基于MIKE模型的取水可靠性分析

梁志宏，鄭江麗*，陳秀洪，劉 夏

(1.水利部珠江河口治理與保護重點實驗室，廣東 廣州 510611；2.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611)

當(dāng)前，隨著經(jīng)濟和科技的飛速發(fā)展，中國工業(yè)蓬勃發(fā)展，工業(yè)工程的應(yīng)用范圍逐漸增大，在實踐生產(chǎn)過程中也漸漸凸顯其優(yōu)越性[1]。與此同時，建設(shè)項目施工期、運行期的生產(chǎn)、生活等用水對取水河道流量提出了新的要求。項目的取水可靠性直接涉及到項目投入運行后的穩(wěn)定產(chǎn)出效率，在提高項目經(jīng)濟效益方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[2]。

自1992年Warren等[3]首次提出MIKE21建模系統(tǒng)起，MIKE21已歷經(jīng)近30年的發(fā)展與推廣，目前已廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。紀(jì)忠華等[4]利用MIKE進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬，通過設(shè)置邊界條件、驗證并率定模型參數(shù)等，推斷出了洪水演進(jìn)規(guī)律并制定了相應(yīng)的防洪方案和策略，為水利工程的防洪工作提供了重要參考。Li等[5]基于氣象水文數(shù)據(jù)和基本水質(zhì)數(shù)據(jù)，利用MIKE21建立了模擬河流湖泊的水質(zhì)擴散模型，反映了排污口污水排放對所在江段的水質(zhì)影響情況，可作為排污口設(shè)置論證的參考依據(jù)。Soltani等[6]運用MIKE21進(jìn)行水沙模擬研究，將原有方案與優(yōu)化方案進(jìn)行對比，提出了最優(yōu)的泥沙防治方案。此外，MIKE21還被用于內(nèi)澇[7-8]、通航[9]、風(fēng)浪[10]、突發(fā)水污染事件[11]和水系整治[12]等模擬研究。

從上述研究中可以看出，經(jīng)過近30年的發(fā)展和推廣，MIKE21已廣泛應(yīng)用于水利行業(yè)的多個領(lǐng)域[13-20]，但是在建設(shè)項目工程取水可靠性分析方面還尚有不足。取水可靠性分析一般采用水庫調(diào)節(jié)計算或水資源供需平衡計算方法，但對于河網(wǎng)區(qū)或來水受下游回水影響的區(qū)域，采用水動力模型分析，如姬戰(zhàn)生等[21]根據(jù)河網(wǎng)調(diào)蓄原理構(gòu)建了以南沙平原骨干河道為基礎(chǔ)的概化河網(wǎng)，利用Mike11建立了水動力學(xué)模型，驗證了偏不利條件下取水口的取水可靠性。劉樹鋒等[22]針對咸潮河段展開研究，建立了潭江一維河網(wǎng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，并與實測資料進(jìn)行對比分析，驗證了取水口的取水可靠性，并提出了特枯年份的取水風(fēng)險規(guī)避措施。邢凱等[23]針對以巢湖湖區(qū)為水源的建設(shè)項目，明確其取水可靠性分析的主要思路和方法。

因此，本文以上小河附近規(guī)劃建設(shè)項目——梧州市千萬噸級冶金新材料產(chǎn)業(yè)基地為例，基于MIKE21，建立并求解水動力模型，旨在針對上小河上、下游河道寬度變幅較大的情況，驗證已有取水方案的合理性和可靠性，為項目的建設(shè)和運行提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)域概況與資料收集

1.1 研究區(qū)域概況

梧州市千萬噸冶金新材料(鋼鐵基地)臨港經(jīng)濟區(qū)片區(qū)位于臨港經(jīng)濟區(qū)南片區(qū)，在梧州市總體規(guī)劃藍(lán)圖上，是梧州市城市工業(yè)發(fā)展的集聚區(qū)域之一，其取水口位于上小河，中途有秋米河匯入后，最終匯入潯江。上小河又名須羅江。發(fā)源于岑溪市白板村大竹頂，自南向北流，縱貫新地鎮(zhèn)、林水鎮(zhèn)，至林水鄉(xiāng)河口自然村匯入潯江，是潯江右岸的一級支流，河口距長洲水利樞紐2.1 km處，長洲水庫2007年開始蓄水后，上小河河口段被長洲水庫淹沒，成為庫區(qū)的一部分。

本文研究區(qū)域主要包括：①秋米河區(qū)域，秋米河水筒口至秋米河與上小河交匯處，長度約2.38 km；②上小河區(qū)域，上邊界位于擬建工業(yè)取水口上游約550 m，下邊界至上小河與潯江交匯口，長度約5.65 km；③潯江區(qū)域，主要根據(jù)現(xiàn)狀梧州市飲用水源保護區(qū)和長洲水利樞紐地理位置確定，上邊界距離上小河與潯江交匯口約4 km，下邊界為長洲水利樞紐，距離上小河與潯江交匯口約2 km。研究區(qū)域見圖1。

圖1 研究區(qū)域示意

1.2 研究資料

1.2.1資料收集

由于上小河距長洲水利樞紐僅2.1 km，且長洲水利樞紐多年水文資料先后經(jīng)過了水電部中南院、昆明院、貴陽院、東北院、廣西電力院、珠委以及所屬各省(區(qū))的水利、水電設(shè)計院等單位的多次審查和校核。因此，本文采用長洲水利樞紐1946—2017年共72年徑流資料進(jìn)行研究。

1.2.2資料整理

a)徑流計算。采用數(shù)學(xué)期望公式進(jìn)行經(jīng)驗頻率計算，并用矩法公式估算統(tǒng)計參數(shù)(多年平均流量均值、Cv、Cs)初始值，再用P-Ⅲ型理論頻率曲線適線，確定長洲水利樞紐壩址多年平均流量為6 124 m3/s，Cv=0.21，Cs/Cv=2.0。

b)典型年選取。根據(jù)長洲水利樞紐壩址1946—2017年72年年徑流系列，按照豐、平、枯水年選擇年來水總量接近且年內(nèi)水量分配對項目取水較為不利(年內(nèi)枯水期來水量小)的年份作為典型年。根據(jù)典型年的年來水量及年內(nèi)月來水過程，采用同倍比方法縮放后得到長洲水利樞紐壩址各保證率來水量年內(nèi)月分配過程。典型年選取結(jié)果及年內(nèi)月分配過程見表1。

表1 典型年月分配過程 單位：m3/s

2 模型建立及方案設(shè)置

新建取水口位于上小河，中途有秋米河匯入后，最終匯入潯江。由于上下游河寬差別很大，傳統(tǒng)的矩形網(wǎng)格應(yīng)用困難，因此，本次計算模型采用MIKE21模型。該模型網(wǎng)格節(jié)點布設(shè)靈活，便于局部加密，能精確地擬合彎曲河道邊界，具有算法可靠、計算穩(wěn)定、界面友好、前后處理方便等突出優(yōu)點，已得到廣泛應(yīng)用。結(jié)合本項目河寬、水系連通等實際情況，采用零維和二維模型相結(jié)合的技術(shù)手段進(jìn)行研究。

2.1 控制方程

連續(xù)性方程表達(dá)式如下[20]：

(1)

動量方程表達(dá)式如下：

(2)

(3)

式中h——靜止水深，即水面到某一基準(zhǔn)面的距離；η——水面相對于未擾動基面的高度，即水位；t——時間；u、v——x、y方向上的流速分量；us、vs——源項水流流速；g——重力加速度；f——柯氏力參數(shù)；ρ——水密度；ρ0——水的參照密度；sxx、sxy、syy——波浪輻射應(yīng)力分量；Pa——大氣壓力；τsx、τsy——風(fēng)應(yīng)力分量；τbx、τby——底部摩擦應(yīng)力分量；Txx、Txy、Tyy——黏性項分量；S——源匯項。

2.2 邊界條件及初始條件

2.2.1邊界條件

在本研究采用的數(shù)值模式中，需給定2種邊界條件，即閉邊界條件和開邊界條件。所謂開邊界條件即水域邊界條件，可以給定水位、流量或調(diào)和常數(shù)。所謂閉邊界條件即水陸交界條件，計算水域與陸地交界的固邊界上Γ2有：

(4)

模型上邊界流量平水期采用潯江、上小河和秋米河多年平均流量，枯水期從最不利原則考慮，采用潯江、上小河和秋米河多年最小流量；模型下邊界水位分別采用長洲水利樞紐在平水期和枯水期的潯江控制水位。根據(jù)上小河實際開發(fā)情況，上游建有2座水電站、5座攔河壩(用于蓄水發(fā)電或灌溉)，平水期下游來流量有可能小于多年平均流量，因此本次新增一個平水期計算方案，上小河來流量按生態(tài)流量考慮，秋米河和潯江按平水期時的邊界條件考慮。水動力模型計算邊界條件見表2。

表2 水動力邊界條件

2.2.2初始條件

(5)

式中ζ0(x,y,t0)、u0(x,y,t0)、v0(x,y,t0)——初始時刻t0的已知值。

2.2.3活動邊界處理

本模型采用干濕點判斷法處理潮灘活動邊界，如果模型中的區(qū)域是處在干濕邊交替區(qū)，為了避免模型計算出現(xiàn)不穩(wěn)定性，設(shè)定一個干水深(drying depth)、淹沒深度(flooding water depth)和濕水深(wetting depth)。當(dāng)某一單元的水深小于濕水深時，在此單元上的水流計算會被相應(yīng)調(diào)整，即不計算動量方程，僅計算連續(xù)方程。而當(dāng)水深小于干深度的時候會被凍結(jié)而不參與計算。淹沒深度是用來檢測網(wǎng)格單元是不是已經(jīng)被淹沒。

2.3 網(wǎng)格布置

二維模型采用三角形網(wǎng)格剖分計算區(qū)域，三角形網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為4 534個，三角形網(wǎng)格數(shù)為7 950個。上小河取水口附近的網(wǎng)格分辨率為2 m，可見計算網(wǎng)格是非常精細(xì)的，能高度擬合岸線，準(zhǔn)確地對河道進(jìn)行概化。模型網(wǎng)格布置見圖2。

圖2 二維水動力模型計算區(qū)域網(wǎng)格布置

2.4 地形資料

計算范圍內(nèi)河道水下地形采用各區(qū)域最新實測地形，潯江整體采用2015年實測河道地形資料，上小河和秋米河采用2020年1月最新實測資料。長洲水利樞紐建成后，桂平至長洲段成為河道型水庫，當(dāng)水庫為枯水期最低消落水位時，可回水到達(dá)桂平壩下。受水庫回水的影響，河段水面較天然情況有所抬高，因此該河段會由于水位的壅高而導(dǎo)致流速有所下降，局部灘段存在泥沙淤積的可能性。但由于長洲水利樞紐為低水頭徑流式電站，汛期壩前水位降低至18.76 m運行，基本恢復(fù)到天然狀態(tài)，且由于長洲樞紐上游干、支流上水庫的攔截，長洲樞紐實際推移質(zhì)產(chǎn)沙面積不大，入庫推移質(zhì)泥沙數(shù)量極少，絕大部分來沙(占全年的96%)集中在汛期，進(jìn)入庫區(qū)的推移質(zhì)泥沙很快就可推移到壩前，進(jìn)而排到下游，因此長洲水庫泥沙淤積主要是懸移質(zhì)泥沙淤積。相關(guān)研究結(jié)果表明，建庫后泥沙淤積是不連續(xù)的，幾乎全部集中在壩前段和常年回水區(qū)的幾個深潭內(nèi)，回水末端沒有淤積。非汛期來沙僅占全年的4%，水流夾帶的泥沙要少得多，河床也不會發(fā)生大的淤積。因此認(rèn)為2015—2020年潯江河段地形基本不變。水動力模型計算區(qū)域河道水下地形見圖3。

圖3 二維水動力模型計算區(qū)域河道水下地形

2.5 模型率定和驗證

二維模型的率定和驗證采用潯江大橋下游河道右岸蒼梧水廠2017年6—9月實測水位數(shù)據(jù)，當(dāng)模型底床糙率取值在0.021～0.029范圍時，模擬效果較好，模型實測和計算值較為吻合，模擬效果見圖4。對水位的模擬值及實測值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水位模擬值和實測值的相對誤差在0.31%～7.13%，水位Nash-Stucliffe系數(shù)均在0.9以上，表明模型設(shè)置參數(shù)能用于本次研究計算。

圖4 蒼梧水廠2017年6—9月實測與模擬水位

3 結(jié)果分析及對策討論

3.1 結(jié)果分析

梧州市臨港經(jīng)濟片區(qū)新建取水口取水需求為15萬m3/d，約1.74 m3/s，取水口處河道底高程約17.8 m，不同方案取水口斷面河道水位情況見表3。

表3 預(yù)測方案及取水口斷面水位

由模型計算結(jié)果可知本項目取水后取水口所在斷面水位在方案2下最低，說明平水期，潯江運行水位較低時，若上小河來流量不足，本項目取水風(fēng)險最大。因此針對方案2下本項目能否取水進(jìn)行詳細(xì)分析。

方案2下，上小河來流量僅0.57 m3/s，本項目取水必須靠潯江來水補充。根據(jù)MIKE模型計算的水深分布(圖5)，本項目取水口至上小河潯江河口，有多個河段水深小于0.5 m，需要重點關(guān)注。

圖5 最不利方案模型計算水深分布

選取潯江向上小河補水可能阻水點(+t1、+t2、+t3、+t4、+t5)的水深變化(圖6)可知，+t2、+t3、+t4斷面的水深為0 m，因此本項目在方案2下靠潯江來水補充存在取水風(fēng)險。

圖6 最不利方案下可能阻水點水深變化

3.2 風(fēng)險規(guī)避對策

鋼鐵企業(yè)供水保證率為97%，本次提出的3種方案，方案1和方案3的來水條件下，取水口水量豐富，取水能夠得到保障；但方案2即平水期若上小河上游來流量較小，本項目取水有風(fēng)險。為此，提出以下3個方面的建議。

3.2.1疏浚河道

平水期長洲水利樞紐運行水位為18.758 m，為保證該水位情況下長洲水利樞紐的回水達(dá)到取水口，需疏浚取水口至上小河潯江匯合口河段，特別是方案2情況下MIKE模型計算水深低于0.5 m甚至為0 m的河段。

3.2.2下移取水點

為了錯開取水口至上小河潯江匯合口河段中河底高程較高的河段，建議將取水口下移至秋米河與上小河交匯點北面的河段。從方案2情況下MIKE模型計算水深(圖5)可知，秋米河與上小河交匯點北面至上小河潯江匯合口河段水深均大于1.5 m，可滿足本項目取水需求。

3.2.3平水期上游最小流量

通過MIKE模型試算，上小河上游來流量達(dá)到2.5 m3/s時，本取水口水位與方案1的水位一致，本取水口取水才有保障。

4 結(jié)論與展望

本研究建立了潯江-秋米河-上小河MIKE21模型，模擬了3種水文情況下取水河段的水位情況，根據(jù)模擬結(jié)果分析了長洲水利樞紐庫區(qū)范圍內(nèi)潯江支流上小河取水可靠性，計算結(jié)果能夠為工程合理設(shè)計、水行政主管部門決策提供依據(jù)。得出的主要結(jié)論如下。

a)由于本取水口位于長洲水利樞紐庫區(qū)范圍，枯水年長洲水利樞紐蓄水水位較高，本項目取水有保障。

b)平水年長洲水利樞紐需要預(yù)泄洪水，運行水位較低，若上小河上游來流量有保證，本項目可取到水。由于上小河上游建有多座攔河壩，平水期如4月份左右取水口處來流量較小時，本項目取水存在較大風(fēng)險。

c)為了保障本項目的取水需求，應(yīng)對平水期河道流量無法滿足項目取水需求的問題，可采用疏浚河道、下移取水口等方法，以提高工程取水保證率，從而規(guī)避可能出現(xiàn)的取水風(fēng)險。