基于MIKE 21的圩区河网水动力调控方法研究.pdf
《基于MIKE 21的圩区河网水动力调控方法研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于MIKE 21的圩区河网水动力调控方法研究.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.7徐存东,訾亚辉,黄嵩,等.基于 Mike21 的圩区河网水动力调控方法研究J.水利水电技术(中英文),2023,54(7):161-170.XU Cundong,ZI Yahui,HUANG Song,et al.Research on the hydrodynamic regulation method of river network in polder area based on MIKE 21J.Water Resourc
2、es and Hydropower Engineering,2023,54(7):161-170.基于 MIKE 21 的圩区河网水动力调控方法研究徐存东1,2,3,訾亚辉1,2,黄 嵩1,2,赵志宏1,任子豪1,2,胡小萌1,王海若1(1.华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450046;2.浙江省农村水利水电资源配置与调控关键技术重点实验室,浙江 杭州 310018;3.河南省水工结构安全工程技术研究中心,河南 郑州 450046)收稿日期:2022-11-26;修回日期:2023-03-04;录用日期:2023-03-07;网络出版日期:2023-05-10基金项目:国家自然科学基金
3、项目(51579102);浙江省基础公益研究计划项目(LZJWD22E090001);浙 江省重 大科技 计划项 目(2021C03019);中原科技创新领军人才支持计划(204200510048);河南省科技攻关项目(212102310273);河南省高等学校重点科研项目计划(20A570006)作者简介:徐存东(1972),男,教授,博士研究生导师,博士,主要从事水利工程优化设计理论方法及平原河网调控研究。E-mail:xcun-dong 通信作者:訾亚辉(1998),男,硕士研究生,主要从事河网水动力方面研究。E-mail:1971685442 Editorial Department
4、of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.摘 要:【目的】我国南方平原地区地势低缓,河网结构复杂,为快速解决该地区因河网水动力不足而引起的水环境问题,急需研究河网水体运行状况调控方案。【方法】以太湖流域南浔区沈庄漾“溇港圩田”河网作为研究对象,构建 Mike 21 FM 二维河网水动力模型,结合研究区河网改造后的水利工程布置和调度规则,提出定位增压的 7 种水动力调控方案,模拟分析河网在不同方案下流场分布规律,探究圩区河网水
5、动力提升和流场改善的优化调度方法。【结果】模拟结果表明:活水和引排水方案虽能有效改善河网水动力,但对于中心水塘的水动力驱动效果不佳。在开启西南侧河道水泵和西部泵闸的情况下,河网内大部分区域的流速基本能维持在 0.05 m/s 左右,部分河道的流速能达到 0.3 m/s 以上,并且对中心水塘水体驱动效果最好。【结论】综合分析表明:所设计的 7 种调控方案均能有效地提升河网水动力,在开启西南侧河道 1 台水泵和西部泵闸时,流场分布最均匀且水动力整体提升效果最佳。研究结果可为南方平原河网的水利工程水动力调控提供参考。关键词:水动力模型;调控方案;圩区河网;流场分布DOI:10.13928/ki.wr
6、ahe.2023.07.014开放科学(资源服务)标志码(OSID):中图分类号:TV131.2文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)07-0161-10Research on the hydrodynamic regulation method of river network in polder area based on MIKE 21XU Cundong1,2,3,ZI Yahui1,2,HUANG Song1,2,ZHAO Zhihong1,REN Zihao1,2,HU Xiaomeng1,WANG Hairuo1(1.School of Water Conserv
7、ancy,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450046,Henan,China;2.Key Laboratory for Technology in Rural Water Management of Zhejiang Province,Hangzhou 310018,Zhejiang,China;3.Henan Provincial Hydraulic Structure Safety Engineering Research Center,Zhengzhou 450046,Hena
8、n,China)Abstract:ObjectiveThe southern plain area of China is low and gentle,and the river network structure is complex.In order to quickly solve the water environment problems caused by the lack of water power in the river network in this area,it is urgent to study the regulation scheme of the rive
9、r network water operation.Methods This study took the“Lougang Polder”river 161徐存东,等/基于 MIKE 21 的圩区河网水动力调控方法研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期network in Shenzhuangyang in Nanxun District of the Taihu Lake Basin as the research object,constructed the hydrodynamic model of Mike 21FM two-dimensional river
10、network,combined with the layout and scheduling rules of water conservancy projects after the transformation of the river network in the study area,proposed seven hydrodynamic regulation schemes for positioning and pressurization,simulated and analyzed the distribution of flow fields under different
11、 schemes of river net-work,and explored the optimal scheduling method of hydrodynamic improvement and flow field improvement of river network in the polder area.Results The simulation result show that although the live water and water diversion and drainage scheme can effectively improve the hydrody
12、namic force of the river network,the hydrodynamic driving effect of the central pond is not good.With the southwest river water pump and the west pump gate open,the flow velocity in most areas of the river network can basically maintain around 0.05 m/s,and the flow velocity in some rivers can reach
13、more than 0.3 m/s,and the driving effect on the central pond water body is the best.ConclusionThe comprehensive analysis shows that the seven control schemes designed can effectively improve the hydrodynamic force of the river network.When one water pump and the west pump gate are opened in the sout
14、hwest river channel,the flow field distribution is the most uniform and the overall hydrodynamic force improvement effect is the best.The research result can provide a reference for the hydrodynamic regulation of water conservancy projects in the southern plain river network.Keywords:hydrodynamic mo
15、del;regulation scheme;polder river network;flow field distribution0 0 引引 言言 近年来,随着城市的快速发展,人类活动与平原河网水系间的相互作用愈发显著。流域内河网的水动力不足以及水质恶化等问题已经成为制约流域经济社会可持续发展的主要瓶颈1-4。天然河网水系的水体动力主要受限于水文、河床地形、汇流条件等结构性因素,在一定的尺度内,其水动力变化与河网水环境存在着一定的相关性5-6。我国南方平原地区作为我国社会经济最发达的区域,随着人类活动的增加和水资源的过度开发,导致该区域水资源承载力已趋近于极限,平 原 河 网 水 生 态、
16、水 环 境 等 问 题 日 益 凸显7-8。由于南方平原河网水体自身流动性较差、空间较封闭的特点难以彻底改变,所以在天然河网上兴修闸、泵等工程设施,是我国南方地区流域水资源有效开发、兴利排涝的重要工程手段。太湖流域的南浔区流域河道密布,纵横交错,湖泊星罗棋布,是典型“江南水网”。南浔区河网水流平均流速普遍不足0.01 m/s,河道中的各种污水长期游荡、停滞在河道中,导致其不能顺利排出。天然的河网被人工改造,不同程度地改变了河网的自然结构,原本完整的河网系统被分割成多个不连续的片段,截断的河道使得河网整体水动力不足,在引起其水动力特性改变的同时,也使得天然河网水系的连通性大幅降低,部分河网甚至出
17、现了死水区9。与此同时,国内外学者开展了水动力数值模拟。STELL-ING10基于浅水河网特性,对河网结构进行了系统的描述,并对平面浅水方程详细地作了研究,成功模拟浅水河网的水动力变化,进一步推动了二维模型的发展;BOUCHARD 等11利用水动 力 分 析 模 拟 程 序WASP 模拟纳米管在地表水运输中的效果,分析其水动力变化情况;AJIWIBOWO 等12以 CBL 河道为研究区,利用 MIKE 11 进行一维数值模拟,成功模拟了丰水期和枯水期疏浚调水对河道水动力的影响,研究结果证明了不同流量的引调与水动力的改善之间存在着一定的关联性,该结果为后续研究提供了理论支持;WALDMAN 等1
18、3将 MIKE 3 与 Delft 3D 进行有效的结合,成功开发了 Pentland Firth 和 Orkney 两个区域尺度的水动力模型,通过模型的使用,成功预测了潮 汐 涡 轮 机 的 运 行 对 两 个 水 域 水 动 力 的 影 响;MAWANDHA 等14以本加湾索罗河下游水系为研究对象,并基于 HEC-RAS 模型对该水系进行模拟,成功利用该模型对水利调度措施进行了有效评估,为未来调度方法的研究提供理论参考。对于国内研究,在水系连通方面,潘剑光等15以平原区城市为例,在河网水系连通的条件下,对泵站进行合理的设置,增强水体的流动性,通过利用 MIKE 11 水动力模型,进行模拟不
19、同情景下河网水系的水动力条件,并为水环境的治理提供新思路。在闸泵联合调度方面,何健等16构建水动力-水质耦合模型,设置河网闸泵不同的运行方案,分析不同方案下河道水动力改善效果,表明泵站引水量可在不同程度上改善河网水动力条件;王思如等17建立了基于长江下游典型平原城市的河网水动力学模型,并进行数值模拟,具体分析工程设施的布置和调度方式等对河网水体流动的改善效果,研究结果为平原河网城市地区的水动力调控提供新技术;闫毓等18以上海中心城区蕰南水利控制片261徐存东,等/基于 MIKE 21 的圩区河网水动力调控方法研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期 图 1 研究区河网地理
20、位置示意Fig.1 Geographic location map of river network in research area为研究对象,通过对研究区的闸泵进行联调联控调度,对河网进行水动力时空再造,依据现有的水利工程设施进行多种调控方案设计,并对其进行模拟计算,分析其活水改善效果并对其进行结果优选,研究结果大幅度增强了水体的流动,对水动力运行状态的维持具有重要意义。综上所述,随着数值模拟技术的不断发展,在水系连通和闸泵联合调度方面对水动力改善研究均取得了丰富的成果,但发现大多数平原河网的研究只关注于完整水系之间所存在的水动力问题,而面对河网自然结构的改变而引发的水动力不足现象,系统地
21、开展在特定的封闭活水区域生态补水方案的研究尚存不足,导致无法验证调水、补水方案的普适性与有效性。本研究以太湖流域南浔区沈庄漾“溇港圩田”河网作为研究对象,通过分析研究区域水文特征和河网地形,选取具有代表性点位进行模型率定,建立相应的二维水动力模型,从河网内活水和外河网引排水两个方面,模拟分析不同工况下河网水动力调控效果,水体流动均得到了不同程度的提高,解决了平原河网水动力不足问题。研究成果对于修复南方平原河网,促进南方平原河网区可持续发展具有积极意义。1 1 研研究究区区概概况况1.1 研究范围 南浔区隶属于浙江省湖州市,位于杭州市东北部。其地势较低缓,河道交错,结构复杂,是典型的水网平原。当
22、地地势较低,平均海拔在 5 m 以下,境内河流纵横,湖漾密布。本研究目标河网位于南浔区东南侧的沈庄漾圩区,北邻南长兴港,东倚沈庄漾,西靠阳安塘,南依博成桥港。圩区面积约 0.98 km2,水域面积占比约 15.3%,超过南浔区平均水域面率。研究区河网现状如图 1 所示。1.2 研究区现状 研究区河网共有 3 处与外河网相连,分别位于研究区河网的西、北、东侧,通常情况下,3 处河道进行水闸关闭,仅依靠南部的水渠向河网内供水,以满足日常使用需求。研究区河网分为外圈河道与中心水塘2 个部分,水位保持在2.5 m,并设有2 道拦水堰。为有效提取各处的水体流速情况,本研究在河网内设置了 8 个监测点,用
23、于提取数据与分析,河网地形及各水利工程与监测点位位置如图 2 所示。361徐存东,等/基于 MIKE 21 的圩区河网水动力调控方法研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期图 2 研究区河网地形及水利工程与监测点示意Fig.2 Schematic diagram of river network topography,hydraulic engineering and monitoring points in the research area2 2 模模型型构构建建2.1 水动力模块控制方程 MIKE 21 FM 模拟模型的水动力模块基于三向不可压缩和 Reynolds
24、 值均布的 Navier-Stokes 方程,并服从于 Boussinesq 假定和静水压力的假定19。二维非恒定平面浅水流方程组如下ht+hux+hvy=hS(1)hut+hu2x+huvy=fvh-ghx-h0Pax-gh220 x+sx0-bx0-10sxxx+sxyy()+(hTxx)x+(hTxy)y+husS(2)hvt+huvx+hv2y=-fuh-ghy-h0Pay-gh220y+sy0-by0-10syxx+syyy()+(hTxy)x+(hTyy)y+hvsS(3)式中,t为时间;x、y为笛卡尔坐标系坐标方向;为水位;d 为静止水深;h 为总水深,h=+d;u 为 x方向上
25、的速度分量;v 为 y 方向上的速度分量;f 为哥氏力系数,f=2sin,代表地球自转角速度,代表当地纬度;g 为重力加速度;为水的密度;0为淡水的密度;Pa为当地大气压强;sxx、sxy、syx、syy为辐射应力分量;sx、sy为水面风应力张量;bx、by为河床床面应力张量;S 为源项;us、vs 为源项在x、y 方向的水流流速。2.2 初始条件与边界条件的确定 在水动力模块,设定输出结果为水位与流速。在初始条件设置上,圩区河网的初始水位设置为日常水位 2.5 m。在边界条件设置上,设置西、北、东部泵闸限制水位 2.5 m,流量根据实际工程进行确定。2.3 模型参数的设置 在构建模型时,除了
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于MIKE 21的圩区河网水动力调控方法研究 基于 MIKE 21 河网 动力 调控 方法 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。