劉曉東 黃立文 孫海蘭 范耀天

（武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1） 武漢 430063） （江西師范大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院2） 南昌 330022）

長(zhǎng)江流域中的武漢陽(yáng)邏水道上起王家屋，下迄周陽(yáng)港，全長(zhǎng)約18km.湖北省武漢市規(guī)劃在陽(yáng)邏水道左岸新建一大型港口.由于規(guī)劃區(qū)域碼頭岸線前端、中段和后部存在磯頭，復(fù)雜的地形造成該區(qū)域的水流態(tài)勢(shì)趨于復(fù)雜，而且根據(jù)碼頭規(guī)劃設(shè)計(jì)要求，碼頭中段和后部的磯頭需要炸礁而改變?cè)兴赖匦?，這些都需要定量分析擬建工程河段的水流流態(tài).本研究根據(jù)在環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分別建立陽(yáng)邏水道在擬建工程前后的水流數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值模型，以期為港口建設(shè)提供決策支持.

1 長(zhǎng)江陽(yáng)邏水道段水動(dòng)力數(shù)值模型

1.1 控制方程

控制方程基于水平邊界擬合曲線坐標(biāo)系和σ坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（1）所示.

根據(jù)靜水壓假設(shè)、Boussinesq假設(shè)和近似，建立三維水動(dòng)力模型［1－2］，基本方程如下.

式中：u，v，w（x，y，z，t）分別為邊界擬合曲線坐標(biāo)x，y，z方向上的速度分量；ζ（x，y，t）為水位；z＝h（x，y）為底地形；H＝h＋ζ為實(shí)際水深；g為重力加速度；?s為水量；K，k為垂直和水平方向的湍流粘滯性系數(shù)；pa為大氣壓力；ρ為水密度；f＝2ωsinφ為科里奧利參數(shù).

為節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，模型采用忽略二階水平對(duì)流項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)k－模型［3］求得垂向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，其中：式中：vT為湍動(dòng)能擴(kuò)散系數(shù)（即渦粘性系數(shù)）；Gb為穩(wěn)定條件；P為湍動(dòng)能產(chǎn)生率；Pk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能生成項(xiàng).

1.2 模型計(jì)算邊界條件選取

1）水表面邊界條件

運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件為

式中：ψ1（t），ψ2（t）和μ（t）為源匯流量函數(shù).

3）動(dòng)邊界條件 出水淺灘采用動(dòng)邊界處理，即對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)灘地干濕過(guò)程，采用水位判別法處理，即當(dāng)某點(diǎn)水深小于一淺水深ε（如0.2m）時(shí)，令該處流速為零，灘地干出；當(dāng)該處水深大于ε時(shí)，參與計(jì)算，河水上灘.模型采用曲線網(wǎng)格，可較好地?cái)M合淺灘、岸堤邊界，提高計(jì)算精度.

1.3 水動(dòng)力模擬計(jì)算范圍及計(jì)算條件

本研究模型計(jì)算范圍上邊界位于羅家咀附近，下邊界位于陽(yáng)邏長(zhǎng)江公路大橋上游，如圖1所示，圖中AB橫斷面和CD橫斷面的實(shí)測(cè)流速數(shù)據(jù)可以作為模型的驗(yàn)證和率定，EF橫斷面在擬建工程的前端160m，該處剛好是1＃泊位前段磯頭位置.地形資料來(lái)源于長(zhǎng)江武漢航道局2010年6月實(shí)測(cè)地形，模擬計(jì)算區(qū)域見(jiàn)圖1.

圖1 模擬計(jì)算區(qū)域

模型計(jì)算初始高程數(shù)據(jù)采用長(zhǎng)江武漢航道局2008年4月和2010年6月實(shí)測(cè)地形，工程附近水域和陸域地形高程數(shù)據(jù)利用中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司2009年11月所測(cè)1∶1 000地形圖和2012年1月所測(cè)1∶500地形圖進(jìn)行細(xì)化.模擬區(qū)域計(jì)算所需要的水文條件采樣武漢關(guān)水文站的觀測(cè)資料，見(jiàn)表1.

表1 水文條件下上下游邊界條件

模型糙率系數(shù)綜合反映了天然河流計(jì)算河段的阻力.因天然河流寬深比較大，故河岸阻力所占比重較小.就形態(tài)阻力而言，彎曲河段與順直均勻河段不同，本次數(shù)模河道糙率系數(shù)取全區(qū)域一致0.22.時(shí)間步長(zhǎng)：模型計(jì)算步長(zhǎng)1s.

2 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)其水文特征值，模型采用恒定流對(duì)四種水文條件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)上邊界由流量控制，下邊界由水位控制，工程前后不同的2種地形結(jié)合四種水文條件共組合成8種工況，每種工況對(duì)應(yīng)一種模擬實(shí)驗(yàn)方案，模型不考慮水口河對(duì)工程的影響.

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析［4－6］

2.2.1 碼頭前沿線處的水流流態(tài)變化趨勢(shì)

1）水流方向變化曲線 碼頭前沿線在平面上的方向?yàn)?98°，所以在流量為446 000m3／s的情況下，1＃泊位端點(diǎn)處的水流流向與碼頭前沿線的夾角為5°，在1＃磯頭的的前端與前沿線形成的夾角最大為16°.在水流流過(guò)1＃泊位的中部以后其流向趨于平緩，基本與碼頭前沿線平行，水流方向變化曲線見(jiàn)圖2.

圖2 水流方向變化曲線

圖3 水流速度變化曲線

2）工程前后水流速度變化曲線 圖3中實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明工程前后碼頭前沿的前方沿航道從上到下的速度變化可歸納為：（1）由于碼頭1＃泊位存在磯頭影響，該區(qū)域流速最大值出現(xiàn)在約碼頭上游端160m處，達(dá)到2.4m／s，且工程后略有增加，與主流夾角達(dá)到24°；但是磯頭下游1＃泊位前沿水流流速趨緩，與碼頭前沿夾角最大為12°，且工程后略有減少；（2）從枯水期到洪水期流量變化過(guò)程中1＃泊位前沿流速由約0.5m／s增大到約2.0m／s，但是流向與碼頭夾角減小，由約11°減小到約4°.

2.2.2 整個(gè)航道的速度變化趨勢(shì) 按照上述設(shè)定的計(jì)算條件對(duì)擬建工程區(qū)域，針對(duì)工程前后的兩種情況在四種水文條件下總計(jì)8個(gè)方案分別進(jìn)行了模型試驗(yàn).圖4、圖5分別為工程前后流量為6 828m3／s和44 600m3／s的速度分布圖.

圖4 工程前后6 828m3／s流量模擬區(qū)域表層流場(chǎng)圖

圖5 工程前后44 600m3／s流量模擬區(qū)域表層流場(chǎng)圖

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：工程前和工程后流量從枯水期的6 828m3／s到洪水期的44 600m3／s，整個(gè)計(jì)算范圍內(nèi)的速度都有所提高，不管是枯水期還是洪水期主流均位于河道左岸一側(cè)，且主流位置基本不變，碼頭泊位前沿為主流位置所在.在模擬的四種水文條件下，擬建工程不管在枯水期還是洪水期，工程的建設(shè)將會(huì)引起碼頭附近局部范圍內(nèi)流場(chǎng)的變化，但變化范圍有限，不會(huì)對(duì)上、下游涉水工程產(chǎn)生明顯影響.

3 結(jié) 論

1）由于碼頭前沿泊位存在磯頭影響，該區(qū)域流速最大值出現(xiàn)在碼頭上游端約160m處，洪水期達(dá)到2.4m／s，且工程后略有增加，枯水期流向與主流夾角達(dá)到24°；但是碼頭前端磯頭下游泊位前沿水流流速趨緩，與碼頭前沿夾角最大為12°，且工程后略有減少，夾角減少到11°.

2）擬建工程的1＃泊位前沿的前方為陽(yáng)邏節(jié)點(diǎn)，上游的來(lái)水在經(jīng)過(guò)陽(yáng)邏節(jié)點(diǎn)后形成一個(gè)斜向右下方的斜流和向左岸偏轉(zhuǎn)的回流，回流貼近于左側(cè)岸邊，且隨著流量的增大，回流區(qū)域和強(qiáng)度先增大后降低.由于陽(yáng)邏節(jié)點(diǎn)下斜流占主導(dǎo)作用，擬建工程前1＃泊位前沿速度增大而且形成一個(gè)向右偏轉(zhuǎn)的挑流，隨著流量的增大挑流與碼頭前沿線的夾角降低，在平灘流量44 600m3／s條件下的水流流向與與碼頭前沿線的夾角5°左右.

3）工程后，從枯水期到洪水期流量變化過(guò)程中碼頭泊位前沿流速由約0.5m／s增大到約2.0 m／s，但是流向與碼頭夾角減小，由約11°減小到約4°.

4）由于擬建工程中部的磯頭炸礁后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明碼頭前沿中部的回流消失，更有利于船舶的靠離泊.

［1］HAMRICK J M.A three－dimensional environmental fluid dynamics computer code：theoretical and computational aspects［R］.Special Report No.317in Applied Marine Science and Ocean Engineer，1992.

［2］LEHR W J，CEKIRGE H M，F(xiàn)RAGA R J.Empirical studies of the spreading of oil spills［J］.Oil and Petrochemical Pollution，1984（2）：7－12.

［3］STIVER W，MACKAY D.Evaporation rate of spills of hydrocarbons and petroleum mixtures［J］.Environmental Science and Technology，1984，18（11）：834－840.

［4］SHEN H T，YAPA P D.Oil slick transport in rivers［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1988（14）：529－542.

［5］婁安剛，王學(xué)昌，孫長(zhǎng)青.膠州灣海面溢油軌跡的數(shù)值模擬［J］.黃渤海海洋，2001，19（1）：1－8.

［6］俞濟(jì)清，魏 敏，黃立文.中國(guó)舟山港溢油模擬信息系統(tǒng)研制［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2002，26（4）：39－41.