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(guó)南部及東部平原河網(wǎng)地區(qū)水系發(fā)達(dá)，河道縱橫交錯(cuò)，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(guó)內(nèi)外關(guān)于交匯區(qū)水流特性的研究成果: Best[1]通過(guò)對(duì)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(shí)驗(yàn)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(cè)球?qū)γ髑粎R口三維流動(dòng)特性進(jìn)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)認(rèn)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(guò)水槽實(shí)驗(yàn)對(duì)交匯區(qū)三維水流結(jié)構(gòu)展開(kāi)了詳盡研究，分析認(rèn)為斷面最大雷諾切應(yīng)力、紊動(dòng)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(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法發(fā)展迅速完善，有關(guān)交匯區(qū)的模擬研究進(jìn)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(chǎng)及水面形態(tài)。Huang[7]等采用動(dòng)網(wǎng)格捕捉自由面及k-ω紊流模型，對(duì)交匯區(qū)的水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，對(duì)不同入?yún)R角對(duì)交匯口水流特性及分離區(qū)的影響進(jìn)行了探究；Dordevic,D[8]等運(yùn)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(duì)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(duì)交匯區(qū)三維水流特性研究時(shí)，大多在單向流條件下進(jìn)行[10-11]，并且以矩形水槽、小寬深比情況為主[12]，而對(duì)潮汐條件下，受徑流和潮流共同影響的水流特性研究相對(duì)較少[13]，同時(shí)采用試驗(yàn)水槽進(jìn)行概化，忽略了天然河道形態(tài)的影響，故得到的水動(dòng)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(shí)測(cè)地形與水文資料，對(duì)感潮河道交匯區(qū)三維水流特性進(jìn)行了研究分析，為潮汐影響下的交匯區(qū)防洪整治、航運(yùn)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(lái)的姚江和南向而來(lái)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(jiàn)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?xiàng)l件上都是獨(dú)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(kuò)，以近似直線的形式過(guò)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(cè)斷面位置示意

3 模型選擇和驗(yàn)證

Delft-3D 模型是荷蘭 Delft 水力研究院針對(duì)海岸、河流和河口地區(qū)開(kāi)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(gè)過(guò)程之間的相互作用[15]。本文主要采用 Delft-3D 中的 Flow 模塊對(duì)對(duì)交匯口的三維水流特性進(jìn)行模擬研究。

3.1 模型建立

本文水動(dòng)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(duì)控制方程組進(jìn)行離散求解。在正交曲線坐標(biāo)系σ下，Delft-3D平面二維水流運(yùn)動(dòng)模型的控制性方程已有較多介紹[6,15-16]，而基于σ坐標(biāo)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(jì)算模擬區(qū)域采用1954年北京坐標(biāo)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(shí)測(cè)高程點(diǎn)插值得到。模型給定非恒定流邊界條件，上游為兩支流的實(shí)測(cè)流量時(shí)間序列，下游為鎮(zhèn)?？趯?shí)測(cè)潮位的時(shí)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(jì)算的難收斂性和長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間，大尺度進(jìn)行三維計(jì)算是較為困難的。同時(shí)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(lái)的計(jì)算誤差，因此，在交匯區(qū)及其周圍區(qū)域運(yùn)用Deflt-3D中的DDB(domain-decomposition boundaries)技術(shù)建立獨(dú)立三維模型并與上下游進(jìn)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(jiàn)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(yàn)證

采用該河段2015年6月和2016年1月實(shí)測(cè)洪、枯季大潮水文資料對(duì)模型進(jìn)行水動(dòng)力驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖3。結(jié)果表明：各測(cè)站的模擬潮位及流速的變化過(guò)程、變化規(guī)律與實(shí)測(cè)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(yàn)證

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 交匯區(qū)三維潮流場(chǎng)分析

交匯區(qū)水流呈現(xiàn)出較強(qiáng)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(chǎng)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(shí)刻的表層流場(chǎng)、中間層流場(chǎng)、近底層流場(chǎng)為例，研究其流速分布隨水深的變化關(guān)系。

漲急時(shí)，無(wú)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(dòng)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(shí)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(shì)，且中間層流場(chǎng)與近底流場(chǎng)的橫向流速梯度相對(duì)較小，說(shuō)明交匯后的主流位于下游河道中層，且相對(duì)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(diǎn)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(chǎng)

4.2 交匯區(qū)特征斷面流場(chǎng)分析

已有研究表明：漲、落急時(shí)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(jìn)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(shí)刻，交匯區(qū)附近水流結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5所示)。相應(yīng)特征斷面布置見(jiàn)圖1(b)。

(a)姚江特征斷面漲急流場(chǎng)

在圖5(a)(b)中，姚江特征斷面受彎道的影響，在漲、落急時(shí)刻，均有形成順時(shí)針環(huán)流的趨勢(shì)，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(shí)刻表現(xiàn)為流向底部的下潛流，漲急時(shí)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(shí)刻沒(méi)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(shí)偏向左岸以及漲急時(shí)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(méi)有形成明顯的二次流。

此外，漲急時(shí)刻，姚江與奉化江的流速梯度均明顯小于落急時(shí)刻對(duì)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(shí)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(yàn)證了水流在經(jīng)過(guò)三江口時(shí)，水流流速在對(duì)應(yīng)時(shí)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(yǔ)

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(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了率定。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)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(shí)刻，姚江和奉化江主流位置的流速均減小，且在漲急時(shí)刻的流速梯度明顯小于落急時(shí)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(shí)刻，交匯后的主流位于下游河道中層，且相對(duì)于表層，此時(shí)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(méi)有形成明顯的二次流；

4) 水流在經(jīng)過(guò)三江口時(shí)，水流流速在對(duì)應(yīng)時(shí)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。