張毅爽

（新疆建源工程有限公司,新疆 烏魯木齊 830000）

水是生命之源,但“水能載舟亦能覆舟”。目前洪水災(zāi)害頻發(fā)成為我國(guó)在水沙治理方面研究上面臨的最大挑戰(zhàn),而且近半個(gè)世紀(jì)以來(lái),在氣候不斷變化和人類活動(dòng)的影響下,新疆塔里木河段逐漸出現(xiàn)了淤積萎縮的趨勢(shì)。隨著科技不斷發(fā)展,我國(guó)水利工作者通過長(zhǎng)期研究各個(gè)流域的水流水沙演變情況,基本上掌握了流域河道的演變特性,為新疆流域水沙治理方面的研究提供了強(qiáng)有利的科學(xué)依據(jù)［1-2］。

河道演變的根本原因是流域河道輸沙的不平衡。影響河道的沖淤演變的主要因素有水力因素、水庫(kù)調(diào)控和風(fēng)沙入河等。河床地形結(jié)構(gòu)、河床邊界條件及河道來(lái)水來(lái)沙條件決定著該河段水流的水動(dòng)力條件,隨著水動(dòng)力條件的不斷變化,從而促進(jìn)河道、河床邊界中的物質(zhì)交換過程［3］。在河流縱坡降較少的情況下,河槽橫斷面形態(tài)的調(diào)整影響著河流過洪能力和輸沙能力。目前中小流量河流在我國(guó)現(xiàn)存河道中占據(jù)很大比重,較大洪水的發(fā)生具有一定的可能性,排洪和輸沙問題對(duì)不同斷面形態(tài)的要求使得矛盾愈見突出,綜合以上因素來(lái)看,研究塔里木河河段典型河道的河道演變和水沙作用規(guī)律,為人民的生產(chǎn)實(shí)踐和河道治理工作提供理論依據(jù),具有極其重要意義。

1 區(qū)域概況

塔里木河位于塔里木盆地北部,是我國(guó)最長(zhǎng)的內(nèi)陸河。塔里木河干流西起阿克蘇河、葉爾羌河、和田河三河匯合處的肖夾克,繞塔克拉瑪干沙漠北緣向東,最終流入其尾閭臺(tái)特瑪湖,干流全長(zhǎng)1321 km。塔里木河下游位于塔里木盆地東北部,東側(cè)為庫(kù)魯克沙漠,西側(cè)為塔克拉瑪干沙漠,河段由恰拉至臺(tái)特瑪湖,全長(zhǎng) 428 km,呈東南向狹長(zhǎng)條狀,寬度漸窄,在 20 km~40 km 之間。塔里木河下游可分為上、中、下三段：恰拉～大西海子水庫(kù)泄洪閘為塔里木河下游上段大西海子水庫(kù)泄洪閘～阿拉干是塔里木河的下游中段,阿拉干～臺(tái)特瑪湖是塔里木河的下游下段,對(duì)于塔里木河下游地區(qū),由于來(lái)水量稀少,造成了下游河道常年斷流［4］。塔里木河由中游的泛濫性河流進(jìn)入下游河段后轉(zhuǎn)變?yōu)檩^固定的下切性河流,基本沒有分散的叉流,河床下切深度2 m~5 m,河道較窄,河道縱坡1/4500~1/7900。

圖1 塔里木河下游位置圖

2 實(shí)驗(yàn)研究方法及模型設(shè)計(jì)

2.1 模型設(shè)計(jì)

從關(guān)于交匯水流的現(xiàn)有研究文獻(xiàn)看來(lái),交匯區(qū)域水流特性問題研究成果已非常豐富,大多所選試驗(yàn)水槽斷面也幾乎都為矩形斷面。本研究物理模型試驗(yàn)水槽斷面也基于矩形斷面進(jìn)行設(shè)計(jì),從而測(cè)量交匯角度為 45°時(shí) 1∶1、1∶2、1∶3、1∶4四種匯流比情況下的各個(gè)水力特性參數(shù)。在數(shù)值模型中針對(duì)交匯角度為 45°時(shí)的矩形水槽進(jìn)行模擬運(yùn)算,進(jìn)而分析實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果與模擬運(yùn)算結(jié)果的異同性。

水槽試驗(yàn)為典型的明渠水槽,根據(jù)實(shí)驗(yàn)可操作性,將試驗(yàn)水槽按照重力相似準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),本次關(guān)于交匯水流的物理模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)性研究試驗(yàn),則所建立的水槽模型為概化模型。試驗(yàn)水槽具體形體尺寸為：試驗(yàn)整體水槽為長(zhǎng)×寬×高=21 m×1 m×0.5 m 的矩形槽,主、支槽的槽底坡降為 1‰,主槽寬 1 m,支槽寬 0.5 m,主、支槽在交匯區(qū)域上游大部分由水泥抹面制成,在靠近觀測(cè)區(qū)部分和整個(gè)觀測(cè)區(qū)則由無(wú)機(jī)玻璃制成,觀測(cè)區(qū)域長(zhǎng)度為 2.0 m,支流以 45°的角度在距水槽末端的 7 m 處交匯對(duì)接。整個(gè)試驗(yàn)由量測(cè)系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、水流循環(huán)系統(tǒng)及其他相關(guān)的輔助設(shè)備組成。循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力裝置為兩臺(tái)潛水泵,通過 PVC 輸水管道將高位水箱、蓄水池及實(shí)驗(yàn)水槽構(gòu)成連接。

在此過程中,通過薄壁三角堰流公式計(jì)算得到不同堰角對(duì)應(yīng)堰頂水頭測(cè)壓管的度數(shù),見式（1）：

式中：h為堰頂水深；為三角堰頂角；Ce為流量系數(shù)。

2.2 試驗(yàn)工況安排

物理模型試驗(yàn)建立坐標(biāo)原點(diǎn)位于主支流交匯口下游角點(diǎn)（水槽底部）,順?biāo)鄯较蛟O(shè)為 X 軸正向,垂直水槽并指向右岸的方向設(shè)為 Y 軸正向,指向水面的水深方向?yàn)?Z 軸正向。X、Y、Z軸方向所對(duì)應(yīng)得流速分別設(shè)為u、v、w。本文中主流流量為Qu,支流流量為Qb,主支流交匯后總流量為Qd,則：

這里定義匯流比為RQ=Qu/Qb,即用匯流比為主流流量與支流流量的比值。

物理模型試驗(yàn)在不改變交匯角度（45°）的情況下采用兩種地形工況,分別為矩形斷面（命名為地形一）與一種較復(fù)雜的斷面（命名為地形二）,在每種地形下通過改變主流上三角堰堰角來(lái)調(diào)整匯流比,以達(dá)到匯流比為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4四種情況,具體的試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 交匯水流結(jié)構(gòu)試驗(yàn)組次參數(shù)表

整個(gè)試驗(yàn)過程總流量為 40 L/s,在主、支槽中分別裝有薄壁三角堰,支流上薄壁三角堰堰角固定位 90°,通過調(diào)整主流上薄壁三角堰堰角進(jìn)而達(dá)到調(diào)整主支流流量比,調(diào)整角度為 90°、53°、37°、28°,由三角堰流量計(jì)算公式計(jì)算可得,以上四個(gè)角度分別對(duì)應(yīng)匯流比1∶1、1∶2、1∶3、1∶4四組。

2.3 數(shù)值模型建立

研究針對(duì)矩形槽底工況進(jìn)行了一系列數(shù)值模擬計(jì)算,其中水槽主支流交匯角為 45°,槽底坡降 1‰,模擬過程中通過將主支流匯流比改變?yōu)?1∶1、1∶2、1∶3、1∶4四組來(lái)進(jìn)行運(yùn)算。

（1）網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型中采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,每一個(gè)網(wǎng)格單元均為三角形,對(duì)該工況下進(jìn)行網(wǎng)格劃分見圖2（圖中橫縱坐標(biāo)數(shù)值為該模型在 CAD 中所處坐標(biāo)值）。網(wǎng)格劃分參數(shù)為：三角網(wǎng)格數(shù)為 2158、網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為 1191、網(wǎng)格最大面積不超過 0.004 m2。

圖2 試驗(yàn)數(shù)值模型網(wǎng)格劃分

（2）參數(shù)設(shè)定

物理模型試驗(yàn)為清水定床試驗(yàn),數(shù)值模型亦擬定為清水定床模型,該工況具體模擬情況如下：

地形文件：地形選擇為 1‰比降的矩形槽,設(shè)槽的最下游端槽底高程為起始點(diǎn),根據(jù)坡降向上游計(jì)算。

參數(shù)設(shè)定：該數(shù)值模型中總流量參數(shù)為Q=40 L/s,其單寬流量均勻分布,河床縱向坡降設(shè)為 1‰,水流為恒定非均勻流,綜合糙率 0.03125。針對(duì)每一組匯流比（按 1∶1、1∶2、1∶3、1∶4 四種情況）分別進(jìn)行模擬運(yùn)算,每一組上下游出口條件取對(duì)應(yīng)試驗(yàn)測(cè)量過程中所測(cè)出的真實(shí)水深值。模塊選擇為 HD模塊模擬計(jì)算,計(jì)算中固壁按定邊界條件處理,模擬計(jì)算時(shí)間為2小時(shí)。

（3）模型研究

MIKE 21 模型［5］： 可以用來(lái)模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境。它在對(duì)二維非恒定流進(jìn)行模擬的同時(shí),還對(duì)水下地形、潮汐變化和氣象條件進(jìn)行了考慮。MIKE 21 主要包含水動(dòng)力（HD）、水質(zhì)（ECOLab）、對(duì)流擴(kuò)散（AD）、波浪（OSW、NSW、BW、EMS 和 PMS）、泥沙傳輸（MT 和 ST）等模型。

水動(dòng)力模型：本文數(shù)值計(jì)算是基于水動(dòng)力模型（HD）進(jìn)行的,該模型的控制方程由質(zhì)量守恒方程（連續(xù)方程）和沿垂向積分的動(dòng)量守恒方程組成：

x方向動(dòng)量方程：y方向動(dòng)量方程：

式中：x、y為空間坐標(biāo),m；t為時(shí)間,s；ρw為水的密度,kg/m3；g為重力加速度,m/s2；（x,y,t）為水位,m；C（x,y）為 Chezy系數(shù),m1/2/s；d（x,y,t）為隨時(shí)間變化的水深,m；h（x,y,t）為水深（h= -d,m）；τxx、τxy、τyy為有效切應(yīng)力分量；Ω（x,y）為科氏（Coriolis）系數(shù),依賴于緯度,s-1；V、Vx、Vy（x,y,t）為風(fēng)速及其在x、y方向的分量,m/s；Pa（x,y,t）為大氣壓強(qiáng),Pa；f（V）為風(fēng)摩擦系數(shù)；p、q分別為x、y方向的單寬流量,m3/（s·m）,其中p=uh,q=vh,u、v分別為x、y方向的垂向平均流速,m/s。

3 研究結(jié)果

本文以新疆塔里木河段復(fù)雜的干支流分布為背景,在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上,對(duì)交匯角度為 45°的斜接型交匯水流分別設(shè)計(jì)并進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模型試驗(yàn)研究,其中物理模型試驗(yàn)水槽分 1‰比降的矩形水槽和復(fù)式地形兩種,數(shù)值模型只針對(duì)矩形水槽進(jìn)行模擬計(jì)算。每種地形通過改變 1∶1、1∶2、1∶3、1∶4 四種匯流比RQ進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量和模擬運(yùn)算,并分析數(shù)據(jù)。進(jìn)而比較分析交匯角度分別為 45°、60°、90°時(shí)模型試驗(yàn)的流速數(shù)據(jù),對(duì)斜接型交匯水流運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。進(jìn)行水槽物理模型試驗(yàn)及數(shù)值模型模擬運(yùn)算,通過對(duì)得到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出：

（1）交匯角度為 45°條件下,當(dāng)?shù)匦螚l件相同,而改變匯流比RQ時(shí),RQ越?。粗髁髁髁吭叫?支流流量越大）,流速變化范圍越大,主支流混摻紊動(dòng)情況越明顯,分離區(qū)面積增大,主支流上游越易壅水。

（2）在匯流比、交匯角度等條件不變的情況下,改變交匯區(qū)域地形,地形越復(fù)雜交匯區(qū)域紊動(dòng)情況也越劇烈。

（3）在只改變主支流交匯角度的情況下,交匯角越大,越不利于下游水流順暢,但最大流速區(qū)在交匯口下游向?qū)Π兑苿?dòng),易對(duì)交匯區(qū)域岸邊產(chǎn)生沖刷,因此在實(shí)際工程中應(yīng)綜合考慮現(xiàn)實(shí)問題來(lái)確定所要設(shè)計(jì)的交匯角度。所得數(shù)值模擬結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。