甌飛一期圍墾工程龍口二維數(shù)值模擬研究

劉 云，林登榮，王 斌，包中進

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2．溫州市水利投資開發(fā)有限公司，浙江 溫州 325000)

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甌飛一期圍墾工程龍口二維數(shù)值模擬研究

劉 云1，林登榮2，王 斌1，包中進1

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2．溫州市水利投資開發(fā)有限公司，浙江 溫州 325000)

通過大范圍平面二維數(shù)學(xué)模型研究甌飛一期圍墾工程圍區(qū)4個龍口附近的漲落潮水動力因素，分析龍口附近的大范圍流場及流速分布，通過不同龍口寬度、深度等比較，提出合適的龍口規(guī)模，并為施工期龍口保護和龍口合龍?zhí)峁┮罁?jù)。

圍墾工程；龍口；平面二維數(shù)學(xué)模型；水動力

1 問題的提出

溫州甌飛一期圍墾工程位于甌飛灘高灘區(qū)域，南、北邊界分別是飛云江及甌江河口邊界的外延線，圍墾面積約0.89萬hm2(13.3萬畝)。由于本工程圍區(qū)面積較大，單一龍口施工和堵口難度很大，因此采用隔堤將圍區(qū)分為4片，設(shè)置4個龍口進行度汛[1]，其中1#圍區(qū)0.24萬hm2(3.57萬畝)，2#圍區(qū)0.20萬hm2(3.07萬畝)，3#圍區(qū)0.27萬hm2(4.07萬畝)，4#圍區(qū)0.17萬hm2(2.57萬畝)(見圖)1。

在圍墾工程中，龍口處水力參數(shù)是工程界最為關(guān)心的問題，這些水力參數(shù)是制定截流施工方案的依據(jù)。龍口水力計算常規(guī)方法是將外海潮位和庫容曲線組合，利用水量平衡原理由寬頂堰公式計算，計算公式中的相關(guān)系數(shù)，一般均采用經(jīng)驗方法確定[2-3]?？梢妭鹘y(tǒng)的方法計算龍口水力參數(shù)相對比較粗糙，而且計算結(jié)果僅為單一流量或龍口流速，對于龍口兩側(cè)及戧堤沿線的流速分布、流速過程等均缺乏研究，因此建立龍口附近平面二維數(shù)學(xué)模型來詳細研究龍口處水力參數(shù)(如流速、上下游水位落差及龍口處流態(tài)分布) 就顯得非常重要。但常規(guī)研究均是對單一龍口進行研究[4-6]，本文則是通過大范圍平面二維數(shù)學(xué)模型研究甌飛一期圍墾工程圍區(qū)4個龍口附近的漲落潮水動力因素，分析龍口附近的大范圍流場及流速分布，通過不同龍口寬度、深度等比較，提出合適的龍口規(guī)模，為龍口防護提供相應(yīng)的水力參數(shù)。

2 平面二維水流數(shù)學(xué)模型

2.1 模型簡介

平面二維數(shù)學(xué)模型采用浙江省水利河口研究院自主開發(fā)的基于三角形網(wǎng)格的有限體積模式，該模型具有網(wǎng)格布置靈活、局部加密方便、適用性強、能夠模擬水閘等泄水建筑物等特點，已成功應(yīng)用于錢塘江、甌江口以及舟山等沿海地區(qū)的圍墾和防洪排澇工程研究中，取得了一定的成果[7]。

(1)

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2.2 模型建立

數(shù)學(xué)模型計算域的選取主要考慮2個方面，即計算域包含研究的對象并且工程對邊界的影響足夠小，另外邊界條件容易取得。本模型計算的上邊界選在甌江的圩仁、楠溪江的上塘、飛云江的趙山渡、鰲江的麻步，下邊界取在基本不受工程影響的三門—福建霞浦一線(含樂清灣與三門灣)，計算范圍總面積約61 027 km2。網(wǎng)格布置充分利用了三角形網(wǎng)格的優(yōu)點，按照關(guān)鍵水域網(wǎng)格密、其他水域疏的原則剖分。計算域內(nèi)的網(wǎng)格布設(shè)考慮了水流、地形梯度的差異，對工程附近的計算網(wǎng)格作進一步加密，計算區(qū)域共布有25 705個計算節(jié)點和46 930個三角形單元，計算范圍及網(wǎng)格布置見圖2。

圖1 龍口布置示意圖

對于流場的計算，岸邊界采用可滑不可入條件。

各邊界采用水文資料控制，無臨時測站的外海水邊界利用全球潮汐模型(TPXO6)求得，該模型通過10個分潮推算天文潮位，包含8個主要分潮M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2、Q1，以及2個長周期分潮Mf和Mn，基本能夠構(gòu)造出外海深水處真實的天文潮過程。

(4)

式中：ζ0為邊界處的潮位(m)；ζp為邊界處靜壓水位(m)；i=1～10，分別對應(yīng)上述分潮；Ai、αi分別為分潮在3條邊界處的振幅(m)和遲角(rad)；ωi為分潮的角頻率(rad/s)。

圖2 網(wǎng)格布置圖

2.3 模型驗證

水文測驗：于2013年4月對溫州海域進行了全面的水文測量。在溫州灣布設(shè)25條垂線，其中在溫州灣北部 (洞頭列島)布設(shè)6條垂線1#-3#、8#-10#；在溫州灣中部布設(shè)7條垂線11#-13#、16#-18#、22#；在溫州灣南部布設(shè)3條垂線19#-21#；在甌江布設(shè)4條垂線4#-7#；在飛云江布設(shè)2條垂線14#-15#；在鰲江布設(shè)3條垂線23#-25#。進行大、中、小潮3個航次同步測驗，每航次完成2個完整潮期，時間約27 h；各垂線觀測項目包括水深、潮流(流速、流向)、含沙量、鹽度、懸沙及底質(zhì)顆分等。

潮位觀測：本次水文測驗共布設(shè)10個潮位站進行連續(xù)同步1個月潮位觀測。其中石塘、坎門、鳳凰山、霞關(guān)、福建閭峽為短期潮位站，洞頭、鰲江、龍灣、瑞安、溫州為長期潮位站。水文測點布置見圖3，潮位測點布置見圖4。因篇幅原因，給出工程區(qū)附近部分驗證成果見圖5、6。

由圖5、6可見，無論潮位過程還是高、低潮位值，計算與實測均符合良好，高、低潮位出現(xiàn)的時間，也與實測值吻合較好。無論流速過程還是漲落潮流速特征值，計算與實測基本吻合。流向的模擬值與實測值亦較為一致，說明模型計算的精度是比較高的。

圖3 2013年4月水文測點布置圖

圖4 2013年4月潮位測點布置圖

圖5 潮位驗證圖

圖6 大潮流速驗證圖

3 龍口度汛水力計算

龍口研究主要是通過大范圍平面二維數(shù)學(xué)模型研究4個龍口附近的漲落潮水動力因素，分析龍口庫內(nèi)外的潮水位變化過程、龍口附近的大范圍流場及流速分布等，并通過不同龍口寬度、深度等比較，提出優(yōu)化方案，為龍口防護提供相應(yīng)的水力參數(shù)，為下階段合龍創(chuàng)造有利條件。

龍口型式采用“寬淺式”龍口。根據(jù)龍口水力條件，為減小龍口流速防止沖刷和簡化保護措施，目前浙江省大中型圍墾工程和堵港工程的度汛龍口型式均采用“寬淺式”，即龍口寬度盡可能寬一些，底檻高程適當(dāng)抬高，控制漲落潮流速在4.5 m/s左右。為防水流沖刷龍口，本工程龍口基礎(chǔ)處理采用塑料排水插板法，厚約1.00 m，龍口段基礎(chǔ)處理后需采用塊重 300 kg 以上的大塊石對龍口底檻進行護底，要求護底厚1.00 m 左右；由于龍口處涂面高程為-3.00 m，考慮度汛保護底檻高程抬高約2.00 m，因此龍口度汛水力計算取龍口最低底檻高程為-1.00 m，各龍口考慮5個口門尺寸及3個底檻高程組合，模型計算暫不考慮水閘泄流，各片圍區(qū)龍口度汛水力計算成果見表1～3。

表1 1#、2#圍區(qū)龍口度汛流速成果表 m/s

注：表中序號1底檻高程為-1.00 m；序號2底檻高程為-0.50 m；序號3底檻高程為0.00 m。括號內(nèi)數(shù)據(jù)為龍口寬度。表2同。

表2 3#、4#圍區(qū)龍口度汛流速成果表 m/s

表3 龍口寬度優(yōu)化表

3.1 龍口底檻高層

從各龍口流速成果表可以看出，龍口寬度越小，底檻高程越高，流速越大。當(dāng)?shù)讬懜叱淘黾?.50 m時，龍口寬度需增加100～200 m，才能滿足4.50 m/s流速要求，考慮到龍口寬度越大后期龍口合龍立堵工程量越大，且立堵水力條件與平堵水力條件相比較差，施工難度較高，因此選定龍口底檻高程為-1.00 m。

3.2 龍口寬度

在選定龍口底檻高程為-1.00 m的條件下，控制漲落潮流速在4.50 m/s左右，在20 a一遇度汛潮型下，1#龍口寬度1 000 m時，最大流速為4.41 m/s；2#龍口寬度900 m時，最大流速為4.40 m/s；3#龍口寬度1 600 m時，最大流速為4.32 m/s；4#龍口寬度600 m時，最大流速為4.46 m/s。

根據(jù)以上結(jié)果，在選定龍口底檻高程為-1.00 m的條件下，龍口寬度可進行進一步優(yōu)化，計算方案見表3。

根據(jù)表3，推薦方案為：4片圍區(qū)各布置1個龍口，1#龍口寬1 000 m、底檻高程-1.00 m；2#龍口寬900 m、底檻高程-1.00 m；3#龍口寬1 550 m、底檻高程-1.00 m；4#龍口寬600 m、底檻高程-1.00 m，龍口總寬度為4 050 m。

3.3 龍口流速分布

不管龍口寬度大小，龍口處的流速分布性質(zhì)大致相似。以1#龍口為例，龍口漲潮流場見圖7，落潮流場見圖8，漲潮流速分布見圖9，落潮流速分布見圖10。由圖7～10可以看出，漲落潮時龍口外緣流速較均勻，龍口水流集中，龍口附近形成一股楔形水流且龍口兩側(cè)出現(xiàn)回流區(qū)；龍口在不同底檻高程、不同口門寬度條件下，由于圍堤的阻擋，口門外水體交換較快，口門內(nèi)水體交換較慢，口門處的流速總體上表現(xiàn)為漲潮時流速較大、落潮時流速較小的變化規(guī)律；龍口流速隨龍口縮小、底檻高程增加而增大。

圖7 漲潮流場圖

圖8 落潮流場圖

圖9 漲潮流速分布圖

圖10 落潮流速分布圖

3.4 庫內(nèi)外潮位情況

水位差指在同一時刻庫內(nèi)、外的潮位之差, 反映龍口受水壓程度；庫內(nèi)最低水位指庫內(nèi)在退潮時所能達到的最低水位, 反映庫內(nèi)納潮能力。表4統(tǒng)計了推薦龍口規(guī)模下各圍區(qū)潮位要素。由表4可以看出，1#、3#圍區(qū)規(guī)模較大，納潮能力較強，庫內(nèi)最低水位均為-0.52 m；2#、4#圍區(qū)規(guī)模較小，圍區(qū)最低水位為-0.33，-0.25 m，且1#、3#龍口最大水位差小于2#、4#龍口最大水位差。

表4 龍口計算潮位要素表

4 結(jié) 語

(1)根據(jù)計算，4片圍區(qū)各布置1個龍口，最后推薦龍口總寬度為4 050 m。其中1#龍口寬1 000 m、底檻高程-1.00 m；2#龍口寬900 m、底檻高程-1.00 m；3#龍口寬1 550 m、底檻高程-1.00 m；4#龍口寬600 m、底檻高程-1.00 m。

(2)漲落潮時龍口外緣流速較均勻，龍口水流集中，龍口附近形成一股楔形水流且龍口兩側(cè)出現(xiàn)回流區(qū)；龍口在不同底檻高程、不同口門寬度條件下，由于圍堤的阻擋，口門外水體交換較快，口門內(nèi)水體交換較慢，口門處的流速總體上表現(xiàn)為漲潮時流速較大、落潮時流速較小的變化規(guī)律；龍口流速隨龍口縮小、底檻高程增加而增大。

(3)由庫內(nèi)外潮位可以看出，1#、3#圍區(qū)規(guī)模較大，納潮能力較強，庫內(nèi)最低水位均為-0.52 m；2#、4#圍區(qū)規(guī)模較小，圍區(qū)最低水位為-0.33，-0.25 m，且1#、3#龍口最大水位差小于2#、4#龍口最大水位差。

[1]吳蕾，王靈敏，盧曉燕，等. 浙江省溫州市甌飛一期圍墾工程初步設(shè)計報告[R].杭州：浙江省水利水電勘測設(shè)計院, 2012．

[2]李煒．水力計算手冊[M].北京:中國水利水電出版社,2006:73-76.

[3]福建省水利水電廳. 福建省圍墾工程設(shè)計技術(shù)規(guī)程[R].福州：福建省水利水電廳，1992.

[4]季永興，盧永金，姚華生.浦東國際機場圍海大堤龍口水力數(shù)學(xué)模型研究[J].水利水電科技進展，2000，20(6)：36-38.

[5]史宏達，孫傳余，劉 棟.圍海造地工程龍口流場的數(shù)值模擬研究[J].中國水運,2010，10 (2)：89-90.

[6]謝軍，樓啟為，熊志強.青草沙水庫圍堤合龍施工二維潮流數(shù)值模擬[J].水利水運工程學(xué)報, 2010(4):51-57.

[7]應(yīng)超，王珊珊. 溫州淺灘二期南堤工程海床演變、水動力條件、沖淤專題研究[R].杭州：浙江省水利河口研究院，2014.

(責(zé)任編輯 姚小槐)

Two Dimensional Numerical Simulation Study on the Closure Gap of Oufei Reclamation Project-Phase Ⅰ

LIU Yun1,LIN Deng-rong2,WANG Bin1,BAO Zhong-jin1

(1.Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, Zhejiang，China； 2.Wenzhou Water Conservancy Investment and Development Co., Ltd.Wenzhou 325000,Zhejiang,China)

Through a large scale plane two-dimensional mathematical model, this paper studied the hydrodynamic factors of tide fluctuations at four closure gaps near reclamation area of Oufei reclamation project-Phase Ⅰ, and analyzed the wide range flow field and velocity distribution near the closure gap. By comparing different widths, depths, etc. of the closure gap, it put forward an appropriate closure gap scale, providing the basis for closure gap protection and closure during its construction period.

reclamation project; closure gap; plane two-dimensional mathematical model; hydrodynamics

2015-10-11

浙江省水利科技計劃項目(RA1402)；浙江省科研院所專項(2012F20030)。

劉 云(1985-)，女，工程師，碩士，從事水工水力學(xué)研究工作。 E-mail:rainbowly920@sina.com

TV131.4

A

1008-701X(2016)01-0043-05

10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.01.015