曹　磊，張貴金，夏　波，雷　鵬,2,3

(1.長沙理工大學 水利工程學院， 湖南 長沙 410114；

2.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室， 江蘇 南京 210098；

3.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省省重點實驗室， 湖南 長沙 410014)

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河道改造對彎曲河段的水力影響模擬研究

曹磊1，張貴金1，夏波1，雷鵬1,2,3

(1.長沙理工大學 水利工程學院， 湖南 長沙 410114；

2.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室， 江蘇 南京 210098；

3.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省省重點實驗室， 湖南 長沙 410014)

摘要：以瀏陽河朝正垸急彎河段為例，采用MIKE21水動力平面二維水流-泥沙模型先進行率定，綜合考慮長沙樞紐運行后湘江水位抬升對瀏陽河下游的頂托與瀏陽河不同頻率洪水的疊加作用，采用該模型對上游直線段、彎段、下游直線段的水文變化、流速變化及沖淤情勢進行多工況模擬。結(jié)果表明：對于彎曲河道盡管改造拓寬彎曲段，在凸岸水流流速增大，可能存在沖刷，凹岸局部會產(chǎn)生淤積，在近鄰彎曲下游段凹岸局部還會產(chǎn)生水位壅高。結(jié)果可指導本河段防洪規(guī)劃設計，對類似工程也具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：彎曲河道；河道改造；MIKE21；瀏陽河；朝正垸

隨著城市河段改造、河道合理開發(fā)利用工程日趨增多，需要準確掌握河道改造對彎曲河段水位、流場及沖淤等的影響。常見的河道改造水力影響分析方法有理論分析、模型試驗和數(shù)值模擬等。數(shù)值模擬不受試驗場地的影響，計算速度快，周期短，可以較快得到研究成果，是研究彎道水流運動的有效途徑和方法。國內(nèi)外有許多學者進行了彎道水流數(shù)值模擬計算，如：華祖林[1]通過擬合曲線，對急彎河段引起的回流及環(huán)流進行了三維模擬，結(jié)果較為理想。李艷紅等[2]將不同坐標系結(jié)合，建立三維水流模型，對流速的垂向結(jié)構(gòu)進行了研究。林小平等[3]采用FLUENT軟件，對沿河公路彎道水流處的三維流場進行分析，得到了流場分布、河床剪應力等特征。許棟、楊燕華等[4-5]為探究彎曲河道中的水流運動特性，基于雷諾方法和有限體積法建立了三維水流數(shù)學模型。呂歲菊等[6]采用有限體積法和SIMPLEC算法，模擬天然連續(xù)彎道的水流。史瑩等[7]通過環(huán)境流體動力學模型，模擬多種工況下的彎道水流特性。但彎曲河道改造對水流的影響成果還不多見。

瀏陽河朝正垸河段現(xiàn)狀為一急彎，加上下游長沙樞紐運用后湘江水位頂托的作用，使得這一河段的水流情勢異常復雜，考慮城市開發(fā)的需要，在這一彎曲河段要進行拓寬改造，河道改造規(guī)劃到底對彎曲河段水位、流場及沖淤等產(chǎn)生怎樣的影響有必要進行研究。本文基于MIKE21水動力水流-泥沙模型，展開多工況數(shù)值分析，為河道改造規(guī)劃設計和管理提供依據(jù)。

1工程概況

瀏陽河屬湘江一級支流，在長沙市北郊匯入湘江，流域面積4 237 km2，河流長度219 km，河流平均坡降0.57‰，每年10月至第二年2月為枯水期，水位高差變化幅度較大[8]。朝正垸屬亞熱帶氣候，地貌以河流沖積堆積地貌為主，屬瀏陽河Ⅰ級階地，見圖1。河段洪水期易受湘江回水頂托影響，當湘江水位較高而瀏陽河來水較小時以沉積作用為主，當湘江水位較低而瀏陽河來水較大時以沖刷作用為主。規(guī)劃在朝正垸5.2 km區(qū)域，融合瀏陽河的景觀水體打造文化娛樂設施，下游段建設一個休閑景觀區(qū)、彎段通過堤防內(nèi)退形成濕地景觀區(qū)并形成城市印象區(qū)、上游直線段利用自然內(nèi)凹段形成濱水碼頭。

圖1瀏陽河朝正垸段堤線

2水力影響分析

2.1MIKE21水動力模型

(1) 基本方程及定解條件

(1)

(2)

(3)

式中：h為水深；μ和v為x和y向流速；g為重力加速度；eb為床面高程；ρ為水密度；τbx和τby表示底部切應力的x和y向分量；E為紊動黏滯系數(shù)。

初始條件：結(jié)合朝正垸河道特點，初始條件見式(4)～式(6)。

(4)

(5)

(6)

邊界條件：結(jié)合朝正垸河道特點(有部分洲灘存在)，上游邊界取上游來水流量。下游邊界給出水位過程線。閉邊界不考慮滲透，滿足滑移邊界條件，取法向流速為0。對于有洲灘存在的地方，隨著水位的變化，采用動邊界處理技術(shù)(干濕網(wǎng)格法)[11-14]。

(2) 數(shù)值求解方法及計算程序

相對于傳統(tǒng)大電網(wǎng),微電網(wǎng)由電、氣、冷、熱等的多種分布式能源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負荷、監(jiān)控和保護裝置等組成,并通過靜態(tài)開關(guān)關(guān)聯(lián)至常規(guī)電網(wǎng),既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行,也可以孤立運行[12]。

采用有限單元法和有限差分法相結(jié)合的辦法對上述方程求解：空間上采用有限單元法，以適應復雜的邊界地形條件，時間上采用全隱式非線性有限差分進行離散以提高計算速度。其中，為較好的描述朝正垸河道岸線和地形對水流運動的影響，本文采用二次四邊形網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格合計對計算區(qū)域進行離散[15-17]。

2.2模型率定及驗證

驗證所采用的數(shù)學模型計算范圍上游邊界取在蔡家洲洲頭以上約2.5 km河段，下游邊界取在距洪家洲洲尾約1.5 km河段，距壩址約8.2 km處，模擬河段長度約12 km，圖2、圖3為該河段測點位置及流場流態(tài)圖。

(1) 水面線率定和驗證

分析和比較各測點的數(shù)學模型計算值和原型實測值可知，沿程水位計算值和觀測值最大絕對誤差為4.9 cm，平均絕對誤差為1.8 cm，數(shù)學模型計算水面線與原型水面線均吻合較好，模擬精度可滿足計算要求，具體見圖4、圖5。

圖2　蔡家洲附近水文測點位置　圖3　蔡家洲附近水域流場流態(tài)

圖4中水情況下水面線(左岸)

(2) 斷面流速分布驗證

取兩個典型斷面流速測量資料，將原型與模型計算結(jié)果進行比較，表明模型與原型流速分布吻合較好，滿足規(guī)范規(guī)定，具體見圖6、圖7。

圖5　中水情況下水面線(右岸)

圖6　中水A斷面流速分布對比圖

圖7中水B斷面流速分布對比圖

2.3工程影響分析

朝正垸瀏陽河沿岸景觀規(guī)劃設計工程對所在河道水位和流速的影響的計算成果主要包括：12組不同水流條件下，工程興建前后計算河段內(nèi)的水位、水深及垂線平均流速等成果。為了分析方便，在計算河段共布置了29個監(jiān)測斷面分析洪水水面線的沿程變化，在工程所在水域選擇了8個斷面(如圖8所示)分析水位的變化情況。

圖8計算河段監(jiān)測斷面圖

為合理描述改造河岸的影響，模型采用三角形網(wǎng)格對區(qū)域進行離散，共設置網(wǎng)格49 617個，節(jié)點總計26 864，最小步長5 m，計算糙率取0.025，急彎河段和有植被水域適當加糙，模擬河長約13 km，具體見圖9。由于所處河道同時受湘江水位和上游流量的影響，在模擬工程對瀏陽河水流條件及行洪過程影響時，綜合考慮如下原則：合理考慮瀏陽河洪水與湘江洪水的遭遇概率；典型組合與已有水面線成果相對應；選取組合時盡可能偏于安全?；谏鲜鲈瓌t，選取表1所示的組合情況。

圖9　瀏陽河計算范圍及水下地形(13 km)

(1) 水位影響分析

取典型組次(Run09)進行分析，由圖10～圖13可知：工程后，北區(qū)河段水位略有增高。鴨嘴區(qū)堤防內(nèi)退后，洪水期過流斷面寬度顯著增大，斷面水位的橫向分布發(fā)生重要變化，橫向坡降變緩，凹岸水位總體高于凸岸，相比工程前，斷面最大水位有所降低。對南區(qū)和十八墩而言，其過流斷面雖有所減小，但位于主流區(qū)以外，且由于鴨嘴區(qū)流速減小，水面縱向坡降減緩，彎道入口水域水位下降，使得其上游水域水位均有所下降。

圖10　工程前后北區(qū)水位變化

圖11　工程前后鴨嘴區(qū)水位變化

圖12工程前后十八墩水位變化

(2) 流場影響分析

取典型組次(Run11)進行分析，由圖14～圖19可知：北區(qū)岸線及地形變化較小，工程對北區(qū)整體流場影響較小，受上游彎道水流流速橫向分布不均的影響，左岸流速增加，右岸流速減小。鴨嘴區(qū)為急彎河段，堤線內(nèi)退，河寬急劇增加，在慣性作用下，水流主流流向發(fā)生較大改變，深泓區(qū)及凹岸流速減小幅度較大。南區(qū)和十八墩段雖占用部分水域，但均為內(nèi)彎灘地，位于主流區(qū)外，行洪時流速較小，對行洪貢獻有限。

圖13　工程前后南區(qū)水位變化

圖14　工程前流場圖

圖15工程后流場圖

(3) 沖淤變化分析

由流場分析可知，河岸邊界及地形的變化引起部分水域流速流向發(fā)生明顯的變化，進而對所在河道泥沙運動規(guī)律及沖淤演變產(chǎn)生相應的影響，流速流場變化分析表明：隨著北區(qū)流速沿橫向分布的變化，洪水期沖淤情勢隨之發(fā)生變化，床面形態(tài)有一定的調(diào)整，整體幅度不大。鴨嘴區(qū)流速流向變化較大，泥沙運動機床面沖淤均將發(fā)生重要變化，主要體現(xiàn)在：(1) 彎道凹岸水域流速減小明顯，可能造成局部淤積，淤積范圍集中在原河道主流區(qū)；(2) 堤防內(nèi)退形成的新增過流水域水深較淺，工程后成為行洪主流區(qū)，流速顯著增大，易造成沖刷，主要集中在凸岸淺灘灘頭附近；(3) 彎道凸岸出口段易形成回流區(qū)，可能造成局部淤積。南區(qū)和十八墩河段工程實施以后，河道水流流場分布變化不大，主流區(qū)流速略有增加，但幅度不大，不會造成明顯的沖淤變化。

圖16　工程前后北區(qū)流速變化

圖17　工程前后鴨嘴區(qū)流速變化

圖18　工程前后十八墩流速變化

圖19工程前后南區(qū)流速變化

3結(jié)論

通過建立平面二維水流數(shù)學模型，采用MIKE21軟件對瀏陽河朝正垸急彎河段改造的影響進行了多工況模擬，主要結(jié)論如下：

(1) 對于彎曲河道，盡管改造拓寬彎曲段，在凸岸水流流速增大，可能存在沖刷，凹岸局部會產(chǎn)生淤積，在近鄰彎曲下游段凹岸局部還會產(chǎn)生水位壅高。

(2) 成果可直接作為河段規(guī)劃設計的依據(jù)，也可為類似工程提供借鑒。

要獲得更精確的結(jié)果，邊界條件非常重要，需要精確的河道水下和防洪堤的地形資料，和合理的河床糙率參數(shù)。

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Simulation of the Hydraulic Impacts of the River Channel Regulation on the Tortuous River Channel

CAO Lei1， ZHANG Guijin1， XIA Bo1， LEI Peng1,2,3

(1.CollegeofWaterConservancyEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology，Changsha,Hunan410114,China;2.ChinaNationalKeyLaboratoryofHydrologyWaterResourcesandWaterConservancyEngineering,Nanjing

InstituteofWaterConservancy,Nanjing,Jiangsu210098,China;3.HunanProvincialKeyLaboratoryofKeyTechnologiesofWaterResourcesUtilization,Changsha,Hunan410014,China)

Abstract：In this paper the section of Liuyang River in Chaozheng embankment was chosen as an example, MIKE21 model was adopted which is able to solve plane 2D flow-sand mathematical model. The parameters were calibrated first, real world situation was considered thoroughly, such as the development of Changsha junction and the Xiang River water level raise afterwards, which will block Liuyang River, as well as the superposition of different frequencies of floods. Many operation situations were also considered to simulate the changes in hydrological regime, flow velocity and erosion and deposition balance at straight section in the upstream, tortuous section, and straight section in the downstream, The results showed that for tortuous river channels the regulation will increase the flow velocity at concave bank where erosion and deposition at convex bank will happen and water level rising because of block in the downstream. This research is valuable to practice and similar projects.

Keywords:tortuous river channel; channel regulation; MIKE21; Liuyang River; Chaozheng embankment

文章編號：1672—1144(2016)01—0021—06

中圖分類號：TV133

文獻標識碼：A

作者簡介：曹磊(1992—)，女，湖南湘鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向為水利工程安全評價。E-mail：815172232@qq.com

基金項目：水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室開放研究基金資助項目( 2011491611)；水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室開放基金資助項目(PKLHD201302)

收稿日期：2015-09-17修稿日期：2015-10-18

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.005