基于 InfoWorks ICM 的城市河网调控与分析 −以福州市仓山区龙津阳岐片区为例

针对典型感潮河网地区水环境污染日趋严重与洪涝灾害频发的问题，为优化河网水动力和降低河道漫溢风 险，基于 InfoWorks?ICM（integrated?catchment?management）模型建立福州市仓山区龙津阳岐片区城市水文模型与一 维河网水动力耦合模型，以 2022 年 6 月 14 日实测降雨及河道水位数据对模型参数进行校准，平均纳什效率系数 为 0.78，平均洪峰误差为 1.5%。设计并模拟 3 种晴天工况和 3 种“卢碧”台风雨天工况，结果表明：晴天从无调控 到工况 3，随着引水量的增加，河网平均流速逐步增加，总体增加 66.4%，河道水动力提升显著；雨天从原有调控工 况到工况 3，随着河道预降水位值增大，关键断面平均超警历时逐步减少，总体下降 73%，河道漫溢风险明显降低。 构建河网水文水动力耦合模型和工况优选，可为仓山区进一步提升河网水动力与城市汛期洪涝灾害防治能力的 方案制定提供决策依据，也可为其他同类研究提供借鉴。     

基于MIKE 21的圩区河网水动力调控方法研究

【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。     

台州主城区河道生态需水计算与水量调度

为保障台州市主城区河道的生态服务功能,在分析该地区河道特点的基础上,构建了一种适用于该地区的生态需水计算方法,该方法综合考虑了流速、水位和水质3个方面的要求,并利用MIKE11水动力水质模型,定量确定了能够达到生态流速、生态水位和水质目标的河道水量调度方法。计算结果表明,主城区河网的生态流速为0.1 m/s,生态水位阈值范围为1.8~2.24 m,在充分发挥再生水清洁水源的基础上辅以河道补水,台州主城区河网在丰水年、平水年、枯水年均能够同时满足水位、流速及水质的目标要求,可为城市河网合理调配水资源维持河湖生态健康提供决策依据。     

五指山市毛阳桥工程对毛阳河河道行洪影响的数值模拟

为对比分析不同方案下毛阳桥工程建设对河道行洪影响,构建工程所在河段局部二维水动力模型,采用基于三角形网格的有限体积法求解该模型,模拟毛阳桥工程所在河段的水位和流速流向变化情形。结果表明:原设计方案对水位雍高和流速流态均有较大影响,水位最大雍高值0.593 m,流速最大增加值1.909 m/s;改进方案明显减少了对水位和流速流态的不利影响,水位最大雍高值0.088 m,流速最大增加值0.635 m/s,两者的变化幅度均较小,影响范围局限于工程附近,基本不会对河道行洪安全构成威胁。     

北方平原区城市水动力与水环境综合调控研究

针对北方平原区城市由于地势平坦、水源不足造成的水生态环境问题,提出以提升河流水动力条件和入河污染负荷削减为基础的水环境治理思路,实现水系水质的整体提升。以滨州市滨城区为例,在水系连通的基础上,通过合理设置泵站加强河道水体流动,提升水系水动力条件,以MIKE11水动力水质模型为技术支撑,模拟不同情景下水系的水动力水质条件,从水动力、水质和经济可行性3方面对模拟结果进行评价,得到最优水动力情景,并据此情景的水质模拟结果倒推水质全面达标的污染负荷削减方案。结果表明:水位7.0 m、流速0.10 m/s为最优水动力情景,在该情景下,将污水处理厂出水标准全部提升至Ⅴ类水时,河道水质能全面达到Ⅳ类水标准。     

基于平面二维数学模型的桥梁工程对河道影响分析

为研究桥梁建设对河道的影响,建立平面二维数学模型,对10年一遇洪水和5年一遇洪水两种工况下有桥和无桥进行模拟,并对计算结果从水位、流速、流场和冲刷进行分析。结果表明,桥梁建设后河道水动力发生改变,但是总体变化较小,距离桥梁位置越近,水动力变化越愈大。桥梁建设后10年一遇洪水水位壅高量大于5年一遇洪水水位壅高量。10年一遇洪水工况下,水位最大壅高量为0.14 m,壅水长度约为450 m,流速最大减小为0.18 m/s,局部冲刷深度为0.1 m。研究成果可为相关涉水工程提供技术参考。     

自然排水区域内涝模拟技术研究

平原河网地区降雨过程中地面汇集、蓄滞,最终排出到河道是一个复杂的过程,不仅受地形的影响、还受外河水位影响,单纯的一维水动力模型或二维水动力模型无法模拟地面积水与河道水位的同步、实时变化。为了准确模拟降雨过程中自流排水区域地面汇流和河道水位的变化过程、优化区域河道布局规模和调度方式,本文综合一、二维水动力数学模型的优点,将河道与地面进行侧向耦合计算,地面低洼区域与河道进行正向耦合计算,模拟不同工况条件下区域内涝分布情况。结果表明：一、二维水动力数学模型侧向耦合和正向耦合技术可以模拟自然排水区域内涝实时分布情况,并可对不同河道规模和调度方式下区域内涝风险进行判别,为区域城市河网水系布局规划提供技术支撑。     

珠江三角洲典型复杂河网区水系连通及调度研究

【目的】河流水系是城市重要的资源和环境载体,水系连通是保证河流系统健康完整和功能正常发挥的重要条件,而活水调度是提高水体流动性和改善水生态环境的重要手段。水系连通指标是分析和评价连通性的关键,【方法】针对珠江三角洲地区的复杂河网,首次提出将往复流河段和断头涌河段长度占比纳入水系连通评价指标体系,分析研究典型区域水系现存问题,提出水系连通与调度方案,采用数学模型评估方案效果,研究珠江三角洲复杂河网水系连通与活水调度工程问题。【结果】结果显示：现状良安水系水动力条件较差,存在往复流和水体交换周期长等问题,水质污染严重,通过清淤疏浚、水系连通和引水工程调度活水,使往复流变为单向流,将现状15.3 d的河道平均换水周期最小缩短至7.3 d,河道现状流速0.021 m/s最大增加至0.124 m/s,区域的水动力条件和区域水质得到明显改善。【结论】结果表明：珠江三角洲城市化程度较高地区的河涌常存在有复流河段和断头涌河段影响河道的水质,有针对性地提出水系连通评价指标体系,并采取合适的清疏引水工程调度等措施,加强水系内部循环,可以改善水系的水质,提升水系综合治理的效果。研究结果可为珠江三角洲复杂河网...     

潮汐河网地区雨天黑臭治理数学模型研究

雨天溢流截流是控制城市水体雨天黑臭的重要手段。针对潮汐河网地区水闸调控及降雨径流污染排放与河道水质的动态响应问题,基于开源式水动力水质模型系统HEC-RAS并耦合降雨径流模块,建立了实现雨天河道水质控制目标的雨水截流方案论证数学模型。以我国福州市某潮汐河流区域为例,利用自然潮汐与内河水位差,通过动态控制闸门开度,建立三种引排水方案(南引北排、北引南排和南引南排-北引北排放)的水动力和水质模型,模拟雨天不同降雨截流量水平下的河道水质情况,进行最优方案比选分析。结果表明:①在双向引排水模式下,中部区域水动力条件不佳,污染物回荡累积导致水质日趋恶化;②在相同降雨截流量水平下,南引北排调度时的河道断面水质达标率均高于北引南排调度时的达标率;③以场次降雨低于15 mm为基准,按照雨后72 h80%以上的河道断面水质达标为考核条件(氨氮浓度低于4.0 mg/L),在南引北排调度方案下,临界雨水截流量为6 mm。     

平原河网地区引水环通模型研究

根据平原河网地区水动力条件差的特点,以MIKE11软件为建模平台,建立平原河网地区引水环通模型,模拟区域引水配水中河道流量、流速、水位变化过程,以确定更为合适的引水流量、引水方式及配水方式。慈溪市中心城区引水环通工程实例计算结果表明:在确定引水流量、河道水位控制、流速变化、环通时间、路径等方面,模型运行良好;在区域"封闭"状态下,MIKE11软件用于平原河网地区引水环通计算是可行的。     

三峡水库不同水位运行下大宁河水动力过程模拟

三峡大坝的建成运行对库区支流水动力过程具有重要影响。以三峡库区支流大宁河为例,基于Delft3D模型,建立了大宁河大昌到长江口段平面二维水动力模型,并对三峡水库高水位和低水位运行条件下大宁河的水动力特征进行模拟计算,得到大宁河模拟区段水流流场的沿河分布。模拟结果表明:不管是三峡水库低水位或高水位运行,大宁河整体流速缓慢,均低于0.04 m/s;河流库湾区低水位时流速低于0.01 m/s,高水位时低于0.001 m/s,呈现明显的"湖相"特征,水体自净能力极大地削弱,易发"水华",影响大宁河水质安全。研究结果可为三峡库区支流的区域化管理提供决策参考。     

大樟溪入汇对乌龙江洪水水动力影响研究

为研究大樟溪入汇对乌龙江洪水水动力的影响,采用二维数学模型计算分析了不同洪水工况下乌龙江河道流量、水位及流速分布特征。结果表明:50 a、100 a、200 a一遇工况下,乌龙江流量分别减少125 m~3/s、167 m~3/s、190 m~3/s,相应分流比减少0.38%、0.47%、0.50%;乌龙江进口至峡兜河段洪水位壅高幅度分别为0.10～0.28 m、0.10～0.35 m、0.10～0.42 m,大樟溪入汇对入汇口上游乌龙江河道水位的影响更大;入汇口上游河段流速减小幅度基本在0.10 m/s以下,其中由支干流水流相冲引发的水体滞留区流速最大分别减小0.26 m/s、0.26 m/s、0.31 m/s,入汇口下游左侧主河槽部分流速增幅基本在0.10 m/s以上、右侧支汊除上段流速增幅达0.10 m/s以上以外其余区域流速增幅均小于0.10 m/s,入汇口下游近右岸侧回流区流速最大分别减小0.20 m/s、0.20 m/s、0.20 m/s,大樟溪入汇对入汇口下游乌龙江河道流速的影响更大。     

平原河网地区水环境模拟及污染负荷计算

根据台州市河网地区水体的水动力、水质特性及污染负荷,利用MIKE-11软件,建立了河网一维水动力和水质耦合模型。利用实测水位、NH3-N、COD质量浓度进行了参数的率定和验证。在水动力水质模型的计算结果的基础上,计算水环境容量及其现状入河污染物负荷,构建了台州市区河道污染物负荷历时曲线,计算出COD和NH3-N在各个流量历时区域内的削减量和削减率,旨在为平原河网地区水环境保护和水资源管理提供依据。     

基于FVM格式的二维水动力学模型在河道整治工程流态分析中的应用研究

本文基于有限体积单元格式(FVM格式)建立河道二维水动力模型,并将模型用于河道整治工程流态分析计算中,此外结合断面实测水位和流速数据对构建模型进行验证。研究结果表明:基于FVM格式的浅水二维水动力模型适用于非恒定流的流态计算,计算的断面水位和流速与实测值之间的绝对误差值分别在0.08―0.46m和0.3―2.3m/s之间,相关系数均在0.6782―0.7845之间;相比于整治前,整治后的河道断面流速有所减小,断面过流能力相应增加,有助于区域防洪安全。研究成果对于河道整治工程后防洪影响评价流态分析计算提供方法参考。     

漂流河段水动力数值模拟研究

为了给水利枢纽下游河道整治规划提供技术支撑并提出漂流供水方案,采用二维全水动力模型,对水利枢纽下游河道整治前后不同泄水工况进行模拟。以三河口水利枢纽下游河道为例,河道两侧风景优美且暗礁险滩较少,河床高程为514~526 m,河床砂卵石层厚度5~10 m,为实施漂流项目提供了保证,结合上游水利枢纽调度运行情况,计算了各个泄水工况下不同断面的水力要素及相关统计信息,并根据计算结果提出河道整治及漂流供水方案。结果表明,该二维水动力模型能高效高精度对水利枢纽下游河道进行不同泄水工况下的模拟,为河道水上娱乐设施规划提供了有效的技术支撑,并从节约水资源及减少工程施工量的角度建议对河道进行6 m疏浚,在此工况下上游水利枢纽仅需泄水4 m3/s,此时河床断面最大水深最小值为0.50 m,断面水面最小宽度为4 m,断面最小流速为1.02 m/s。     

基于MIKE模型的珠江三角洲洪潮数值模拟分析

珠江三角洲口水系纵横,水动力条件复杂多变,造成对河口地区进行数值模拟存在一定困难。尝试利用MIKE建立水动力模型对该地区洪潮进行数值模拟;对于河道的数值模拟,采用“半耦合”技术,一维出口边界固定为水位边界,一维计算结果为二维提供流量边界条件;二维进口固定为流量边界,二维计算结果为一维提供水位边界条件。结果表明：主要站点计算潮位特征值与实测潮位相比,误差均小于0.10 m,计算潮位过程与实测潮位过程吻合,相位误差基本小于0.5 h;最大流速出现时间偏差小于0.5 h,流速过程线的形态基本一致;主要站点断面计算最大涨落潮流量与实测最大涨落潮流量误差一般小于10%,河网区各水道糙率值基本为上游河道大于下游河道,符合河道糙率沿程变化的自然规律。说明基于MIKE水动力模型在进行珠江三角洲数值模拟是可行的,对于相关生产项目的开展具有一定的参考价值。     

湖泊-河网耦合水动力水质模型研究

根据太湖地区水系复杂、湖泊众多、河道水流方向复杂多变且受到人为干扰的特征,基于一维河网水质模型,二维湖泊水质模型,采用有限控制体积法获得离散的水动力学和水质模型控制方程,通过河网与湖泊连接断面上河流的流量、水位、水质与湖泊的流速、水位和水质耦合求解,解决了河网湖泊水质模型的耦合,并将闸站控制对河流湖泊水动力水质影响过程进行了时间空间的线性化处理,以边界条件方式将闸站控制带入模型代数方程中进行统一求解,建立了适合于太湖流域的湖泊河网耦合水动力水质模型.采用太湖典型流域河网区2007年实测水文水质资料对耦合模型进行率定和验证.结果表明,模型计算值与实测资料吻合较好.该模型适用于复杂湖泊-河网区的水动力和水质变化的模拟和研究.     

常州市主城区畅流活水方案模拟比选及现场试验研究

为了改善常州市主城区水环境,通过数值模拟计算与现场试验相结合的方法,开展畅流活水水环境提升方案研究。利用优质丰富的长江水作为引水水源,通过魏村枢纽和澡港水利枢纽引水,围绕新建工程大运河西枢纽及与4座活动堰工程的调度组合,设置了5组模拟方案,通过水动力数学模型,模拟各方案下城区内部河道流量分配情况,并结合现场试验论证了推荐活水方案的效果。结果表明：推荐方案形成了3级水位差、水位调控精准、流量分配合理的畅流活水格局,河网水环境改善显著,同时大部分水质指标在引水结束后16 d内均仍处于较好的状态,但部分河道的水质反弹明显。通过数学模型开展水动力调控是改善平原河网城市水环境的有效手段;但需要强化日常监测,根据水质变化情况合理确定活水周期,同时对部分水质异常点位开展污染源解析工作,保障河网水环境的长效久治。     

城市河网圩区活水调度方案研究

文章以平原河网城市昆山开发区7个圩区为研究对象,提出了利用现有水利工程实现活水调度的方案。通过对不同圩区不同运行工况的模拟分析,优化闸泵调度,城市圩区实现了活水畅流。河道流速基本可达到5cm/s,且水质改善效果明显。     

基于有限体积法的河网水动力并行计算模型

针对具有干河床、急缓流态交替的河网水动力模拟,采用MUSCL-Hancock有限体积格式离散Saint-Venant方程组,运用汊点水位预测-校正法处理河网汊点连接条件,建立了断面与河道完全数值解耦的复杂河网水动力模型。运用OpenMP和OpenACC编程模式分别实现了CPU,GPU并行计算。采用经典算例对模型计算精度进行了验证,采用珠三角河网实际算例对不同并行计算方式的加速效果进行了分析。算例研究表明,该模型具有良好的稳定性和计算效率,可适用于陡坡河道水动力模拟,具有较好的推广应用价值。