MIKE21曼宁数对水域流速模拟影响研究

丁泽浩

（汕头市环境保护研究所 广东汕头 515041）

引言

MIKE21为丹麦水资源及水环境研究所开发的一款处理平面二维数学模型的软件。该软件中的水动力学模块为其核心模块，可模拟水位和水流在各种作用力下产生的变化，在国内大型水利工程中也得到广泛应用。MIKE21水动力模块采用单元中心的显式有限体积法[1]求解，保证了水量和动量在计算域内的守恒[2]。为了验证MIKE21模拟结果与实测结果的拟合程度，有必要进行参数率定[3]。曼宁数作为MIKE21水域水动力模拟的一项重要参数，其取值的合理性直接影响模拟结果的精确性。为了使水域水动力模拟结果更符合实际，往往需要分别选取不同的曼宁数进行模拟，以确定合适的曼宁数。由于二维水域水动力模拟的计算量较为巨大，且每次参数选取后均需要对整个水域进行完整的模拟才可得出模拟结果，因此在实际应用中，参数率定往往需要耗费大量的时间。掌握曼宁数对水域流速模拟结果的影响规律，可提高曼宁数的选取效率，从而节约参数率定时间，在实际应用中意义重大。

1　曼宁数定义

其中，c为谢才系数；R 为水力半径，H为水深，宽浅河流中，R≈H；n为糙率。

MIKE21底床摩擦力可用谢才系数或曼宁数表征。当底床摩擦力用曼宁数表征时，曼宁数单位为。

2　模型计算

以南粤狮子洋感潮水域作为模拟对象，分别选取不同的曼宁数进行水动力模拟。选择水域内一个特定点位进行流速实测，并将不同曼宁数下点位流速模拟值与实测值进行对比。在本次参数率定中，模拟时间为一个潮周期（约为25h）。模拟结果如图1所示。

图1　各曼宁数下点位流速模拟值与实测值对比示意图

由图1对比结果可知：

（1）曼宁数对点位流速模拟值影响较大；

（2）各曼宁数下点位流速模拟值随时间的变化趋势基本一致；

（3）曼宁数取值越大，点位流速模拟值随时间的变化幅度越大，反之则变化幅度越小。

因此，为使水域流速模拟值与实测值较为拟合，在进行水动力模拟时，可选取一个较为常用的曼宁数（如30～40中的任意一个数），并选取一个特定点位（水文站或手工测量点）。若点位流速模拟值随时间的变化幅度较实测值的小，则可适当增大曼宁数的取值；反之则可适当减小曼宁数的取值，直至点位流速模拟值与实测值随时间的变化幅度基本一致，即可确定曼宁数的最终取值。

结语

曼宁数作为MIKE21底床摩擦力的一种表征方式，对模拟结果的精确性有着较大的影响。在进行水域流速模拟时，可选取一个较为常用的曼宁数，并将特定点位流速模拟值与实测值随时间的变化幅度进行对比，有针对性地调整曼宁数的取值，从而更快地获得较为精确的模拟结果。

[1]王领元.应用MIKE对河流一、二维的数值模拟[D].大连:大连理工大学,2007.

[2]邱兆山.有限体积法及其在近岸潮流计算中的应用研究[D].山东:中国海洋大学,2003.

[3]章四龙,刘九夫.通用模型参数率定技术研究[J].水文.2005,25(1):9-12.