二維水流數(shù)學(xué)模型在碼頭工程防洪影響計算分析中的應(yīng)用

盛建興，徐 駿，王 玨

(長江水利委員會長江口水文水資源勘測局，上海200136)

長江口地區(qū)臨江濱海，海陸兼?zhèn)?，集“黃金海岸”和“黃金水道”區(qū)位優(yōu)勢于一體，優(yōu)良港址眾多，蘇州港、南通港一起組成上海國際航運(yùn)中心的重要一翼。隨著沿江大開發(fā)戰(zhàn)略的不斷實(shí)施，港口建設(shè)對推動經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，將起到更為重要的作用。

由于河道中的涉水工程(如碼頭、橋梁等)占用了河道的部分過水面積，往往會對河道的水位及河勢造成一定的影響，如引起工程局部壅水、近岸流速增大等［1－5］。本文以長江口某碼頭工程為研究對象，工程處于潮流界以下，受上游徑流和下游潮汐的雙重影響，水流動力條件較為復(fù)雜。本文利用二維水流數(shù)學(xué)模型模擬碼頭建設(shè)前后工程附近河段的水動力特性和流場變化，并由此分析工程建設(shè)對防洪的影響。

1 二維水流數(shù)學(xué)模型簡介

1.1 模型基本方程［6－7］

水流連續(xù)方程:

x方向動量方程:

y方向動量方程:

式中:ρ為流體密度;u、v為垂線平均流速;D=h+ζ為總水深;ζ為水位;f為科氏力系數(shù);Am為根據(jù)Smagotinsky公式計算水平紊動粘滯系數(shù);τsx，τsy為表面切應(yīng)力;τbx，τby為底部切應(yīng)力。

1.2 計算方法［8］

其中a為修正因子，最后將ζn+1帶入運(yùn)動方程求出 un+1，vn+1。

2 有關(guān)問題的處理

2.1 動邊界的處理［9－11］

針對非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在線邊界方法中引入水位逐層推進(jìn)的結(jié)構(gòu)化思想處理動邊界問題，通過在灘地結(jié)構(gòu)化編碼1→2→3→…將水位信息逐層傳入，可稱此法為推進(jìn)線邊界法。當(dāng)三條邊的水深均小于給定值時，該單元作完全露灘處理，模型每計算一個時步，可完成一次水深判斷。落潮時灘面水位通過以下函數(shù)獲得:

其中ζ、ζ1、ζ2分別為灘面水位、計算水位和傳遞水位，通過這種方法可以有效的避免落潮時灘面仍然有水的情況發(fā)生。

2.2 初始條件

由于潮流運(yùn)動屬摩阻流動，故對初始條件可不作嚴(yán)格要求，一般實(shí)行冷啟動，即常給定零流速和常水位:

2.3 邊界條件

潮流模型邊界條件包括開邊界和閉邊界條件，開邊界原則上需給出流速和潮位的時間過程線及沿開邊界的變化，而閉邊界需滿足流體無滲漏條件。實(shí)際應(yīng)用時，一般則給定開邊界潮位的時空變化值，本次模型計算上、下游開邊界均采用實(shí)測潮位控制。

2.4 有關(guān)參數(shù)選取

糙率系數(shù)。模型糙率系數(shù)的選取需經(jīng)過模型的率定與驗(yàn)證確定。綜合以往工作及資料，本河段的糙率系數(shù)一般在0.014～0.022左右，且計算范圍內(nèi)的糙率系數(shù)隨灘槽的變化有所不同。

計算時間步長。為保證滿足計算穩(wěn)定收斂條件，本次模型計算中時間步長取1 s。

水平渦粘性系數(shù)Am根據(jù)Samagorinsky公式確定［12］:

式中:u、v為x、y方向垂線平均流速，Δ為網(wǎng)格間距，Cs為計算參數(shù)，0.25 ＜ Cs＜ 1.0。本次模型計算時采用默認(rèn)值 0.28。

其它參數(shù)。計算時忽略風(fēng)的作用，因此取風(fēng)切應(yīng)力系數(shù)γa=0.0;水體密度ρ取1000 kg/m3(取監(jiān)測平均值);計算域平均地理緯度φ取32°N。

3 模型計算

3.1 模型計算范圍

本次模型計算范圍上游起徐六涇斷面，下游至共青圩和橫沙斷面，北邊界為崇頭斷面，計算范圍見圖1。整個區(qū)域剖分采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，在擬建工程區(qū)域局部加密，空間步長最小約為10 m左右。計算地形為資料采用2011年實(shí)測1/10000水下地形圖。

3.2 模型驗(yàn)證

本次模型潮位驗(yàn)證基于2012年9月25日—10月1日期間白茆站、楊林站2個潮位站的實(shí)測潮位成果;流速驗(yàn)證基于2012年9月擬建工程附近的2個水文測點(diǎn)大、小潮期流速實(shí)測成果。計算值與實(shí)測值對比見圖2、圖3。工程附近潮位和流速的計算結(jié)果與實(shí)測值基本相符，采用率定取得的計算參數(shù)，在不同的水文條件下，計算結(jié)果與實(shí)測值仍然比較吻合的，基本能滿足工程計算要求，模型及參數(shù)可用于工程計算。

3.3 計算方案

為模擬碼頭工程實(shí)施前后對防洪最不利的水文條件，本次計算采用1998年典型大洪水及1997年典型風(fēng)暴潮兩種水文條件。

圖1 數(shù)模計算范圍

圖2 潮位驗(yàn)證成果對比圖

4 計算結(jié)果分析

4.1 水位變化

數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果表明，在擬建碼頭實(shí)施后，上下游及前沿附近、主要通江口門處、主要涉水工程附近等處最高、最低潮位有雍高也有降低，但是變化幅度都很小，均小于0.01m，且范圍較小，只集中在擬建碼頭區(qū)附近，因此工程實(shí)施后對附近水域、主要水道、涉水建筑物前沿及主要通江口門的防洪及引排影響極小。

圖3 流速驗(yàn)證成果對比圖

4.2 流速變化

數(shù)學(xué)模型計算所得工程前后流速變化等值線見圖4。由圖4可見，工程建成后流速變化區(qū)沿河道縱向呈帶狀分布。擬建碼頭內(nèi)側(cè)及上、下游漲、落流速均減小，漲、落潮減小最大幅度均小于0.05 m/s;因此碼頭建成后運(yùn)行過程中碼頭的內(nèi)側(cè)，上、下游可能產(chǎn)生輕微淤積，只要進(jìn)行少量維護(hù)性疏浚即可。碼頭前沿外側(cè)漲、落潮流速均略有增加，漲潮增加最大幅度約為0.005 m/s;落潮增加最大幅度約為0.021 m/s。擬建碼頭附近的七丫口、楊林口以及太倉海事港池口、瀏河口等口門處流速略有減小，但變化很小，最大變幅約為0.018 m/s。位于碼頭附近深槽、扁擔(dān)沙、下扁擔(dān)沙及新南門通道等處流速基本沒有變化。

圖4 流速變化等值線圖(單位:m/s)

4.3 河勢變化

為分析擬建工程實(shí)施后附近水域各主要汊道漲、落潮分流比的變化情況，在該河段布置了4個斷面(白茆沙南北斷面，南、北港分流口斷面)，斷面布置見圖1。在兩種不同水文條件下，各汊道斷面漲落潮分流比變化情況分別見表1、表2。

表1 漲、落潮分流比變化統(tǒng)計表(1997年8月計算潮型)

表2 漲、落潮分流比變化統(tǒng)計表(1998年7月計算潮型)

由計算結(jié)果可見，在“97”、“98”兩種典型水文計算條件下，擬建工程實(shí)施后，對南水道水流有一定的阻隔作用，白茆沙南斷面和南港斷面的分流比有降低的趨勢，但變化很小，最大變化幅值都不超過0.02%。因此，工程實(shí)施后，對附近河段各汊道的潮量基本無影響，基本不會對工程河段河勢造成影響。

5 結(jié)語

本文采用河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型對長江口某碼頭工程建設(shè)前后的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，以論證擬建碼頭工程對所在河段防洪、河勢變化和航道通航的影響情況，研究論證擬定工程方案的合理性，選擇合理、可行的方案，從而為工程審批提供科學(xué)的依據(jù)。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算成果，工程建成后附近水域及主槽的最高潮位的變化均很小，工程對長江口南支河段的洪(潮)水位的壅高有限，影響范圍也不大。工程附近重要口門處流速略有減小，但變化很小。因此擬建工程的建設(shè)不會增大工程河段的防洪壓力，對周邊通江口門引排水影響也較小。

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