分汊河道分流比数值模拟研究

分汊河道分流比数值模拟研究

李晓冰

河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司   天津  300221

摘要：本研究通过运用MIKE21建模分析不同分流堰方案对分汊河道分流比的影响并研究分析河道流量与分流比的关系，为分汊河道设计提供设计依据。

关键词：MIKE21；分流比；分流堰；

1MIKE21简介

MIKE21为工程应用，海岸管理及规划提供了完备、有效的设计环境。MIKE21在世界范围内成为了一个专业河口海岸工程技术人员不可缺少的工具。MIKE 21模型的子模块主要有4个领域：海岸水文学和海洋学、环境水文学、泥沙传输过程、波浪。HD模块是MIKE 21软件包中的基本模块，它为泥沙传输和环境水文学提供了水动力学的计算基础。HD模块模拟湖泊、河口和海岸地区的水位变化、和由于各种力的作用而产生的水流变化。输入地形、底部糙率、风场和水动力学边界条件等数据后，模型会计算出每个网格的水位和水流变化。模型利用ADI二阶精度的有限差分法对动态流的连续方程和动量守衡方程求解。

2项目概况

本次研究基于MIKE21 FM水动力模块进行各种工况下的二维数值模拟，拟定分流堰的不同角度和长度，分别计算设计河道的分流比，并寻找满足规划分流比的不同方案，最后结合河道的实际情况、考虑到经济合理、有利于上下游下一步治理的原则，选择最优方案。

3研究流程

（1）提出分流比验证问题。

（2）经过研究讨论，确定分流比验证研究方法：运用MIKE21 FM水动力模型对河道分汊口进行数值模拟。

（3）模型基础数据提取。整理模型需要基础数据文件：边界文件、高程文件、糙率文件。高程提取分为两部分：主槽为设计高程，滩地为现状高程（河道设计基本不做整理）。其中主槽与滩地糙率不同分别为0.025和0.045。

（4）构建MIKE21 FM水动力模型。设置点源、时间、下游边界条件。研究四个不同工况的流量与分流比关系。选取不同分流堰方案进行模拟，调试。

（5）构建现状模型，通过现状模型得到的分流比与规划方案计算的比较以验证方法可靠性。

（6）整理模型模拟结果，完成初步研究报告。

4 模型构建

4.1计算范围

将河道堤线作网格剖分边界。模型范围为18.13km²。

4.2网格剖分

导入区域边界文件后，将计算区域进行网格剖分，采用非结构性三角形网格剖分，网格面积控制在200㎡以内，共剖分网格143812个，计算节点73247个，网格剖分后进行光滑处理。创建高程文件和糙率文件后建模如下:

图1高程插值图

图2糙率插值图

4.3边界条件

上边界条件给定入流边界20年一遇流量3560m³/s。下游边界条件为模型的出流。

本次模型建设旨在研究流量与分流比的关系，将上游边界条件分为5年一遇1310m³/s、10年一遇1660m³/s、20年一遇3560 m³/s、50年一遇4950 m³/s四种工况。

4.4模型率定

提取现状地形高程数据，构建现状模型。现状河道防洪标准为20年一遇，行洪流量为3560m³/s，设置为上游入流边界，根据模型的输出结果，在行洪流量为3560m³/s时，南北支分流比的计算结果为0.38:0.62，与河道规划中计算的现状分流比0.4:0.6有一定差别，但在可接受范围内，本次采用MIKE21模型计算分流比所得到的结果是可靠的。

4.5结果分析

经计算，在不同的行洪流量下，南北支流量及分流比计算结果见下表：

表4-1               四个工况流量统计表

由上表可知，分流比与河道总流量呈一定的线性关系。

5结语

影响河道分流比的因素有地形、糙率、流量等。本次模型采用河道规划后设计断面，控制了地形、糙率等因素，只分析总流量对分流比产生的影响。根据模型计算成果，南北分支分流比与河道总流量呈一定的线性关系。

分流堰设置的角度和长度不同，得出的结果不同。分流堰在同一位置分流堰越长分流流量越大，分流堰的角度越偏向的一侧分流量越小。

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