胡 濤

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635)

1 研究背景

我國南部及東部平原河網(wǎng)地區(qū)水系發(fā)達，河道縱橫交錯，水流交匯現(xiàn)象普遍存在。河流的交匯處常因其復(fù)雜的三維水流特性及重要的區(qū)位因素而備受關(guān)注。目前，國內(nèi)外關(guān)于交匯區(qū)水流特性的研究成果: Best[1]通過對交匯區(qū)各區(qū)域水流特征的研究，提出了水流交匯區(qū)的概化模型；唐洪武[2]等結(jié)合水槽實驗研究不同流量比條件下的交匯流流態(tài)特征，提出了等寬明渠的最佳分流角度。茅澤育[3]等應(yīng)用五孔測球?qū)γ髑粎R口三維流動特性進行了研究，表明在交匯區(qū)下游支流入?yún)R側(cè)出現(xiàn)分離區(qū)，分離區(qū)流速較小甚至出現(xiàn)回流現(xiàn)象。Sukhodolov[4]等通過現(xiàn)場觀測認為剪切層兩側(cè)的螺旋流存在兩種結(jié)構(gòu)，即KH結(jié)構(gòu)與TW結(jié)構(gòu)，而具體的螺旋流結(jié)構(gòu)主要取決于河道平面幾何形態(tài)、水流入?yún)R角度及混合層兩側(cè)的流速比。Yuan[5]等考慮城市河流與天然河流寬深比的差異，通過水槽實驗對交匯區(qū)三維水流結(jié)構(gòu)展開了詳盡研究，分析認為斷面最大雷諾切應(yīng)力、紊動能量及剪切層的扭曲主要出現(xiàn)在水槽中部而非水流表面。隨著計算機模擬技術(shù)和數(shù)值計算方法發(fā)展迅速完善，有關(guān)交匯區(qū)的模擬研究進入了高速發(fā)展階段。戴文鴻[6]等以寧波三江口為例，研究了感潮河段交匯區(qū)的二維流場及水面形態(tài)。Huang[7]等采用動網(wǎng)格捕捉自由面及k-ω紊流模型，對交匯區(qū)的水流結(jié)構(gòu)進行了三維數(shù)值模擬，對不同入?yún)R角對交匯口水流特性及分離區(qū)的影響進行了探究；Dordevic,D[8]等運用數(shù)學(xué)模型，分別模擬了不同曲率的支流入?yún)R及床底形態(tài)對交匯區(qū)三維水流結(jié)構(gòu)的影響。魏文禮[9]等分別將LES模型和RNGk-ε模型與半隱式SIMPLE及VOF算法結(jié)合，研究了90°明渠交匯口三維水力特性。

但已有研究成果在針對交匯區(qū)三維水流特性研究時，大多在單向流條件下進行[10-11]，并且以矩形水槽、小寬深比情況為主[12]，而對潮汐條件下，受徑流和潮流共同影響的水流特性研究相對較少[13]，同時采用試驗水槽進行概化，忽略了天然河道形態(tài)的影響，故得到的水動力特性在一定程度上存在局限性[14]。鑒于此，本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，采用 Delft-3D 數(shù)值模擬軟件，基于實測地形與水文資料，對感潮河道交匯區(qū)三維水流特性進行了研究分析，為潮汐影響下的交匯區(qū)防洪整治、航運交通等提供理論支撐。

2 研究河段概況

甬江流域位于浙江的東海岸，由姚江、奉化江、甬江三條河道組成。其中，北向而來的姚江和南向而來的奉化江在寧波的三江口匯合后形成甬江，俗稱“三江河道”(見圖1)。三江口地處平原河段，其附近河道斷面多為寬淺型，其中姚江特征斷面寬約110 m，平均水深約4.1 m，寬深比為26.8；奉化江特征斷面寬約145 m，平均水深約5.6 m，寬深比為25.9；甬江特征斷面寬約160 m，平均水深約8.0 m，寬深比為20.0。作為典型的匯流河道，在自然條件和地理條件上都是獨特的。在匯合處，姚江河床變窄，形成近90°交匯角的反向彎；而奉化江河床漸擴，以近似直線的形式過渡到甬江，并向東蔓延25.6 km匯入東海。上述區(qū)域中咸淡水摻混，徑流、潮流相互作用，是典型的感潮河段。

圖1 研究區(qū)域與水文量測斷面位置示意

3 模型選擇和驗證

Delft-3D 模型是荷蘭 Delft 水力研究院針對海岸、河流和河口地區(qū)開發(fā)的多維水力仿真模型，主要用于模擬 2D 和 3D 的水流、水質(zhì)、波浪、生態(tài)、泥沙 輸移、河床地貌，以及各個過程之間的相互作用[15]。本文主要采用 Delft-3D 中的 Flow 模塊對對交匯口的三維水流特性進行模擬研究。

3.1 模型建立

本文水動力模塊主要建立在Navier-Stokes方程基礎(chǔ)上，采用交替方向法(ADI)對控制方程組進行離散求解。在正交曲線坐標系σ下，Delft-3D平面二維水流運動模型的控制性方程已有較多介紹[6,15-16]，而基于σ坐標系下水體連續(xù)方程推得z方向上的流速可表示為：

(1)

本文數(shù)學(xué)模型模擬范圍為：姚江自姚江閘下(WS1)至三江口約3.3 km，奉化江自澄浪堰(CS6)至三江口約3.5 km，甬江自三江口(WS2)至鎮(zhèn)?？?WS5)約25.6 km。計算模擬區(qū)域采用1954年北京坐標系，有效網(wǎng)格總數(shù)約為86 000，網(wǎng)格尺寸在3～15 m之間。地形根據(jù)實測高程點插值得到。模型給定非恒定流邊界條件，上游為兩支流的實測流量時間序列，下游為鎮(zhèn)海口實測潮位的時間序列。河床糙率參考相關(guān)研究成果，經(jīng)2010年水文資料率定，確定其取值為0.015～0.025。

交匯處的水流結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的三維特性，但受限于全局域三維計算的難收斂性和長計算時間，大尺度進行三維計算是較為困難的。同時為保證下游邊界條件仍取在河口處，避免潮汐在河道內(nèi)的變形帶來的計算誤差，因此，在交匯區(qū)及其周圍區(qū)域運用Deflt-3D中的DDB(domain-decomposition boundaries)技術(shù)建立獨立三維模型并與上下游進行耦合，構(gòu)建的三維模型部分，其平面網(wǎng)格尺度加密至3～4 m，z方向上共分10層水體，每層水體依照其地形與流速分布分別賦予總水深的2%～20%。具體耦合范圍及三維網(wǎng)格示意圖見圖2。

圖2 交匯區(qū)耦合范圍及三維網(wǎng)格示意

3.2 模型驗證

采用該河段2015年6月和2016年1月實測洪、枯季大潮水文資料對模型進行水動力驗證，驗證結(jié)果見圖3。結(jié)果表明：各測站的模擬潮位及流速的變化過程、變化規(guī)律與實測值符合較好，潮位與流速相位之間的誤差小于0.20 h，且流速在數(shù)值上誤差絕大部分小于0.1 m/s。

(a)2015年6月洪季大潮驗證

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 交匯區(qū)三維潮流場分析

交匯區(qū)水流呈現(xiàn)出較強的三維特性隨分層有顯著變化，為研究交匯區(qū)水流隨分層表現(xiàn)出顯著變化的三維特性，分析不同水深條件下流場特征及其變化規(guī)律，本文以交匯區(qū)洪季大潮條件下，漲、落急時刻的表層流場、中間層流場、近底層流場為例，研究其流速分布隨水深的變化關(guān)系。

漲急時，無論甬江、姚江或奉化江，隨著水深的增加，其主流位置的流速逐漸減少，且水流動力軸線變化較小，大致接近河道中線，如圖4(b)(d)(f)所示；落急時如圖4(a)(b)(c)姚江或奉化江的三維流速分布于漲急類似，其流速均雖水深的增加而減少，而甬江主流位置的流速隨水深的增大呈先增后減的趨勢，且中間層流場與近底流場的橫向流速梯度相對較小，說明交匯后的主流位于下游河道中層，且相對于表層，中間層與近底層的水體摻混更加明顯。受交匯口地形的影響，隨著水深的大，交匯區(qū)頂點與支流下游的低流速區(qū)范圍漸增，交匯口內(nèi)姚江、奉化江兩股水流的分界線不再明顯。

(a)交匯區(qū)落急表層流場

4.2 交匯區(qū)特征斷面流場分析

已有研究表明：漲、落急時刻，三江口附近姚江、甬江水位右高左低，奉化江水位左高右低，而三江口呈混合層附近高，兩側(cè)低的“馬鞍形”分布[6]。為進一步了解交匯區(qū)附近三維水流結(jié)構(gòu)特性，本節(jié)分別在姚江、奉化江及甬江靠近交匯區(qū)附近選取一特征斷面，用以研究漲落急時刻，交匯區(qū)附近水流結(jié)構(gòu)(見圖5所示)。相應(yīng)特征斷面布置見圖1(b)。

(a)姚江特征斷面漲急流場

在圖5(a)(b)中，姚江特征斷面受彎道的影響，在漲、落急時刻，均有形成順時針環(huán)流的趨勢，但相較于傳統(tǒng)的彎曲河道其二次流明顯較弱[16]；奉化江斷面在落急時刻表現(xiàn)為流向底部的下潛流，漲急時刻則為流向表面的上升流，且河道右岸該特征最為顯著；而甬江河道特性斷面在落急時刻沒有形成明顯的TW結(jié)構(gòu)或K-H結(jié)構(gòu)螺旋流，取而代之的是落急時偏向左岸以及漲急時偏向右岸的橫向流。表明在漲落潮潮位變化、干支流床底高差及河道床面形態(tài)的綜合影響下，兩股水流交匯前后并沒有形成明顯的二次流。

此外，漲急時刻，姚江與奉化江的流速梯度均明顯小于落急時刻對應(yīng)流速梯度，流速分布更加均勻，且其流速最大值均集中在河道主漕表面；甬江流速梯度分布規(guī)律與姚江、奉化江相反，且其特征斷面落急時刻流速最大值出現(xiàn)在河道主漕中部位置，向四周流速漸減，驗證了水流在經(jīng)過三江口時，水流流速在對應(yīng)時刻的下游河道發(fā)生重分布[6]，不同水深間的流速梯度均有減小。

5 結(jié)語

本文采用Delft-3D數(shù)值模擬軟件建立了寧波三江口交匯區(qū)二三維耦合數(shù)學(xué)水流模型，利用洪、枯季大潮水文資料對模型參數(shù)進行了率定。在此基礎(chǔ)上，重點分析了洪季大潮條件下，感潮河段交匯區(qū)三維水流特性，得出以下結(jié)論：

1) 漲落急時刻，姚江和奉化江主流位置的流速均減小，且在漲急時刻的流速梯度明顯小于落急時刻，流速分布更加均勻。受交匯口地形的影響，隨著水深的增加交匯口內(nèi)兩股水流的分界線不再明顯；

2) 落急時刻，交匯后的主流位于下游河道中層，且相對于表層，此時的中間層與近底層的水體摻混更加明顯；

3) 在漲落潮潮位持續(xù)變化、干支流床底高差及河道床面形態(tài)的綜合影響下，兩股水流交匯前后并沒有形成明顯的二次流；

4) 水流在經(jīng)過三江口時，水流流速在對應(yīng)時刻的下游河道發(fā)生重分布，不同水深間的流速梯度均有減小。