Delft3D模型的应用情况研究初稿

Delft3D模型的应用情况研究摘要：Delft3D 是由荷兰 Delft 大学 WL Delft Hydraulics 开发的一套功能强大的软件包，能够模拟二维和三维的水流、波浪、水质、生态、泥沙输移及床底地貌，以及各个过程之间的相互作用。该软件在国内外得到了广泛的应用，并在研究地形演变、咸潮上溯、环境评估、航道整治、洪水演进等方面获得了诸多令人满意的成果。关键词：Delft3D；数值模拟；应用1.前言Delft3D 是由荷兰 Delft 大学 WL Delft Hydraulics 开发的一套功能强大的软件包，能够模拟二维和三维的水流、波浪、水质、生态、泥沙输移及床底地貌，以及各个过程之间的相互作用。其核心模块为水动力模块（FLOW），共包括波浪模块（WAVE）、水质模块（WAQ）、颗粒跟踪模块（PART）、生态模块（ECO）、泥沙输移模块（SED）和床底地貌模块（MOR）等七大模块。Delft3D软件的工作思路是，先利用网格生成工具（RGFGRID）、地形编辑工具（QUICKIN）生成网格和网格节点上的水深文件，再通过相应的模块来计算相应的水流问题，最后根据计算结果利用后处理工具（GPP 和 QUICKPLOT）处理得到的数据。该软件在国内外得到了广泛的应用，并在研究地形演变、咸潮上溯、环境评估、航道整治、洪水演进等方面获得了诸多令人满意的成果。2.Delft3D模型介绍2.1模型概述Delft3D软件是由荷兰Delft水力学研究所研究开发的一套水流、泥沙、环境完全集成的计算机软件包，可用于海岸、内河、河口区域的三维计算。该软件具有灵活的框架，能模拟二维（水平或垂向）和三维的水流、波浪、水质、生态、泥沙输移和床底地貌，以及各个过程之间的相互作用。它是目前世界上最先进的水动力-水质模型之一。其主要特征是：所有子模块都具有高度的整合性和互操作性；能直接应用最新过程知识；采用最为友好的图形用户界面（GUI）。它的总体思想是先生成网格和网格节点上的水深文件，再通过相应的模块来计算相应的水流问题，最后根据计算结果处理得到的数据。在Delft3D的程序包中包括三维的水流计算、波浪、水质、生态、泥沙输送和地形演变等模块，每个模块都是单独的程序，有自己单独的菜单和运行对话框2.2模块简介Delft3D 软件由核心模块水动力模块（FLOW），与波浪模块（WAVE）、水质模块（WAQ）、颗粒跟踪模块（PART）、生态模块（ECO）、泥沙输移模块（SED）和床底地貌模块（MOR）等一共七大模块，以及网格生成工具（RGFGRID）、地形编辑工具（QUICKIN）和后处理工具（GPP 和 QUICKPLOT）等前、后处理工具组成，具有高度的可视化性。该模型在三维模拟过程中，垂向网格采用 坐标离散，可以保证整个计算场的垂面层数保持不变，从而大大提高计算效率。此外，该模型采用曲线网格离散格式，可以与边界拟合得更好。为方便特殊边界及大尺度模拟，该模型还提供了球坐标系。网格必须满足下列标准：曲线网格尽可能地与模拟区域的陆地水边界相贴近；必须是正交的，则网格线必须相互垂直；网格的间隔在计算区域内必须非常平滑，以减小在有限差分计算中的误差。所以网格的生成是模拟结果准确与否的关键。2.3理论基础Delft3D模型的水动力模块数值模拟的理论建立在Navier-Stokes方程的基础之上，其求解的基本思路是：根据浅水特性和Boussinesq假定，求解不可压缩流体的Navier-Stokes方程，垂向动量方程在不计垂向加速度的情况下变成流体静压方程，三维模型中的垂向流速可以从连续方程推导。方程求解的数值方法基于有限差分法交替方向法（ADI-Alternating Direction Implicit）。2.4模型缺点Delft3D水动力模拟的功能齐备，比较适用于一些相对规整的浅水湖泊，但可调试的参数相对较少，在一些有针对性的模拟上要进行编程时较为困难，所以有一点局限性，通常是应用于一般的不强调编程的科研领域的研究中。13Delft3D模型应用情况研究Delft3D 系统在国际上应用得十分广泛，如荷兰、波兰、德国、澳大利亚、美国等，尤其是美国己经有很长的应用历史。中国香港地区从 70 年代中期开始使用 Delft3D 系统，己经成为香港环境署的标准产品。Delft3D 从 80 年代中期开始在中国大陆也有越来越多的应用，如长江口、杭州湾、渤海湾、太湖、滇池1。Delft3D模型可以对水动力、波浪和泥沙、盐度、热量、污染物输移等过程进行模拟，从而在研究地形演变、咸潮上溯、环境评估、航道整治、洪水演进等方面应用广泛，并获得了诸多令人满意的成果。3.1地形演变Joep E.A. Storms等2使用Delft3D对不同水深的受水盆地中的初始三角洲形成过程进行了模拟。通过Online方法在相同的时间步长下同时更新水流、泥沙输移和水深，而不考虑水流和地形间的时间尺度差异。使用“形态因子n”加速水深的变化，模拟单位时间可以使地形演变n倍时间。“Online”方法将短期过程耦合在水流时间步长水平上，这使得短期过程可以包含水流、泥沙和地形间的各种相互作用，并避免储存各过程间的大量数据。网格尺寸50*50m，研究区域10*10km，时间步长1min，形态因子取为50.模拟实验设两组，分别为浅水盆地和深水盆地，其他条件一致。虽然模拟结果不能直接与真实的三角洲相比，但模拟的形态、地层情况及其演变规律均与一些湾头三角洲相似。在浅水盆地中，三角洲类似于Wax三角洲以深槽和浅滩结合的复杂形式发育。而在深水盆地中，三角洲以类似于Mississippi三角洲鸟足状的形式发育。模拟中观察到了三角洲演变的主要机理，包括新月沙坝和拦门沙的发育、深槽分支及废弃填实、浅滩形成和粒径分离等。从形态和地层方面来解释模拟结果，Delft3D-Online模型给长期过程（地质学和沉积学）和短期过程（水利工程）的混合理解提供了桥梁。但基于过程的模型需要设置很多变量，且可借用的经验较少，利用其解释现象和实际应用时一定要十分注意。最好要有一个缜密的敏感性分析，来理解模型行为和被模拟对象的行为。Dirk-Jan R. Walstra等3将模拟结果与实测数据相对比，来检验和提高预测季节时间尺度下近岸地形演变的能力。Santiago R. Alfageme等4尝试模拟堡岛缺口的稳定性和长期发育过程，Delft3D形态模拟的优点是不需要将水湾或海湾系统图式化（schematization），并考虑所有的相关海岸进程。Santiago Alfageme等5评估一个堡岛重建项目，模拟结果显示，在重建项目的设计和优化上，模型可以很好复制风暴影响如堡岛淹没和冲刷等。Sean Vitousek等6利用区域分解技术（DD模型）建立区域和局部两套网格，精确预测了观测到的潮汐流和波高，并定性地分析了地形的季节性演变过程。3.2盐度模拟Cuiping Kuang等7使用Delft3D模型来模拟长江河口的咸潮上溯问题，并预测在不同的上游流量下青草沙水库的盐度变化。在研究区域内划分了277*152个网格，最小网格长度为70m。对两个观测点的水位、潮流速度大小和方向以及盐度进行校核，模拟结果与观测数据间有较好的一致性。为了研究三峡工程和南水北调工程的不同联合运行方式对青草沙水库取水口盐度的影响，选取了10个不同的上游径流量。利用模型计算不同上游径流量下，青草沙水库取水口上游闸门处的盐度随时间变化情况。通过计算可得青草沙水库的平均盐度低于0.7ppt。考虑到大潮的影响，将大同观测站处的警戒流量设为9000m/s，以防止水库取水口受咸潮上溯的影响。Rafael Caizares等8建立了旧金山海湾三维模型，模拟了潮内盐度行为、洪水引起的盐度快速变化和盐度的水平、垂向分布情况，来评估拟设机场重建项目改变海湾物理条件带来的影响。3.3环境评估Dr. LEE Hok-shing9建立香港近海区域模型，以确定开垦工程的共同作用是否会对海洋环境造成威胁。考虑了海岸线轮廓和海底地形、当地污染源和临海区域的本底污染这三个主要影响因素，对1987、1992、1997、2002、2007和2012这六个年份的水质情况进行了模拟。结果显示，开垦工程导致主要海峡的涨落潮重新分配，但对水质仅有相对局限性的影响。香港港口系统在马湾、维多利亚港、南丫岛和长洲间的total flushing 在很大程度上将保持不变。通过敏感性分析，模型还将污染负荷确定为影响水质的主要因素。Cuiping Kuang等10基于Delft3D-FLOW模型建立一个潮流和污染物输移模型来模拟和分析曹妃甸海域的COD分布情况。模拟结果显示，高浓度的COD分布在陡河和沙河的出口处附近，并且陡河、沙河的混合区域的外边界处COD浓度超过标准值，应该采取相应措施。Cuiping Kuang等11基于Delft3D模型建立了一个二维水动力模型来模拟真实风况下的风生流现象，并进一步模拟了宫湖水源处的一个污染团从出现到消失的整个过程。Qiuwen Chen12使用Delft3D-WAQ模块计算非生物因素，并使用模糊逻辑模型结合辐照度、营养物质和领域条件来预测荷兰近海潜在的水华现象。3.4热量输移Yonas Kinfu等13利用Delft3D-FLOW模型建立了一个三维水动力及热输移计算模型，对一电厂扩建可能造成的热循环影响进行了研究。网格数在沿岸方向为165个，离岸方向为45个。垂向上分10层，每层厚度百分比分别为5%、7.5%、12%、18%、24%、12%、8.5%、6.5%、4%和2.5%。时间步长取为15s。在FLOW模块的“In-Out”选项中将电厂的冷却水入口和温排放出口分别设为源和汇。首先根据流速、水位和温度等实测资料对模型进行了校核，然后预测了已建与拟建取水口处的温升及由于冷却水排放形成的热羽流的范围。根据模拟结果可知，在流速较低（weak current）情况下，拟建冷却水入口的进口处温升低于0.3，满足冷却水入口与温排放出口间的热循环要求。张继民等14运用Delft3D模型对北仑电厂三期扩建工程的温排水进行数值模拟，通过对扩建工程4种排水口布置方案的计算分析和比较，得出了和物理模型试验吻合较好的结果，提出了合理的排水口布置方式，确定了温升的范围。3.5航道整治Rafael Caizares等15使用Delft3D系统建立了一个水动力和地形模型，来检验可行性研究中水流整治工程的有效性。原方案拟设了若干丁坝（groin-type structure）来冲刷航道并维持可通航的港口航道。正交曲线网格向河口上游延伸20km，平行与垂直河流向的网格精度分别大约为100m和30m。使用坐标定义垂向上的网格，其底部是一个自由表面。垂向上一共分为7层。这套网格可以精确模拟主航道的水动力和由丁坝产生的地形改变，并使得长期地形模拟所需的时间在可接受范围内。但不能精确模拟结构末端的水流形式，因此需要分析性地计算末端位置的冲刷。将地形倍增因子（multiplication factor）设为365，这代表着水动力模拟一天则地形变化一年。从结果中来看，原方案不能建设一个深40ft宽50ft的通航航道，来满足从河口到港口末端的连续通航要求。根据模拟结果提出的替代方案对原方案进行了修改，并增设了三个新的短丁坝。利用模型进一步预测了按优化方案建设的航道在建成后4年内逐年的航道宽度演变过程。从河口到上游的12公里间，沿着受丁坝影响的区域形成了连续的宽度大于150m的40ft深的航道。但数据的有效性和模型中的简化会给模拟结果和地形模型的校核带来一定影响。模型没有模拟弯道处的侵蚀，这对长期演变有一定影响；模型没有考虑漫滩，它在大流量期间会被淹没；模拟没有考虑航道的定期疏浚；水深数据没有覆盖整个河流断面（the available bathymetric data are not complete from bank to bank）。3.6洪水演进赵明登等16采用平面二维数学模型，利用Delft3D对渭河下游及洪泛区的洪水演进进行数值模拟，并进一步对计算成果进行分析和可视化洪水演进过程，为防洪减灾的调度和决策提供参考依据。网格数为209*204，网格间距在5060，其中溃口部分及河道堤防部分做了局部加密处理。在洪水演算中，溃口宽度分别选取54、90、150和200种计算工况。在演算中溃堤时间点分别选取洪水演进24h（峰前）、36h（洪峰）、48h（峰后）3个时间点。首先计算没有溃堤时河道内的洪水演进过程，并存储记录24h、36h、48h相应数据，作为下一步溃堤后计算的初始条件。为分析洪水演进的情况，分别在河道进出口、中间、溃口及洪泛区内部设置了若干观测点。在洪泛区内部，平行河道堤防线，布置了三条观测断面，用以观测洪水在洪泛区内部的传播过程。最后利用Delft3D中的Quickplot模块对计算结果进行可视化处理，直观、清晰地显示出洪水演进过程。4.结论Delft3D软件的工作思路是，先利用网格生成工具（RGFGRID）、地形编辑工具（QUICKIN）生成网格和网格节点上的水深文件，再通过相应的模块来计算相应的水流问题，最后根据计算结果利用后处理工具（GPP 和 QUICKPLOT）处理得到的数据。该软件在国内外得到了广泛的应用，并在研究地形演变、咸潮上溯、环境评估、航道整治、洪水演进等方面获得了诸多令人满意的成果。但由于模型的简化等因素使模拟结果难免有一定误差，应利用有效的实测数据对模型进行充分的校核和可行性分析，尽量将误差控制在允许范围之内。参考文献1 范翻平. 基于Delft3D模型的鄱阳湖水动力模拟研究D.江西师范大学,2010.2 Storms, Joep E. A.; Stive, Marcel J. F.; Roelvink, Dano J.A. Initial morphologic and stratigraphic delta evolution related to buoyant river plumes. Coastal Engineering and Science of Coastal Sediment Processes, 20073 Walstra, Dirk-Jan R; Ruggiero, Peter; Lesser, Giles; Gelfenbaum. Modeling nearshore morphological evolution at seasonal scale. Coastal Dynamics 2005 - Proceedings of the Fifth Coastal Dynamics International Conference, 2006.4 Alfageme, Santiago R., Khondker, Masood; Canizares. Breach stability and growth analysis using a morphological model. Coastal Sediments 07 - Proceedings of 6th International Symposium on Coastal Engineering and Science of Coastal Sediment Processes.2007.5 Alfageme, Santiago (Moffatt and Nichol, 104 West 40th St, New York, NY 10018); Caizares. Process-based morphological modeling of a restored barrier island: Whiskey Island, Louisiana, USA. Coastal Dynamics 2005 - Proceedings of the Fifth Coastal Dynamics International Conference.2006,6 Vitousek, Sean; Fletcher, Charles H.; Merrifield, Mark A.; Pawlak, Geno. Model scenerios of shoreline change at kaanapali beach, maui, hawaii: Seasonal and extreme events. Coastal Sediments 07 - Proceedings of 6th International Symposium on Coastal Engineering and Science of Coastal Sediment Processes.2007,7 Cuiping Kuang; Mingtao Jiang; Jing Huang; Jie Gu, Numerical simulation of impact of the upstream discharge on salinity at Qingcaosha reservoir, Mechanic Automation and Control Engineering (MACE), 2011.8Caizares Rafael; Smith, Eric. Three-dimensional modeling of the seasonal transition of salinity in San Francisco Bay: From well mixed to stratified conditions. Estuarine and Coastal Modeling: Proceedings of the Seventh International Conference. 2001:812-829.9 Dr. LEE Hok-shing. The Application of Numerical Modelling in Managing Our Water Environment.(google)10 Kuang, Cuiping; Huo, Rui; Liu, Shuguang; Lou, Sha; Sun, Xiaoming. Simulation and analysis of COD distribution in caofeidian sea area. 2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering, MACE.2010:2149-2152.11 Kuang, Cuiping; He, Lulu; Xing, Fei; Deng, Ling. Numerical study on the evolution process of polluted water cluster in Gonghu, Taihu Lake. 3rd International Conferenc