基于Mike21模型的河道水質提升工程試驗研究

奚 斌，陳倩倩，陳 偉，奚 望，鄒 燕，黃海濤，陳志剛，沈世煊，陳葉欣，孔慶昊

（1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009； 2.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200；3.金湖縣河湖管理所，江蘇 淮安 211600； 4.揚州市城市河道管理處，江蘇 揚州 225000）

0 引 言

飲用水源地是保障居民日常生活和公共服務所需用水的取水地。飲用水源地安全和衛(wèi)生與否直接關系到人類生存和發(fā)展，國家高度重視飲用水安全保障工作。這里就保障小沿河飲用水源安全、水質達標，對小沿河飲用水源與一航道交匯處采用水動力數(shù)值模擬軟件進行研究。常見的水動力數(shù)值模擬軟件有荷蘭的Delft3D模型、英國的InfoWorks模型、丹麥的Mike模型等［1］，其中，Mike軟件應用廣泛，能模擬一維、二維和三維多種水環(huán)境，且模擬結果較符合實際。國內外學者利用Mike軟件對河道流態(tài)進行研究，張世鑫［2］等基于Mike11分析多閘壩對河道流量演進的影響，并通過模型研究不同區(qū)段洪峰流量傳播時間及流量傳播衰減變化；王曦［3］等利用Mike11的水動力模塊（HD）和對流擴散模塊（AD）構建了北疆供水工程主干渠的水質模擬模型，發(fā)現(xiàn)污染物擴散距離與污染事故發(fā)生位置無關，污染物影響范圍與流量有關，人工渠道自我凈化能力較弱。在水污染擴散研究方面，王迎彬［4］等提出了一種基于多節(jié)點數(shù)據(jù)融合的二維水污染源溯源定位方法，并結合觀測值與理論值構建的差值函數(shù)，采用擬牛頓法求得污染源關鍵參數(shù)，實現(xiàn)污染源的定位追蹤與污染物濃度分布模型的重構；趙娟［5］等借助SMS軟件發(fā)現(xiàn)可以根據(jù)潁上閘的水質合理地調整閘的下泄流量，能有效減少汛前潁上閘下泄水量而造成淮河干流突發(fā)性水污染事件的發(fā)生概率。

本文采用Mike21FM水動力數(shù)值模型模擬［6，7］和物理模型試驗驗證，對行船從航道經過汊流進入水源地上游，導致汊流內的污水進入水源河道這一現(xiàn)象進行了研究，并對飲水源河道汊流邊界進行了優(yōu)化［8］，分析改變汊流邊界對飲水源河道的流場流態(tài)的影響，并模擬計算行船以不同速度進入飲水源河道牽引進入的污水量，研究結果可以為分汊河道的水污染防治、河道治理等工作提供參考。

1 研究方法

1.1 物理模型搭建

1.1.1 工程概況

徐州市小沿河飲水源河道位于徐州市銅山區(qū)柳泉鎮(zhèn)，是當?shù)氐娘嬘盟吹兀袚車用竦娘嬘盟┧蝿?，由于一些小型農船必須從航道航行經汊流進入飲水源河道上游，而汊流及航道內水質較差，行船航行過程中會牽引污水進入飲水源河道，導致飲水源河道水質降低。如圖1（a）所示，飲水源河道和航道在總體上呈倒丁字形，航道下方建有地涵，飲水源河道水流通過航道下方的地涵流向下游。因通航需要，飲水源河道與航道無法實現(xiàn)立交功能，飲水源河道與航道通過汊流連通，行船從航道通過汊流駛入水源地，船行駛途中會將汊流內的污水隨船行帶入飲水源河道，影響水源水質。為盡可能減少行船駛入水源地時牽引進入水源河道的污水量，根據(jù)分汊河道流場流態(tài)以及污染物輸運規(guī)律，提出優(yōu)化水源河道汊流邊界。研究范圍為沿飲水源河道流向長約554 m，河道寬約36 m，沿航道流向長約441 m，河道寬約61 m，水深在3～4 m。如圖1（b）所示，優(yōu)化措施為封堵原有的汊流，充分利用地涵以北的荒廢的汊流，將分汊角度由69°改為34°。在汊流地上游開辟一條供船行駛的單線航道，從岸邊向單線航道邊沿依次栽植濕生植物和沉水植物，同時在河道右岸內布置丁字壩，調整河道內水流流態(tài)，減少污水進入飲用水源河道。將該段河道打造為具有排澇、航運等綜合功能的生態(tài)走廊。

圖1 汊流邊界優(yōu)化方案示意圖（——航線）Fig.1 Schematic diagram of the optimization scheme of the boundary of the anabranch

根據(jù)查閱資料和分析，飲水源河道和航道為糙率n=0.025，汊流內由于載植濕生植物，糙率為n=0.176。采用1∶40的比例尺搭建物理模型。物理模型中按原型控制飲水源河道上游邊界的來流量，同時控制引水地涵前的對應水位。為獲取飲水源河道內流態(tài)，面層流場采用DPIV表面流場采集系統(tǒng)收集流場數(shù)據(jù)，DPIV高清流場測量系統(tǒng)是基于粒子圖像測速技術（Particle Image Velocimetry）的大范圍表面流場測量系統(tǒng)。物理模型中河道部分采用混凝土制作，地涵采用PVC板制作，用來模擬與水流接觸的表面糙度。試驗時通過流量計及閥門控制模型進水流量，下游出水口疊梁式溢水板調節(jié)水位，當流量、水位穩(wěn)定后利用DPIV采集流場數(shù)據(jù)。再采用Tecplot后處理軟件分析面層流場數(shù)據(jù)，獲取相應的流場矢量圖和云圖。

1.1.2 研究工況確定

使用Mike21水動力模型模擬無行船經過時工程優(yōu)化前和汊流邊界優(yōu)化后的飲水源河道流場；以及根據(jù)汊流內實際船行速度，將船行速度分設為6、9、12、15、18節(jié)，分別對工程優(yōu)化前和汊流邊界優(yōu)化后河道模擬，共分為12種工況，見表1。在數(shù)模二維分析中把船與水接觸的部分簡化成面，分析其運動對周圍流場的影響。由于此處實際工程中運行的是周邊村民用很小的民船，在河道中所占面積很小，我們在數(shù)模中把船簡化成點，將航行路線概化成許多等間距的點，在這些點上添加點源，設置點源流速為船速，并按船行駛經過的先后順序設置對應的作用時間點和時間段，模擬單艘船行及船行擾動對主支河道的影響。再選取合適的汊口斷面，分別計算不同船速下進出汊口斷面的水量，以此代表船行牽引進入飲水源河道的污水量。

1.2 數(shù)模模擬設置

1.2.1 計算方程

采用Mike21FM水動力模塊建立數(shù)學模型。Mike21FM水動力模塊基于二維黏性不可壓縮流體動量守恒的Navier-Stokes方程，且服從Boussinesq和靜水壓力假定。

二維水流連續(xù)性方程為：

二維水流動量方程為：

1.2.2 網格劃分及地形建立

根據(jù)飲水源河道邊界特征和水下地形數(shù)據(jù)，同時建立工程優(yōu)化前和汊流邊界優(yōu)化后的模型網格，并生成水下地形圖。模擬范圍為沿飲水源河道流向長約554 m，寬約36 m，沿航道流向長約441 m，寬約61 m。模型網格采用Mike自帶的網格剖分工具劃分而成，控制網格邊長在5 m左右，對汊口處的網格進行加密，見圖2。根據(jù)已有的飲水源河道各個橫斷面水下地形數(shù)據(jù)，導入已生成的模型網格圖中，插值生成地形圖。工程優(yōu)化前和汊流邊界優(yōu)化后地形插值見圖3、圖4。

圖2 工程優(yōu)化前網格劃分圖Fig.2 Grid of current topography of drinking water anabranch

圖3 工程優(yōu)化前地形插值圖Fig.3 Interpolation map of current topography of drinking water anabranch

圖4 汊流邊界優(yōu)化地形插值圖Fig.4 Topographic interpolation diagram of optimization scheme of drinking water anabranch

為了避免模型計算出現(xiàn)不穩(wěn)定性，模型啟用干濕分界。飲水源河道和航道初始條件設置為設計水位。由于飲水源河道下游邊界選取的是地涵前的開敞式水面，且由于航道與飲水源河道下游通過汊流連接，因此飲水源河道和航道下游邊界均設置水位31.53 m。飲水源河道的上游邊界設置流量10 m3/s。航道上游邊界設置通過流量5 m3/s。

1.3 模型參數(shù)率定及驗證

使用VY-Ⅲ多功能流速儀在不同測點測量0.6倍水深處點流速，并根據(jù)流速比尺換算成原型流速，代表該測點的平均流速。在二維水動力模型中，輸出對應測點的模擬流速。將實測流速與二維水動力模型的模擬流速數(shù)據(jù)比較：為了對數(shù)值模擬結果進行進一步的分析，采用DPIV技術對搭建的物理模型進行測量，對河道六個不同位置的斷面流場進行研究，為了驗證所建數(shù)學模型的可靠性，需將數(shù)值模擬結果與物理實驗數(shù)據(jù)進行對比。數(shù)學模型弗勞德數(shù)、雷諾數(shù)及流量比均與物模試驗保持一致。流速對比情況如圖5所示。

圖5 主河道不同斷面各測線上的流速對比圖Fig.5 Comparison of flow velocity on each measuring line at different sections of the main channel

不同縱向斷面水面線高度與物模試驗實測值吻合較好，飲水源河道內不同斷面上的速度數(shù)值模擬值與物模試驗實測值吻合良好，能夠反映流速變化的整體趨勢。經過驗證，物理模型試驗和數(shù)值模擬計算結果分布趨勢吻合基本良好，數(shù)值模擬計算的結果具有可信度。

2 數(shù)值模擬結果與分析

2.1 汊流邊界優(yōu)化分析

采用Mike21對工況1和工況7的飲水源河道流場進行模擬，見圖6、7。根據(jù)工況1的飲水源河道流場圖，由于飲水源河道底部地勢較低，優(yōu)化前汊流內河底地勢較高，且分汊角度較大，無船行駛情況下，飲水源河道的水流在汊口受到地勢阻礙，只有很小一部分水流流入汊流，從飲水源河道進入汊流的流量為0.67 m3/s，并在汊口形成低流速的大面積回流，回流面積約為150 m2，約占汊口處60%面積，污染物會隨回流積聚在汊流河口附近，且濃度隨時間會越來越高。若行船從汊流進入水源河道，勢必會將大量回流區(qū)的污染物牽引進入飲水源河道，影響飲水源河道水質。

圖6 原方案流場模擬圖Fig.6 Flow field simulation diagram of the original scheme

圖7 優(yōu)化方案流場模擬圖Fig.7 Optimization scheme flow field simulation diagram

根據(jù)工況7的飲水源河道流場圖，優(yōu)化汊流邊界以后，飲水源河道上游的水在經過汊口時，由于分汊角減小，主干河道的水流易于匯入優(yōu)化后的汊流河口，同時有1.36 m3/s的小部分水流平順進入汊流，優(yōu)化后的汊口無低速回流區(qū)，流速分布均勻。

2.2 行船牽引污水量分析

在飲水源河道進口處設置污水進出量測量斷面（見圖8），對工況2～6和工況8～12由行船牽引進入飲水源河道的污水量進行計算，用通過斷面的水量代表船行牽引進入飲水源河道的污水量，見圖9、10。

圖8 測量斷面示意圖Fig.8 Flow field simulation diagram of optimization scheme

圖9 不同船行速度牽引汊口斷面污水量Fig.9 The amount of sewage in the section of the anabranch at different speeds

根據(jù)模擬計算結果，工程優(yōu)化前的飲水源河道，船行速度分別為6、9、12、15、18節(jié)時，船行牽引進入飲水源河道的最高污水量分別為253、249、251、269、273 m3；而根據(jù)工況8～12的模擬計算結果，汊流邊界經過優(yōu)化后，行船分別以6、9、12、15、18節(jié)進入飲水源河道，牽引進入水源地的最高污水量分別為172、210、223、239、258 m3。根據(jù)圖9可知，從船舶進入汊流開始計時200 s，隨著時間的增加，在不同船速下，污水量均呈現(xiàn)先小幅下降再大幅上升的趨勢，在工程優(yōu)化前，污水量在大幅上升之后波動下降，并穩(wěn)定在一個較大的流量，且船速越小最終污水量越大，在船速高于15節(jié)時，最終污水量穩(wěn)定在200 m3，而在工程優(yōu)化之后，進入飲水源河道的污水量減小，其間有個峰值點，峰值之后急速下降并恢復到無船的狀態(tài)。由于優(yōu)化后的汊流河口頂托作用加強，船行駛過后，兩側水流形成對沖，在汊流河口處形成回流，導致汊流河口進出水量變化不明顯，船行駛過后，汊流河口能較快調整到無船狀態(tài)，水流又從飲水源河道流入汊流。

通過對比相同行船速度下的斷面最大污水牽引量（見圖10）可得，汊流邊界優(yōu)化后船行牽引帶入飲水源河道的污水量均少于工程優(yōu)化前，這是由于優(yōu)化后的汊流河口相較于優(yōu)化前的汊流河口頂托作用加強。且船行速度在6節(jié)時，汊流邊界優(yōu)化后船行牽引帶入的污水量變化最明顯。根據(jù)汊流邊界優(yōu)化后不同船行速度的比較發(fā)現(xiàn)，隨著船行速度的增加，行船牽引進入飲水源河道的污水量也在增加。

圖10 不同船行速度牽引進入飲水源河道的最高污水量Fig.10 The maximum amount of sewage pulled into the drinking water source river at different speeds

汊流邊界優(yōu)化可以有效減少行船行駛牽引進入飲水源河道的污水量，且隨著船行速度的增加，進入飲水源河道的污水量也在增加。建議汊流內的行船經過汊口時速度限制在6節(jié)左右，可以減少污水被牽引帶入飲水源河道。

3 結 論

本文采用Mike軟件建立了飲水源河道二維水動力模型，并與物理模型對應測點流速驗證數(shù)模的準確性，分析了飲水源河道汊流河口流場和不同船行速度牽引污水進入飲水源河道的污水量。得出以下結論：

（1）優(yōu)化汊流邊界可以有效改善飲水源汊口河道的流態(tài)，在無行船時可以控制航道污水進入小沿河，有船通行時，優(yōu)化方案中相同船速情況下進入小沿河的航道污水量減少，因此可以結合工程投資總效益選擇，優(yōu)化汊流邊界減少行船牽引進入飲水源河道的污水量。

（2）在優(yōu)化方案下，隨著船速的提升，牽引進飲水源河道的污水量逐漸增加，船速6節(jié)時，船行牽引進入飲水源河道的污水量最少。