and analyze the influence of the construction of Riverside West Park on the flood discharging capacity of the outlet section of Nandu River，we established a twodimensional flow numerical model based on the hydrodynamic model of MIKE21 FM.Firstly，we used the measured flood data of the hydrological stations to calibrate and verify the roughness coefficient of the main channel and tidal flats.We adopted local roughness correction method and local topographic correction method as the generalization methods of the park model.Then，we simulated the water level and flow field changes at the outlet section under three typical conditions of flood and tide combinations.The calculation results of the two generalization methods were basically consistent.The topography and roughness of the river channel would change after the park is built，leading to the increase of the water level and main flow velocity.The water level increase value calculated by the local roughness correction method was slightly larger，but the water level was still lower than the design water level of the flood embankment.The construction of the park would not reduce the discharging capacity of the outlet section of Nandu River.A highvelocity area would appear near Simapo Island.It is necessary to take corresponding measures to prevent scouring.

Key words：

MIKE21 FM；numerical simulation；local roughness correction；local topographic correction；flood discharging capacity

城市起源于河流，繁榮于濱水區(qū)域，同時城市的發(fā)展也受其限制[1] 。城市濱水景觀不僅是城市功能需求的反應，同時也是自然生態(tài)的延續(xù)，城市內(nèi)涵與文明的體現(xiàn)[23]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法在河道水流模擬方面日益體現(xiàn)出其周期短、可操作性強、計算精度高、通用性強等優(yōu)勢，逐漸成為一種簡便可靠的工具[45]。常見的河流數(shù)值模擬軟件有荷蘭Delft大學開發(fā)的Delft3D軟件[6]，美國的水動力學Sms模型[7]及目前廣泛應用于實際工程計算的丹麥DHI Mike系列河道水流模擬軟件[811]。近年來，許多學者運用二維河流數(shù)值模擬方法對南渡江河口段的不同特性進行模擬研究，并取得滿意的結(jié)果。許棟[12]等將高分辨的DEM地形圖像與二維河流數(shù)值模擬有機結(jié)合，模擬了不同流量下南渡江河口段江灘的淹沒情況。潘中奇[13]基于二維水流模型和二維鹽度模型，較好地模擬了橡膠壩建設前后對河口段水動力特性及鹽水入侵的影響。任梅芳[14]等利用MIKE21水動力模型，模擬計算南渡江河口段6座跨江大橋橋墩的壅水情況，并與經(jīng)驗公式計算結(jié)果相比較，建議使用MIIKE21數(shù)學模型計算壅水值。濱江西帶狀公園的建設將成為?？谑邪l(fā)展的助推力與催化劑，濱江小品景觀彰顯?？诘貐^(qū)特性。為減少工程建設對河道行洪與防洪安全的影響，因此需要對公園建設后南渡江河口段的行洪能力進行分析。

1研究方法

MIKE21 FM中的水動力模塊采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有限體積法求解二維淺水方程。該淺水方程是沿水深積分不可壓縮的雷諾平均NavierStokes方程，可以模擬因各種力作用而產(chǎn)生的水位和流速變化及模擬任何忽略分層的二維自由表面流[15]。

1.1控制方程

南渡江河口段屬于寬淺河道，平面尺寸遠大于垂直尺寸。本模型采用平面二維淺水方程描述河口段的水流運動，水流數(shù)值模型的控制方程在直角坐標系下采用如下形式。

平面二維水流的連續(xù)方程為

2工程概況

?？谑袨I江西帶狀公園沿南渡江左岸江灘布置，公園北起長堤路新埠橋，南至南渡江大橋，全長1270 km，西邊以南渡江河口段左岸堤防為界，東至江邊，主要位于堤東側(cè)的江灘綠地上。依據(jù)景觀設計方案，帶狀公園共分為古渡生態(tài)公園區(qū)（含白沙古渡、紅樹帆影、疍家蘆韻三景）、椰風活力公園區(qū)（含活力瓊海、椰風尋鷺、椰島飛輪、南渡草岸四景）、都市休閑公園區(qū)（含歡樂南渡、浪漫椰鄉(xiāng)、斷橋古今三景）三個園區(qū)。其中，古渡生態(tài)公園區(qū)總長約570 km，最大寬度約318 m，最小寬度約14 m；椰風活力公園區(qū)總長約390 km，最大寬度約250 m，最小寬度約41 m；都市休閑公園區(qū)總長約310 km，最大寬度約213 m，最小寬度約27 m。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃設計文件，濱江西帶狀公園主要行人游覽區(qū)域防洪標準為20年一遇，其它濱水部分位于20年一遇水位線以下，帶狀公園總布局見圖1。

南渡江龍?zhí)岭娬緣沃芬韵聻楹涌诙?，河段長約26 km，龍?zhí)了恼镜乃馁Y料可直接用于龍?zhí)琳疽韵潞佣蔚暮樗嬎?。南渡江河口段左岸堤防按?00年一遇防洪標準建成，始起海口市新埠橋，止于水嬌村，堤防總長1517 km。右岸防洪堤起始于儒范村，止于麻余村，共1498 km，防洪標準為30年一遇洪水。南渡江河口段處于河口沖積及濱海沉積平原，河床寬淺，坡降平緩，從上游依次出現(xiàn)順直分汊河段、彎曲型河段、彎曲分汊型河段和河口三角洲分汊河段等四種類型。在兩岸防洪堤形成的新河勢下及近年來無序采砂得到有效的控制后，南渡江河口段河床基本保持穩(wěn)定。河段在縱向變化上雖有沖有淤，沖淤相間，但變化幅度較小，屬沖淤變形較穩(wěn)定的河段。

3計算模型構(gòu)建

3.1模型計算范圍及網(wǎng)格劃分

模型計算范圍自東環(huán)鐵路南渡江特大橋至河口以外-15 m水深海區(qū)，計算河段全長約280 km，其中南渡江干流計算河長約18 km。模型采用1∶1 000的南渡江河道實測CAD地形圖、1∶500橋梁實測CAD地形圖、濱江西帶狀公園現(xiàn)狀實測地形資料。采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，司馬坡島、左岸帶狀公園及河口三角洲分汊處進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格邊長為20 m，主河道網(wǎng)格邊長30～50 m，共計15 100個網(wǎng)格。模擬時間段為2015年2月1日 0：00～5日 4：00，時間步長為60 s，模擬步數(shù)為6 000。計算區(qū)域網(wǎng)格剖分見圖2。

3.2邊界條件

計算模型的上游邊界采用龍?zhí)翝L水壩下泄流量控制，下游邊界采用潮位控制。司馬坡島在大洪水時可部分或完全淹沒，在計算時采用動邊界技術(shù)模擬司馬坡島的淹沒狀態(tài)，使用限制水深的方法處理動邊界問題，即：將計算網(wǎng)格分為干、濕和半干三類；網(wǎng)格水深hh2時為濕網(wǎng)格。

《?？谑蟹篮椋ǔ保┮?guī)劃報告》[16]研究表明，南渡江的洪水多由臺風暴雨形成，但南渡江流域集雨面積大，洪峰匯集時間較長，松濤建庫蓄水后，匯流時間縮短為32～45 h。風暴潮來去時間短暫，最高潮位駐留不足05 h，因此風暴潮與龍?zhí)梁榉逶庥龅臋C會很小，且河口分汊段以下河段百年一遇洪水位普遍高于百年一遇風暴潮位。而天文潮與洪水的遭遇是必然的，即使洪水與天文潮遭遇，河口段水位仍由洪峰流量控制。因此，本次計算中與洪水遭遇的潮水位頻率均低于洪水頻率，各工況洪峰流量與潮位組合見表1。

3.3河道糙率率定與驗證

江灘綠地及司馬坡島上分布有大面積的植被、樹木，在模擬計算江灘綠地及司馬坡島淹沒狀態(tài)下的水流運動時，應根據(jù)植被分布狀況選擇相應的糙率模擬不同植被對水流的阻力，切實反映南渡江河口段水流運動過程。南渡江河口段河道沒有實測的糙率，因此需要根據(jù)歷史水文資料對糙率進行率定，進而確定河道糙率分布。數(shù)學模型對2000年和2008年兩次洪水的洪水水面線進行了驗證。其中2000年龍?zhí)琳緦崪y最大洪峰流量9 300 m3/s，在50年一遇與100年一遇之間；2008年最大洪峰流量5 700 m3/s，接近10年一遇。模型上、下游分別以龍?zhí)琳緦崪y流量和河口實測潮位為邊界條件，進行兩次洪水水面線的驗證。

進行2000年洪水模擬計算時，參照《天然河道糙率n值》表[17]選擇相應的糙率模擬不同植被對水流的阻力，采用的河道沿程糙率見表2，洪水水面線驗證結(jié)果見表3。結(jié)果顯示，模型計算的沿程洪水水位與實測值相差均在5 cm以內(nèi)，相對誤差在019%～085%之間，滿足洪水水面線驗證的精度要求。同樣以2000年洪水計算采用的模型糙率對2008年洪水水面線進行了驗證。計算結(jié)果與實測值相差也在5 cm以內(nèi)（見表4），相對誤差在021%～088%之間，同樣滿足要求。接近10年一遇和接近100年一遇等不同水位的驗證結(jié)果表明，建立的數(shù)學模型能夠客觀復演南渡江河口段流場和洪水過程，具備進行不同重現(xiàn)期洪水計算的能力。

3.4濱江西帶狀公園概化方式

濱江西帶狀公園由三個園區(qū)十處景致共同構(gòu)成“活力濱江生態(tài)休閑觀光帶”。公園之中既有亭臺、汀步、棧道等阻水建筑物，又有大面積的植物草被。概化方式既不同于單純的江灘綠地，又區(qū)別于純粹的橋梁、堰、涵等水工建筑物。由于目前公園還在初步設計階段，沒有詳細的設計資料。因此將公園概化為兩種不同的方式進行模擬計算：（1）公園區(qū)域局部糙率修正，根據(jù)各個景點布置區(qū)域選擇合適糙率來模擬公園對水流的阻力[18]；（2）公園區(qū)域局部地形修正法，將公園區(qū)的局部地形高程增加到略高于公園建設前20年一遇洪水水位高程來體現(xiàn)公園對水流的阻力。

參照《各種材料明渠糙率n值》[17]表及《?？谑袨I江西帶狀公園景觀設計方案》報告，古渡生態(tài)園區(qū)主要保持現(xiàn)狀的農(nóng)田及紅樹林保護區(qū)，建議糙率值取0070，公園建設前20年一遇洪水水位最大高度約50 m；椰風活力園區(qū)由不同類型的小品景觀組成，建議糙率值取0150，公園建設前20年一遇洪水水位最大高度約575 m；都市休閑公園區(qū)主要以大型休閑廣場為主，建議糙率值取010，公園建設前20年一遇洪水水位最大高度約625 m。根據(jù)帶狀公園不同園區(qū)的建設方案，局部糙率和地形概化參數(shù)見表5，修正后的計算區(qū)域的參數(shù)分布見圖3。

3.5橋墩的概化模型

模型計算范圍內(nèi)南渡江河口段共有6座跨江大橋。MIKE21 FM模擬計算中，局部建筑物橋墩對水流的影響是通過橋墩所在單元增加拖曳力求出的。在進行計算時，橋墩的位置由一個點定義，需要設定的參數(shù)有橋墩的位置、流線系數(shù)、橋墩垂向斷面的分段數(shù)及橋墩的角度等。模型可以很好的擬合復雜地形，計算結(jié)果合理滿足精度要求[1920]。

4計算結(jié)果與分析

南渡江河口段江灘綠地開發(fā)為公園后，河道糙率及河道地形改變，導致河道水面線和流速發(fā)生變化。以公園起點新埠橋為零斷面，提取公園起點下游15 km至公園終點上游15 km范圍河道水面線高程。分析圖4計算結(jié)果，局部阻力修正概化方式在3種工況下水面線均呈現(xiàn)壅高現(xiàn)象，而局部地形修正概化方式在工況Ⅲ時局部水面線低于公園建設前。工況Ⅰ時，局部阻力修正法計算水位線高于局部地形修正法計算結(jié)果，對上游壅水的影響范圍略大于局部地形修正法。局部阻力修正法水位線至計算范圍上游邊界最大壅水高度985 cm，而局部地形修正法至計算上游邊界壅水高度由925 cm降為830 cm，均低于南渡江河口段左岸防洪堤堤頂高程，不會出現(xiàn)漫堤情況。在工況Ⅱ情況下，兩種概化方式模擬結(jié)果基本接近，最大壅水高度約780 cm，均低于右岸防洪堤堤頂高程。且在1970-1990年期間，由于上游松濤水庫、中游水土流失治理及下游龍?zhí)翝L水壩建設，導致來沙量逐年減少，特別是大量開采河砂的影響，南渡江河口段河床泥沙持續(xù)減少，河床下切。河道深泓線已明顯降低，河口段河道比降已由035‰降至1995年的0294‰。在工況Ⅲ時，局部地形修正概化方式計算水面線在古渡生態(tài)園區(qū)上游段的18 km范圍內(nèi)水面線略低于公園建設前。分析原因可能是20年一遇洪水時，洪峰流量較小，公園局部高地類似橋墩阻水，且附近建設有瓊州大橋，在其下游處出現(xiàn)了較明顯的跌水。此區(qū)域在司馬坡島下游，流速較公園建設前增加比較明顯，造成水面線略低于公園建設前。

分析圖5，兩種概化方式下流速計算結(jié)果基本一致。不同洪水重現(xiàn)期最大流速由225～268 m/s增大至249～291 m/s（局部阻力修正法）、245～289 m/s（局部地形修正法）。綜合分析圖5-圖8，公園建設后南渡江流速的增大主要出現(xiàn)在主河道深泓區(qū)，兩岸岸坡處流速平均整體增大幅度相對較小，使得主流越集中于主河道深泓區(qū)，水流流向與河道深泓線走向趨于一致。

司馬坡島為河口段江心洲，左汊建設公園后，過水斷面面積減小相對較大，流速增加比較明顯。在司馬坡島中下游局部出現(xiàn)了高流速區(qū)，未來擬建司馬坡島文體基地時，增大了司馬坡島護岸防沖保護的壓力。司馬坡島周圍水流流場矢量圖（圖6-圖8）顯示，兩種概化方式下司馬坡島右汊流場密集程度明顯加大，高流速區(qū)出現(xiàn)在島尾，在兩汊水流匯流區(qū)，流速差形成壓差，主流線左移，對附近左岸防洪堤護岸前沿存在沖刷危險，但對防洪堤安全不構(gòu)成直接危害。

5結(jié)論

本文基于MIKE21 FM水動力模型，模擬分析了海口市濱江西帶狀公園建設對南渡江河口段行洪能力的影響。同時，對MIKE 21 FM模型模擬河口段水動力的過程進行了研究，得到如下結(jié)論。

（1）根據(jù)2000年和2008年歷史洪水資料完成了對河口段河道模型糙率的率定和驗證。模擬結(jié)果與歷史資料吻合，MIKE21 FM模型可以很好地模擬河口段水位變化且具有較高計算的精度。

（2）兩種概化方法計算結(jié)果均表明，公園的建設將導致南渡江河口段水面線有較輕的壅高現(xiàn)象，但建設后的水面線仍低于左右岸堤防堤頂高程，因此該工程的實施沒有降低南渡江河口段河道的泄洪能力。

由于公園還在規(guī)劃設計階段，此次模擬計算對公園的糙率及邊界概化略顯粗糙，未來擬根據(jù)公園的建設詳圖，進一步優(yōu)化模型與參數(shù)，為公園設計提供參考依據(jù)。

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