郑志飞

MIKE21模型在码头工程流场模拟中的应用研究

郑志飞

福建省水利水电勘测设计研究院

利用MIKE21软件在闽江下游某码头工程所在河段建立水流二维数学模型，对码头建设前后流场变化进行了数值模拟，经检验，计算结果较为合理，其精度可以满足工程应用要求。

MIKE21软件 码头工程 二维数学模型

1 引言

福建省位于我国东南沿海，地处长江三角洲和珠江三角洲的中间地带，隔台湾海峡与台湾省隔海相望，福建省的码头岸线资源在全国名列第一。随着我省建设海峡西岸经济区战略构想的逐步推进，港口建设对推动经济的发展，将起到更为重要的作用。

由于港口码头工程占用部分河道，码头的支墩和平台兴建将占用河道的过洪断面，前沿停泊水域和回旋水域可能会给河道的行洪产生一定的影响。本文以闽江某码头扩建工程为研究对象，工程所处位置水下地形较为复杂，加上闽江下游河段受径流和潮流的双重影响，水流条件也相对复杂。本文利用MIKE21软件在码头工程附近河段建立水流二维数学模型，模拟码头扩建前后工程附近河段的流场变化，为码头扩建工程的设计方案优化和施工工艺提出合理化建议。

2 MIKE21模型简介

Mike21模型是丹麦水力学研究所开发的二维数学模拟软件，广泛应用于国内外水动力模拟当中，取得了较好的效果，是目前国际上较为先进的模型之一。

Mike21是平面二维自由表面流模型，应用在河口、海湾以及海洋近岸区域的水流及水环境的模拟，可以用来模拟潮汐动力模拟、风暴潮、传热、盐流、水质、波浪紊动、溃坝、海啸等方面的水流现象。在模拟二维非恒定流的同时，可考虑干湿变化、密度变化、水下地形、潮汐变化和气象条件等影响因素。

2.1 模型基本方程[1]

连续方程：

动量方程：

2.2 数值解法

本次计算利用MIKE21FM非结构网格模型进行计算。非结构网格模型[2]中采用的数值方法是单元中心的有限体积法，如图1所示。控制方程离散时，结果变量U、V位于单元中心，跨边界通量垂直于单元边。有限体积方法中法向通量的计算是通过在沿外法向建立单元水力模型，并求解一维黎曼问题而得到。模型中采用的时间差分格式见图2。

图1 非结构网格模型数值解法示意图

图2 时间差分格式示意图

3 模型计算范围

本次模型计算范围上游起自吉安码头，下游至过屿尾。模拟闽江下游河道全长5.0km，其中河道面积约3.6km2。为了尽可能准确反映工程区的流场，码头位置处网格进行局部加密。见图3。

图3 码头建设前后模型网格剖分图

码头扩建工程实施前，码头位置处堤岸较为弯曲，受已建码头的阻水影响，靠近左侧堤岸附近水域流速较小。码头工程实施后，新建码头平台与已建码头平台连接，码头左侧与原堤岸边界相接，码头前沿线以内受栈桥及码头墩台影响，水流阻力增加，因此码头前沿线以内基本无过水能力，为死水区。为偏安全考虑，本次数学模型将新建码头前沿线作为码头建成后的堤岸边界，码头位置处模型剖分网格见图4。

图4 码头位置处建设前后网格剖分图

4 参数的确定

4.1 糙率系数

糙率系数通过模型的率定和验证来确定，并参照一定的经验，取值范围为0.028～0.032。

4.2 涡粘系数

根据Smagorinsky公式确定：

式中：U,V为X,Y方向垂线平均流速，△为网格间距，Cs计算参数，一般选0.25

4.3 动边界处理

为保证模型计算的连续性，采用“干湿判别”来确定计算区域由于潮位涨落产生的动边界、当计算区域水深小于0.2m时，该计算区域记为“干”，不参加计算；当水深大于0.3m时，该计算区域记为“湿”，重新参加计算。

4.4 边界条件

模型中有两个边界，上游闽江干流入口边界输入各频率的设计洪峰流量，下游出口边界输入年最低潮位均值。

5 模型计算

5.1 模型验证

利用河道恒定非均匀渐变流公式的常规计算方法推求闽江下游河段不同频率设计洪水对应的水面线和断面平均流速成果。常规方法计算水面线成果与模型计算水面线成果的对比见图5和图6，断面平均流速计算成果的对比见图7和图8。

图5 50年一遇水面线成果对比图

图6 100年一遇水面线成果对比图

图7 50年一遇流速成果对比图

图8 100年一遇流速成果对比图

由常规算法和数模计算的沿程水面线及断面平均流速成果的比较可以看出，数模计算水面线与常规算法的水面线成果较为一致，计算断面平均流速与常规算法的断面流速成果吻合较好，证明计算参数率定较为准确，因此利用MIKE21模型模拟计算码头扩建前后闽江下游河段的流场变化是可行的。

5.2 方案计算

为模拟码头扩建工程实施前后流速最不利情况，本次模型分别模拟计算100年一遇和50年一遇设计洪水遭遇多年最低潮位均值两种方案。计算出河段流场分布情况见图9～12。

图9 码头建设前流场图（50年一遇）

图10 码头建设后流场图（50年一遇）

图11 码头建设前流场图（100年一遇）

图12 码头建设后流场图（100年一遇）

从模型计算结果可以看出：发生50年一遇洪水遭遇多年最低潮位均值时，码头建设后，码头位置河道断面缩窄，航道水域流速有一定幅度的增加，流速增大幅度约0.02～0.18m/s。码头建成后，受平台及码头墩台的阻水影响，码头附近河段流场有一定发生变化，对码头上游左侧局部堤岸有一定冲刷，流速增大幅度约0.02～0.28m/s，码头建设对码头下游右侧局部堤岸也有一定冲刷，流速增大范围约0.02～0.08m/s。码头建设对上游流场影响范围约710m，对下游流场影响范围约380m。

发生100年一遇洪水遭遇多年最低潮位均值时，码头建设后，码头位置河道断面缩窄，航道水域流速有一定幅度的增加，流速增大幅度约0.03～0.25m/s。码头建成后，受平台及码头墩台的阻水影响，码头附近河段流场有一定发生变化，对码头上游左侧局部堤岸有一定冲刷，流速增大幅度约0.03～0.32m/s，码头建设对码头下游右侧局部堤岸也有一定冲刷，流速增大范围约0.03～0.10m/s。华润水泥码头建设对上游流场影响范围约750m，对下游流场影响范围约410m。

码头建设后低潮位情况下，P=1%典型断面平均流速达3.20m/s，局部流速大于4.0m/s，特别是码头平台前沿点附近的流速在4.5m/s以上，水动力作用强。随着流速增大水流的挟沙能力增强，加之在河中设墩，水流扰动程度加大，使码头所在断面及下游附近河道的冲刷呈加剧趋势。

6 结论

本文利用MIKE21软件在某码头扩建工程附近河段建立水流二维数学模型， 对码头扩建前后工程附近河段的流场进行了数值模拟，经检验，计算结果令人满意，其精度可以满足工程应用要求。

根据数学模型计算成果，码头扩建工程建设对附近河段流场有一定影响，工程建成后局部流速较大。建议码头扩建工程规模不宜过大，并尽可能近岸布置和建设，同时应做好码头自身的防冲设计。

[1] Mike21&MIKE3 FLOW MODEL FM Hydrodynamic and Transport Module Scientific Documentation[M].DHI Water & Environment, Denmark.2007.