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：为预测并分析滨江西带状公园建设后对南渡江河口段行洪能力的影响，基于MIKE21 FM水动力模块，建立了南渡江河口段平面二维水流数值模型。首先结合水文站实测洪水资料，对河口段河道、滩地糙率参数进行率定与验证。将公园模型概化为局部阻力修正和局部地形修正两种方式，然后分别模拟计算三种潮洪组合工况下河口段水面线和流场变化。计算结果表明，两种概化方式计算结果基本一致，公园建设后河道地形和糙率发生变化，导致水面线壅高和主流流速加大。阻力修正法计算的水面线壅高值稍偏大，但仍低于左右岸防洪堤设计水位，没有降低南渡江河口段防洪能力。司马坡岛附近局部出现高流速区，有必要采取相应的防冲措施。

关键词：MIKE 21；数值模拟；局部阻力修正；局部地形修正；行洪能力

中图分类号：TV143；TV87文献标志码：A文章编号：

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，繁荣于滨水区域，同时城市的发展也受其限制[1] 。城市滨水景观不仅是城市功能需求的反应，同时也是自然生态的延续，城市内涵与文明的体现[23]。隨着计算机技术的发展，数值模拟方法在河道水流模拟方面日益体现出其周期短、可操作性强、计算精度高、通用性强等优势，逐渐成为一种简便可靠的工具[45]。常见的河流数值模拟软件有荷兰Delft大学开发的Delft3D软件[6]，美国的水动力学Sms模型[7]及目前广泛应用于实际工程计算的丹麦DHI Mike系列河道水流模拟软件[811]。近年来，许多学者运用二维河流数值模拟方法对南渡江河口段的不同特性进行模拟研究，并取得满意的结果。许栋[12]等将高分辨的DEM地形图像与二维河流数值模拟有机结合，模拟了不同流量下南渡江河口段江滩的淹没情况。潘中奇[13]基于二维水流模型和二维盐度模型，较好地模拟了橡胶坝建设前后对河口段水动力特性及盐水入侵的影响。任梅芳[14]等利用MIKE21水动力模型，模拟计算南渡江河口段6座跨江大桥桥墩的壅水情况，并与经验公式计算结果相比较，建议使用MIIKE21数学模型计算壅水值。滨江西带状公园的建设将成为海口市发展的助推力与催化剂，滨江小品景观彰显海口地区特性。为减少工程建设对河道行洪与防洪安全的影响，因此需要对公园建设后南渡江河口段的行洪能力进行分析。

1研究方法

MIKE21 FM中的水动力模块采用非结构化网格有限体积法求解二维浅水方程。该浅水方程是沿水深积分不可压缩的雷诺平均NavierStokes方程，可以模拟因各种力作用而产生的水位和流速变化及模拟任何忽略分层的二维自由表面流[15]。

1.1控制方程

南渡江河口段属于宽浅河道，平面尺寸远大于垂直尺寸。本模型采用平面二维浅水方程描述河口段的水流运动，水流数值模型的控制方程在直角坐标系下采用如下形式。

平面二维水流的连续方程为

2工程概况

海口市滨江西带状公园沿南渡江左岸江滩布置，公园北起长堤路新埠桥，南至南渡江大桥，全长1270 km，西边以南渡江河口段左岸堤防为界，东至江边，主要位于堤东侧的江滩绿地上。依据景观设计方案，带状公园共分为古渡生态公园区（含白沙古渡、红树帆影、疍家芦韵三景）、椰风活力公园区（含活力琼海、椰风寻鹭、椰岛飞轮、南渡草岸四景）、都市休闲公园区（含欢乐南渡、浪漫椰乡、断桥古今三景）三个园区。其中，古渡生态公园区总长约570 km，最大宽度约318 m，最小宽度约14 m；椰风活力公园区总长约390 km，最大宽度约250 m，最小宽度约41 m；都市休闲公园区总长约310 km，最大宽度约213 m，最小宽度约27 m。根据相关规划设计文件，滨江西带状公园主要行人游览区域防洪标准为20年一遇，其它滨水部分位于20年一遇水位线以下，带状公园总布局见图1。

南渡江龙塘电站坝址以下为河口段，河段长约26 km，龙塘水文站的水文资料可直接用于龙塘站以下河段的洪水计算。南渡江河口段左岸堤防按照100年一遇防洪标准建成，始起海口市新埠桥，止于水娇村，堤防总长1517 km。右岸防洪堤起始于儒范村，止于麻余村，共1498 km，防洪标准为30年一遇洪水。南渡江河口段处于河口冲积及滨海沉积平原，河床宽浅，坡降平缓，从上游依次出现顺直分汊河段、弯曲型河段、弯曲分汊型河段和河口三角洲分汊河段等四种类型。在两岸防洪堤形成的新河势下及近年来无序采砂得到有效的控制后，南渡江河口段河床基本保持稳定。河段在纵向变化上虽有冲有淤，冲淤相间，但变化幅度较小，属冲淤变形较稳定的河段。

3计算模型构建

3.1模型计算范围及网格划分

模型计算范围自东环铁路南渡江特大桥至河口以外-15 m水深海区，计算河段全长约280 km，其中南渡江干流计算河长约18 km。模型采用1∶1 000的南渡江河道实测CAD地形图、1∶500桥梁实测CAD地形图、滨江西带状公园现状实测地形资料。采用三角形非结构化网格，司马坡岛、左岸带状公园及河口三角洲分汊处进行网格加密，网格边长为20 m，主河道网格边长30～50 m，共计15 100个网格。模拟时间段为2015年2月1日 0：00～5日 4：00，时间步长为60 s，模拟步数为6 000。计算区域网格剖分见图2。

3.2边界条件

计算模型的上游边界采用龙塘滚水坝下泄流量控制，下游边界采用潮位控制。司马坡岛在大洪水时可部分或完全淹没，在计算时采用动边界技术模拟司马坡岛的淹没状态，使用限制水深的方法处理动边界问题，即：将计算网格分为干、湿和半干三类；网格水深hh2时为湿网格。

《海口市防洪（潮）规划报告》[16]研究表明，南渡江的洪水多由台风暴雨形成，但南渡江流域集雨面积大，洪峰汇集时间较长，松涛建库蓄水后，汇流时间缩短为32～45 h。风暴潮来去时间短暂，最高潮位驻留不足05 h，因此风暴潮与龙塘洪峰遭遇的机会很小，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风暴潮位。而天文潮与洪水的遭遇是必然的，即使洪水与天文潮遭遇，河口段水位仍由洪峰流量控制。因此，本次計算中与洪水遭遇的潮水位频率均低于洪水频率，各工况洪峰流量与潮位组合见表1。

3.3河道糙率率定与验证

江滩绿地及司马坡岛上分布有大面积的植被、树木，在模拟计算江滩绿地及司马坡岛淹没状态下的水流运动时，应根据植被分布状况选择相应的糙率模拟不同植被对水流的阻力，切实反映南渡江河口段水流运动过程。南渡江河口段河道没有实测的糙率，因此需要根据历史水文资料对糙率进行率定，进而确定河道糙率分布。数学模型对2000年和2008年两次洪水的洪水水面线进行了验证。其中2000年龙塘站实测最大洪峰流量9 300 m3/s，在50年一遇与100年一遇之间；2008年最大洪峰流量5 700 m3/s，接近10年一遇。模型上、下游分别以龙塘站实测流量和河口实测潮位为边界条件，进行两次洪水水面线的验证。

进行2000年洪水模拟计算时，参照《天然河道糙率n值》表[17]选择相应的糙率模拟不同植被对水流的阻力，采用的河道沿程糙率见表2，洪水水面线验证结果见表3。结果显示，模型计算的沿程洪水水位与实测值相差均在5 cm以内，相对误差在019%～085%之间，满足洪水水面线验证的精度要求。同样以2000年洪水计算采用的模型糙率对2008年洪水水面线进行了验证。计算结果与实测值相差也在5 cm以内（见表4），相对误差在021%～088%之间，同样满足要求。接近10年一遇和接近100年一遇等不同水位的验证结果表明，建立的数学模型能够客观复演南渡江河口段流场和洪水过程，具备进行不同重现期洪水计算的能力。

3.4滨江西带状公园概化方式

滨江西带状公园由三个园区十处景致共同构成“活力滨江生态休闲观光带”。公园之中既有亭台、汀步、栈道等阻水建筑物，又有大面积的植物草被。概化方式既不同于单纯的江滩绿地，又区别于纯粹的桥梁、堰、涵等水工建筑物。由于目前公园还在初步设计阶段，没有详细的设计资料。因此将公园概化为两种不同的方式进行模拟计算：（1）公园区域局部糙率修正，根据各个景点布置区域选择合适糙率来模拟公园对水流的阻力[18]；（2）公园区域局部地形修正法，将公园区的局部地形高程增加到略高于公园建设前20年一遇洪水水位高程来体现公园对水流的阻力。

參照《各种材料明渠糙率n值》[17]表及《海口市滨江西带状公园景观设计方案》报告，古渡生态园区主要保持现状的农田及红树林保护区，建议糙率值取0070，公园建设前20年一遇洪水水位最大高度约50 m；椰风活力园区由不同类型的小品景观组成，建议糙率值取0150，公园建设前20年一遇洪水水位最大高度约575 m；都市休闲公园区主要以大型休闲广场为主，建议糙率值取010，公园建设前20年一遇洪水水位最大高度约625 m。根据带状公园不同园区的建设方案，局部糙率和地形概化参数见表5，修正后的计算区域的参数分布见图3。

3.5桥墩的概化模型

模型计算范围内南渡江河口段共有6座跨江大桥。MIKE21 FM模拟计算中，局部建筑物桥墩对水流的影响是通过桥墩所在单元增加拖曳力求出的。在进行计算时，桥墩的位置由一个点定义，需要设定的参数有桥墩的位置、流线系数、桥墩垂向断面的分段数及桥墩的角度等。模型可以很好的拟合复杂地形，计算结果合理满足精度要求[1920]。

4计算结果与分析

南渡江河口段江滩绿地开发为公园后，河道糙率及河道地形改变，导致河道水面线和流速发生变化。以公园起点新埠桥为零断面，提取公园起点下游15 km至公园终点上游15 km范围河道水面线高程。分析图4计算结果，局部阻力修正概化方式在3种工况下水面线均呈现壅高现象，而局部地形修正概化方式在工况Ⅲ时局部水面线低于公园建设前。工况Ⅰ时，局部阻力修正法计算水位线高于局部地形修正法计算结果，对上游壅水的影响范围略大于局部地形修正法。局部阻力修正法水位线至计算范围上游边界最大壅水高度985 cm，而局部地形修正法至计算上游边界壅水高度由925 cm降为830 cm，均低于南渡江河口段左岸防洪堤堤顶高程，不会出现漫堤情况。在工况Ⅱ情况下，两种概化方式模拟结果基本接近，最大壅水高度约780 cm，均低于右岸防洪堤堤顶高程。且在1970-1990年期间，由于上游松涛水库、中游水土流失治理及下游龙塘滚水坝建设，导致来沙量逐年减少，特别是大量开采河砂的影响，南渡江河口段河床泥沙持续减少，河床下切。河道深泓线已明显降低，河口段河道比降已由035‰降至1995年的0294‰。在工况Ⅲ时，局部地形修正概化方式计算水面线在古渡生态园区上游段的18 km范围内水面线略低于公园建设前。分析原因可能是20年一遇洪水时，洪峰流量较小，公园局部高地类似桥墩阻水，且附近建设有琼州大桥，在其下游处出现了较明显的跌水。此区域在司马坡岛下游，流速较公园建设前增加比较明显，造成水面线略低于公园建设前。

分析图5，两种概化方式下流速计算结果基本一致。不同洪水重现期最大流速由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）。综合分析图5-图8，公园建设后南渡江流速的增大主要出现在主河道深泓区，两岸岸坡处流速平均整体增大幅度相对较小，使得主流越集中于主河道深泓区，水流流向与河道深泓线走向趋于一致。

司马坡岛为河口段江心洲，左汊建设公园后，过水断面面积减小相对较大，流速增加比较明显。在司马坡岛中下游局部出现了高流速区，未来拟建司马坡岛文体基地时，增大了司马坡岛护岸防冲保护的压力。司马坡岛周围水流流场矢量图（图6-图8）显示，两种概化方式下司马坡岛右汊流场密集程度明显加大，高流速区出现在岛尾，在两汊水流汇流区，流速差形成压差，主流线左移，对附近左岸防洪堤护岸前沿存在冲刷危险，但对防洪堤安全不构成直接危害。

5结论

本文基于MIKE21 FM水动力模型，模拟分析了海口市滨江西带状公园建设对南渡江河口段行洪能力的影响。同时，对MIKE 21 FM模型模拟河口段水动力的过程进行了研究，得到如下结论。

（1）根据2000年和2008年历史洪水资料完成了对河口段河道模型糙率的率定和验证。模拟结果与历史资料吻合，MIKE21 FM模型可以很好地模拟河口段水位变化且具有较高计算的精度。

（2）两种概化方法计算结果均表明，公园的建设将导致南渡江河口段水面线有较轻的壅高现象，但建设后的水面线仍低于左右岸堤防堤顶高程，因此该工程的实施没有降低南渡江河口段河道的泄洪能力。

由于公园还在规划设计阶段，此次模拟计算对公园的糙率及边界概化略显粗糙，未来拟根据公园的建设详图，进一步优化模型与参数，为公园设计提供参考依据。

参考文献（References）：

[1][HJ1.7mm]刘杰.地域文化在城市滨水景观中的表达研究[D].重庆：西南大学，2014.（LIU J.Expression of regional culture in urban waterfronts landscape[D].Chongqing：Southwest University，2014.（in Chinese））

[2]李妍.地域文化对城市滨水景观的影响[D].沈阳：沈阳师范大学，2014.（LI Y.Influence of the regional culture to the city waterfront landscape[D].Shenyang：Shenyang Normal University，2014.（in Chinese））

[3]李梦依.城市滨水景观设计生态理念与材料运用[D].长沙：湖南师范大学.2014.（LI M Y.Urban waterfront landscape ecological design concept and application of materials[D].Changsha：Hunan Normal University，2014.（in Chinese））

[4]肖毅，邵学军，周刚，等.考虑河岸植被影响及变形的河流形态数值模拟研究[J].水力发电学报，2012，31（6）：149153，159.（XIAO Y，SHAO X J，ZHOU G，et al.2D Mathematical modeling of fluvial processes considering influences of vegetation and bank erosion[J].Journal of Hydroelectric Engineering，2012，31（6）：149153，159.（in Chinese））

[5]史莹，江春波，陈正兵，等.弯曲河道对水流流态影响数值模拟[J].水利学报，2013，44（9）：10501057.（SHI Y，JIANG C B，CHEN Z B，et al.Numerical simulation of flow pattern in meandering rivers[J].Journal of Hydraulic Engineering，2013，44（9）：10501057.（in Chinese）） DOI：10.13243/j.cnki.slxb.2013.09.007.

[6]黄庆超，石巍方，刘广龙，等.基于Delft3D的三峡水库不同工况下香溪河水动力水质模拟[J].水资源与水工程学报，2017，28（2）：3339.（HUANG Q C，SHI W F，LIU G L，et al.Modeling the hydrodynamics and water quality of Xiangxi River under different working conditions of Three Gorges Reservoir Based on Delft 3D[J].Journal of Water Resources & Water Engineering，2017，28（2）：3339.（in Chinese）） DOI：10.11705 /j.i ssn.1672643X.2017.02.06.

[7]周苏芬，易子靖，闫旭峰，等.山区宽窄相间河道平面二维水流数值模拟[J].水利水电科技进展，2013，33（01）：2226.（ZHOU S F，YI Z J，YAN X F，et al.Twodimensional numerical simulation of flows in wide and narrow alternated channels in mountainous areas[J].Advances in Science and Technology of Water Resources，2013，33（1）：2226.（in Chinese）） DOI：10.3880 /j.issn.10067647.2013.01.005.

[8]修海峰，吳联志.基于MIKEⅡ的平原河网洪水演进水动力研究[J].南水北调与水利科技，2012，10（6）：151154.（XIU H F，WU L Z.Hydrodynamic Research of flood routing in the plain river network based on MIKE Ⅱ[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2012，10（6）：151154.（in Chinese）） DOI：10.3724/SP.J.1201.2012.06151.

[9]库勒江·多斯江，刘俊，刘鑫，等.西控工程对望虞河西岸地区[HJ1.7mm]防洪的影响[J].水资源与水工程学报，2016，27（3）：166170.（KU LE JIANG·D S J，LIU J，LIU X，etal.Effect of west bank control engineering on flood control in west area of Wangyu River[J].Journal of Water Resources & Water Engineering，2016，27（3）：166170.（in Chinese）） DOI：10.11705 /j.issn.1672 643X.2016.03.32.

[10][ZK（#]梁云，殷峻暹，祝雪萍，等.MIKE21水动力学模型在洪泽湖水位模拟中的应用[J].水电能源科学，2013，31（1）：135137，99.（LIANG Y，YIN J F，ZHU X P，et al.Application of MIKE 21 hydrodynamic model in water level simulation of Hongze Lake[J].Water Resource and Power，2013，31（1）：135137，99.（in Chinese））

[11]张伟超，宋策，郭梦京，等.基于MIKE建模的城市生态公园行洪能力分析[J].水土保持通报，2017，37（1）：128131.（ZHANG W C，SONG C，GUO M J，et al.Flood discharging capacity of urban ecological park based on MIKE modeling[J].Bulletin of Soil and Water Conservation，2017，37（1）：128131.（in Chinese）） DOI：10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.023.

[12]许栋，徐彬，白玉川，等.基于二维浅水模拟的河道滩地洪水淹没研究[J].水文，2015，35（6）：15，23.（XU D，XU B，BAI Y C，et al.Study on flood submergence of river beaches based on twodimensional numerical simulation of shallow water flow[J].Journal of China Hydrology：2015，35（6）：15，23.（in Chinese））

[13]潘中奇.南渡江河口段河网水动力特性研究[D].天津：天津大学，2009.（PAN Z Q.Research on hydrodynamic characteristics of river networks in Nandu River estuary area[D].Tianjin：Tianjin University，2009.（in Chinese））[HJ1.7mm]

[14]任梅芳，徐宗学，苏广新.基于二维水动力模型与经验公式的桥梁壅水计算及其对比分析[J].水力发电学报，2017，36（5）：7887.（REN M F，XU Z X，SU G X.Comparative analysis on bridge backwater depths estimated using 2D hydrodynamic model and empirical formulas[J].Journal of Hydroelectric Engineering，2017，36，（5）：7887.（in Chinese）） DOI：10.11660/slfdxb.20170509.

[15]衣秀勇，关春曼，果有娜，等.DHI MIKE FLOOD 洪水模拟技术应用与研究[M].北京：中国水利水电出版社，2014.（YI X Y，GUAN C M，GUO Y N，et al.Application and research of flood simulation technology of DHI MIKE FLOOD[M].Beijing：China Water Conservancy and Hydropower Press，2014.（in Chinese））

[16]海口市水务局.海口市防洪（潮）规划报告[R].海口：海口市水务局，2008.（Haikou Water Affairs Bureau.Haikou Flood Control （Tide） Planning Report [R].Haikou：Haikou Water Affairs Bureau，2008.（in Chinese））

[17]赵振兴，何建京.水力学（第二版）[M].北京：清华大学出版社，2010.（ZHAO Z X，HE J J.Hydraulics（Second Edition）[M].Beijing：Tsinghua University Press，2010.（in Chinese））

[18]殷云珠.斑狀糙率不均匀分布的明渠水力计算与防洪评价[D].青岛：中国海洋大学，2013.（YIN Y Z.The hydraulic calculation of open channel and the flood control evaluation using uneven spot roughness method[D].Qingdao：Ocean University of China，2013.（in Chinese））

[19]王增钦.MIKE21FM在桥梁壅水分析中的应用[J].中国农村水利水电，2015（3）：161163.（WANG Z Q Application and analysis of the bridge backwater based on MIKE21[J].China Rural Water and Hydropower，2015（3）：161163.（in Chinese））

[20]袁雄燕，徐德龙.丹麦MIKE21模型在桥渡壅水计算中的应用研究[J].人民长江，2006（4）：3132，52.（YUAN X Y，XU D L.Application of MIKE 21 model in bridge backwater depths estimated[J].Yangtze River，2006（4）：3132，52.（in Chinese）） DOI：10.16232/j.cnki.10014179.2006.04.013.