曾慧俊

(安徽省長江河道管理局,安徽 蕪湖 241000)

隨著數值模擬技術的發(fā)展,許多計算軟件在中國的河流模型計算中廣泛應用[1-3]。其中由丹麥開發(fā)的MIKE21軟件可以用于模擬各種作用力下河道水位及流速的變化。河道中涉河工程的建設勢必將改變河道過流條件,進而影響局部流場,利用MIKE模型對工程建設前后水位流速變化進行計算分析,為評價涉河工程對河道行洪能力的影響提供數據支撐。

1 河道概況

黑沙洲河段與蕪裕河段均屬蕪湖市管轄。其中黑沙洲河段上起繁昌縣荻港與銅陵河段相接,下至三山河口與蕪裕河段上段相連,為首尾束窄、中間展寬的典型鵝頭分汊河段。分汊段內有天然洲、黑沙洲,分水流為左、中、右三汊,高水位時,右汊微彎、中汊順直、左汊彎曲。蕪裕河段上段平面形態(tài)呈微彎“∽”型,江中潛洲將水流分為左右兩汊,左汊為主汊。從高安圩至頭棚為上彎段,深槽傍右岸,左岸是大套溝邊灘；過頭棚后深槽擺向左岸進入下彎段,在三壩以下深槽貼左岸下延至大拐,而右岸是大白茆邊灘。該段右岸高安圩—保定圩、左岸三壩—大拐為水流貼岸區(qū)(圖1)。

本次涉河工程為一高樁梁板碼頭,位于長江黑沙洲河段出口匯流段右岸。

2 模型建立

2.1 計算原理

平面二維水流數學模型的基本方程包括連續(xù)性方程和動量方程,在笛卡爾坐標系下的控制方程形式如下。

連續(xù)性方程為:

(1)

x向和y向運動方程為:

圖2 計算區(qū)域網格劃分Fig.2 Mesh generation of computation area

圖3 驗證流場圖Fig.3 Verification of flow field diagram

(2)

(3)

式中:t為時間；x、y為笛卡爾坐標的兩坐標軸；η為水面高程；d為水深；h=η+d為總水深；u、v為對應于x、y的速度分量；f=2Ωsinφ為科氏力(φ為緯度)；g為重力加速度；ρ為密度；ρ0為相對密度；vt為渦粘系數；Pa為大氣壓強；S為源匯項的流量(us、vs為源匯項對應的速度分量)。

在二維的水動力模塊中流速是一個平均的概念:

(4)

2.2 計算網格

計算區(qū)域內地形比較復雜,為了合理布置計算網格,本文采用Delaunay三角化法對計算區(qū)域進行網格劃分,并在工程位置附近進行了加密。在計算區(qū)域內共布置了17 945個網格節(jié)點和34 882個計算單元,其中工程附近計算網格間距約為20 m。工程河段的網格布置圖見圖2。

2.3 參數設置與模型驗證

采用2007年6月洪水季實測水文資料與2017年3月枯水季水文資料進行厘定與驗證。模型按曼寧公式計算斷面平均糙率,作為初始計算的糙率值?？紤]到糙率隨水深具有深水區(qū)比淺水區(qū)糙率小的變化趨勢,模型計算中用節(jié)點水深對斷面平均糙率進行修正,再根據水位、流場情況對糙率系數進行分段調試。本河段糙率取值范圍為主槽0.017～0.020 ,灘地0.022～0.028。

模型對2017年3月(Q=16 700 m3/s)實測的黑沙洲左右汊分流比、固定斷面水位及流速進行了驗證,驗證流場、流速及潮位見圖3-圖5。

以上表明,經調試后的模型計算結果與實測數據吻合較好,其最大誤差不超過2%,精度達到評價計算要求。

2.4 建設項目概化

建設項目為一座高樁梁板式碼頭,碼頭平臺長112 m、寬20 m,平臺下部采用鋼管樁基礎；碼頭接岸引橋總長約244.4 m,引橋標準排架間距為16 m,基礎采用Φ800PHC管樁和Φ800鉆孔灌注樁。

涉河工程對河道的影響主要體現為兩方面:一是工程施工改變了原過流灘地地形;二是建筑物構造增加了水流阻力。為了反映建設項目對河道地形的改變,在模型計算中采用以下兩種方法:一是對局部地形進行修正,將工程施工后的地形高程點納入到模型計算地形中；二是通過計算現有樁基礎減小的拖曳力來反映碼頭樁基礎對水流的阻力,每個樁基礎上減小的拖曳力在MIKE21中通過動量公式轉化為切應力來計算,即:

τp·Δx·Δy=n·F

(5)

式中:τp為切應力;F為樁基礎上的拖曳力;n為每個計算網格上樁基礎個數(即分布密度);Δx、Δy為計算

圖4 典型斷面流速驗證Fig.4 Verification of flow velocity in typical section

圖5 典型斷面潮位驗證Fig.5 Verification of tidal level in typical sections

網格邊長。拖曳力F由以下公式來計算:

F=1/2·ρCDBeHe·V2

(6)

式中:CD為拖曳力系數;ρ為水密度;Be為柱體的影響寬度;He為樁基礎阻水長度;V為水流流速。

3 不同洪水組合下建設項目對河道行洪能力的影響

為分析工程修建后對長江行洪的影響,計算方案主要考慮長江汛期高水位條件,同時也兼顧中水位下工程前后水位、流場變化。選擇長江下游防洪設計水位對應的設計洪水流量(Q=92 600 m3/s)、1998年洪水流量(Q=82 300 m3/s),及平灘流量(Q=45 000 m3/s)作為本次計算的洪水條件(表1、表2)。

分析計算結果,通過工程建設前后局部河道水位變化圖(圖6)可以看出,碼頭項目建成后,工程局部區(qū)域內水位變化主要體現為碼頭平臺上游水位壅高,碼頭平臺下游水位降低。三種工況下設計洪水流量影響范圍與極值均大于后兩種工況,水位最大增加0.9 cm,最大降低1.3 cm,水位變化值>0.2 cm的范圍為碼頭平臺上游150 m至平臺下游660 m。通過工程建設前后局部河道流速變化圖(圖7)可以看出,碼頭平臺的建設壓縮了河道過流斷面,主要表現為碼頭平臺上下游流速減小,外側局部區(qū)域流速增大。在設計洪水流量下,流速最大增加值為0.08 m/s,最大減小值為0.21 m/s。

表1 工程前后水位變化表Table 1 Water level change table before and after construction

表2 工程前后流速變化表Table 2 Variation table of flow velocity before and after construction

在設計洪水流量條件下,天然洲被水淹沒,此處只考慮1998年洪水流量和平灘流量條件下碼頭工程對天然洲分流比的影響。表3給出了1998年洪水流量及平灘流量條件下天然洲右汊分流比的變化,由表3可知,碼頭項目的實施將導致天然洲右汊分流比的減少,但減小值很小。

表3 工程實施前后天然洲右汊分流比Table 3 The diversion ratio of the right branch of natural continents before and after the implementation of the project

圖6 不同工況下局部水位變化Fig.6 Local water level change under different conditions

圖7 不同工況下局部流速變化Fig.7 Local velocity variation under different working conditions

4 結語

本文基于MIKE模型,計算分析了某碼頭項目的建設對長江下游蕪湖河段河道行洪能力的影響。通過研究計算過程與分析計算結果,結論如下:

(1) MIKE模型計算結果與實測水文資料吻合較好,精度滿足洪水評價要求,能反映出本河段的水流運動特性。

(2) 模型采用局部地形高程修正與碼頭樁基礎拖曳力減小兩種概化方法,可以較好地模擬出碼頭類工程建設前后對局部流場的影響。

(3) 碼頭項目建設對河道局部水位及流場的影響較小,對主流位置及汊道分流比影響較小,不會對河勢產生明顯不利影響。