福州市閩江西河游泳場(chǎng)河段水流特性整治工程數(shù)學(xué)模擬研究

丁 堅(jiān)，邵雨辰，郭 淮，王 霄

(1.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210098；3.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，淮安 223005)

福州市閩江西河游泳場(chǎng)河段水流特性整治工程數(shù)學(xué)模擬研究

丁 堅(jiān)1，邵雨辰2，郭 淮3，王 霄3

(1.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210098；3.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，淮安 223005)

彎道環(huán)流、渦旋等不良流態(tài)往往是天然游泳場(chǎng)的安全的不利因素，不良流態(tài)的形成與河道的天然條件、人為活動(dòng)兩方面因素相關(guān)。文章在分析閩江西河河段河勢(shì)、流態(tài)的基礎(chǔ)上，建立該河段的二維數(shù)學(xué)模型，針對(duì)不同的自然條件和整治方案，對(duì)該河段的水動(dòng)力特性進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上，提出整治效果較優(yōu)的河道整治方案。在天然河道游泳場(chǎng)整治過程中，除了考慮到對(duì)游泳場(chǎng)局部流場(chǎng)流態(tài)的優(yōu)化調(diào)整之外，還要綜合考慮整治工程對(duì)河道通航、行洪的其他功能影響，進(jìn)行綜合比選。

彎道環(huán)流；渦旋；河道整治

西河天然游泳場(chǎng)位于閩江福州北港洪山橋下游左岸(北岸)，長(zhǎng)約1 000 m，目前來水清澈，沙質(zhì)河床，具有開發(fā)為優(yōu)良天然游泳場(chǎng)的基礎(chǔ)，但由于河勢(shì)、水流等因素制約了游泳場(chǎng)的發(fā)展，必須進(jìn)行整治，以達(dá)到游泳場(chǎng)水流平順、流速適當(dāng)、安全衛(wèi)生等要求。為此需對(duì)該河段河床、水流進(jìn)行全面分析，找出存在不足之處，對(duì)癥治理。

本文在分析閩江西河河段河勢(shì)、流態(tài)的基礎(chǔ)上，建立該河段的二維數(shù)學(xué)模型，針對(duì)不同的自然條件和整治方案，對(duì)該河段的水動(dòng)力特性進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上，提出整治效果較優(yōu)的河道整治方案。

1 河段概況

游泳場(chǎng)位于北港上段，主流自淮安分流后，進(jìn)入北港，首經(jīng)文山里，為窄深峽谷河段，河寬130～200 m，最窄處僅90 m，水流湍急，至洪山橋后，以下河道軸線走向左偏約27°，出舊洪山橋，河床明顯放寬至500m左右，來水流速減緩，至5 km以下蒼霞～解放大橋窄彎段時(shí)，河寬又明顯縮窄，在蒼霞河段處河寬僅200 m，加上解放大橋、江南橋阻水，使上游河段壅水，比降減小，以致舊洪山橋至解放大橋的水流進(jìn)一步減緩，泥沙落淤，出現(xiàn)眾多邊灘、淺區(qū)及江心洲等。位于左岸的西河游泳場(chǎng)的凸岸邊灘也發(fā)育的比較大。通常河床的高程在-1.0～-3.0 m，但舊洪山橋在河心處有6個(gè)橋墩在歷年大洪水中被沖垮或拆除，為保福州市防洪安全，其余橋墩不能繼續(xù)垮塌，故多年來沿舊洪山橋軸線，在舊橋墩之間拋石護(hù)墩，沿橋軸線形成潛壩，有效地維持北港分流比穩(wěn)定。由于中段沖掉六個(gè)橋墩，主流都要集中在該缺口下泄，將缺口下游河床沖深至-11.0～-14.0 m的深槽，其走向是沿著橋上段中軸線的方向，直逼橋下的右岸，故在20世紀(jì)90年代規(guī)劃防洪堤岸線時(shí)，確定了右岸的防洪堤(圖1)。

由于北港舊洪山橋以下河面放寬一倍以上，而河軸線又向左偏轉(zhuǎn)了27°，加上舊洪山橋軸線走向是斜交于河床斷面的，舊洪山橋起著潛壩的作用，來水溢過潛壩時(shí)，主流將趨向垂直于壩軸線方向出流，這種情況下過壩的水面比降最大，水往低處流，垂直于壩軸線下泄是客觀規(guī)律，因此，過舊洪山橋的水流動(dòng)力軸線更向右偏，右岸為主流頂沖的凹岸，西河游泳場(chǎng)的左岸則成為凸岸，由洪枯水的水流動(dòng)力軸線就很清楚顯示為彎道水流，出現(xiàn)螺旋流，表面水體向右偏，水面呈現(xiàn)橫比降，右高左低，使下層含沙量大的水體向左移，因此，將泥沙帶向左岸形成邊灘，這就是彎道水流造成凹岸沖刷，凸岸淤積的規(guī)律[1-7]，游泳場(chǎng)邊灘就是該流勢(shì)塑造的結(jié)果，沿邊灘上下及前沿環(huán)流都較為明顯，且直接威脅游泳的安全(圖2)。

圖1 閩江西河河勢(shì)圖Fig.1 River regime of Minjiang West River

2 數(shù)學(xué)模型的建立和驗(yàn)證

2.1平面二維數(shù)學(xué)模型控制方程

(1)

(2)

(3)

2.2方程定解條件

圖2 舊洪山橋下游洪枯水水流動(dòng)力軸線Fig.2 Flow dynamic axis at the downstream of old Hongshan bridge

為了使平面二維水流運(yùn)動(dòng)的基本方程在計(jì)算域Ω內(nèi)有適定解，必須滿足定解條件，即在計(jì)算域上給出初始條件和邊界條件。

2.3模型計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

根據(jù)研究?jī)?nèi)容的要求，數(shù)學(xué)模型邊界上起文山里，下至解放大橋，沿程長(zhǎng)約11 km，水域面積4.2 km2，可參見圖1。進(jìn)行數(shù)學(xué)模型計(jì)算時(shí)，主要采用實(shí)測(cè)水下地形，并在模型中采用插值的計(jì)算方法將地形賦值至各計(jì)算節(jié)點(diǎn)上。模型計(jì)算區(qū)域的離散采用三角形網(wǎng)格，并在工程區(qū)域進(jìn)行局部加密，模型最大網(wǎng)格尺度為40 m，工程區(qū)最小網(wǎng)格尺度為10 m，可以滿足計(jì)算精度要求，模型生成水下地形見圖3。

圖3 模擬地形Fig.3 Simulation of the terrain

2.4模型參數(shù)設(shè)置及驗(yàn)證

2.4.1 模型參數(shù)設(shè)置

模型采用的時(shí)間步長(zhǎng)△t=20 s。計(jì)算水域的糙率是一個(gè)綜合影響因素，是數(shù)值計(jì)算中一個(gè)十分重要的參數(shù)，與水深、床面形態(tài)等因素有關(guān)，閩江河段淺灘深槽交錯(cuò)復(fù)雜，因此根據(jù)水深條件，給出隨水深變化的糙率場(chǎng)。糙率范圍取0.02～0.05，根據(jù)驗(yàn)證計(jì)算情況要求選取。

2.4.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)本次研究的要求與所掌握的實(shí)測(cè)資料，模型驗(yàn)證計(jì)算時(shí)段：中水大潮期：9月18日11：00時(shí)～24：00時(shí)；中水小潮期：9月28日11：00時(shí)～23：00時(shí)。驗(yàn)證位置選取參見圖1，分別為清水碼頭站、西河1#點(diǎn)、西河2#點(diǎn)、 在數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證過程中，分別進(jìn)行了潮位、潮流過程的驗(yàn)證。潮位驗(yàn)證圖見圖4～圖5,由圖可見，潮位模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好。流速驗(yàn)證圖見圖6，由圖可見,西河1#點(diǎn)、西河2#點(diǎn)的漲潮流速、落潮流及流向計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好。由此說明建立的數(shù)學(xué)模型能較好地模擬西河游泳場(chǎng)河段的水流運(yùn)動(dòng)， 可用于工程方案的數(shù)值計(jì)算。

4-a清水碼頭站 4-b上游廠碼頭站圖4 大潮潮位驗(yàn)證圖Fig.4 Verification of tidal level during spring tide

5-a清水碼頭站 5-b上游廠碼頭站圖5 小潮潮位驗(yàn)證圖Fig.5 Verification of tidal level during neap tide

6-a 1#點(diǎn)大潮流速 6-b 1#點(diǎn)大潮流向

6-c 1#點(diǎn)小潮流速 6-d 1#點(diǎn)小潮流向

6-e 2#點(diǎn)大潮流速 6-f 2#點(diǎn)大潮流向

6-g 2#點(diǎn)小潮流速 6-h 2#點(diǎn)小潮流向

圖6 西河流速流向驗(yàn)證圖
Fig.6 Verification of flow velocity and direction at West River

3 無工程措施時(shí)流場(chǎng)分析

圖7 西河游泳場(chǎng)河段漲急及落急流場(chǎng)圖Fig.7 Flow field at the times of flood maximum and ebb maximum in West River Natatorium reach

圖7為西河游泳場(chǎng)河段大、小潮漲急及落急流場(chǎng)圖(9月18日及9月28日)。由圖可見，漲急時(shí)西河游泳場(chǎng)河段水流較平順，僅在舊洪山橋左右兩側(cè)下游出現(xiàn)2個(gè)較小的漩渦；落急時(shí)西河游泳場(chǎng)河段水流特別紊亂，特別大潮落急在舊洪山橋左右兩側(cè)下游出現(xiàn)2個(gè)較大的漩渦，游泳場(chǎng)中段水域也存在漩渦，游泳場(chǎng)下游段深水區(qū)流速較大，所以大潮落急時(shí)期的流場(chǎng)是本次河道整治關(guān)注的重點(diǎn)。

4 工程措施及整治效果分析

4.1工程措施

方案1：首先必須對(duì)近1 000 m長(zhǎng)的西河游泳場(chǎng)水域水下地形進(jìn)行平整邊坡。圖8為西河游泳場(chǎng)水域布置圖，圖中虛線為游泳場(chǎng)水域的邊界線，岸邊虛線為5 m等深線，游泳場(chǎng)的深水虛線為0 m等深線，游泳場(chǎng)約有170 m寬(圖8)，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的河床進(jìn)行削坡、填沙處理，平順河床。水閘泵房前水域保留其出口。邊坡平整后，游泳場(chǎng)水域等深線與河道右側(cè)水流動(dòng)力軸線平行，將有利于游泳場(chǎng)水域水流的平順。

圖8 西河游泳場(chǎng)水域布置圖Fig.8 Water area layout of West River Natatorium

方案2： 在方案1平整游泳場(chǎng)邊坡的基礎(chǔ)上，對(duì)舊洪山大橋主泓兩側(cè)橋墩間水深挖至+2.0 m水深處，在舊洪山大橋下游深槽處拋一潛堤。由于加大了舊洪山大橋兩側(cè)的分流，增大了兩側(cè)的流速，主橋墩間流速將減小。這將從根本上消除舊洪山大橋下游兩側(cè)的漩渦，減弱彎道環(huán)流強(qiáng)度，歸順游泳場(chǎng)前沿的水流。

方案3：該方案分兩個(gè)區(qū)進(jìn)行游泳場(chǎng)邊坡修正，西河泵站上游游泳場(chǎng)前沿水深從1.0 m等深線以3%坡度向岸修正，泵站下游游泳場(chǎng)前沿水深從0.0 m等深線以3%坡度向岸修正，游泳場(chǎng)寬度約160 m。泵站出口水域保留原狀，并在出口兩側(cè)邊坡進(jìn)行護(hù)坡處理。在舊洪山大橋下游深槽處拋石平整至-8.0 m，拋石方約40 000 m3。在舊洪山橋左側(cè)下游沙灘頭部，沿等深線做弧形壩， 用于游泳場(chǎng)上游頭部固灘， 在游泳場(chǎng)下游尾部做一丁壩(頂部高程高出沙灘1.5 m, 頭部伸出游泳場(chǎng)0.0 m線以外10.0 m)，防止游泳場(chǎng)沙灘沖刷；在游泳場(chǎng)前沿填鵝卵石護(hù)底，防止水流沖刷。該方案同樣對(duì)舊洪山橋墩間不進(jìn)行開挖維持原狀，保證北港分流比不變，對(duì)福州市區(qū)的防洪是有利的。

圖9 方案2潛堤位置圖Fig.9 Location of submerged bank of Plan 2

圖10 方案3工程布置圖Fig.10 Engineering layout of Plan 3

4.2整治效果分析

4.2.1 工程后流場(chǎng)變化

方案1游泳場(chǎng)邊坡修整后，游泳場(chǎng)原水閘出口外水域漩渦減弱，游泳場(chǎng)水域流場(chǎng)較邊坡修整前歸順。方案2實(shí)施后，加大了左右側(cè)分流及流速，減弱了主泓的分流及流速。使得流量在舊洪山大橋斷面分配更均勻，減小了主橋墩間的流速，減弱了彎道環(huán)流，使得游泳場(chǎng)前沿水域流場(chǎng)更歸順。該方案將有效地消除橋下兩側(cè)漩渦，減小彎道環(huán)流，歸順游泳場(chǎng)水域的水流流態(tài)。方案3分兩個(gè)區(qū)進(jìn)行游泳場(chǎng)邊坡修正，游泳場(chǎng)邊坡修整后，與其他方案相比較，游泳場(chǎng)前沿水域流場(chǎng)比其他方案更歸順。方案3西河泵站出口下游游泳場(chǎng)寬度約160 m，游泳場(chǎng)前沿離航道比方案1和方案2要遠(yuǎn)，減小船行波對(duì)游泳場(chǎng)沙灘的作用，也增大了游泳的安全性。該方案在主流深槽處拋石整平，減小河床底部水深的梯度變化，有利于平順主流區(qū)的流速流向。由于對(duì)舊洪山橋墩間不進(jìn)行開挖，對(duì)閩江北港分流比無影響，對(duì)福州市區(qū)的防洪是有利的，但該方案對(duì)消除舊洪山橋下漩渦、減小彎道環(huán)流的效果不如方案2(圖11)。

圖11 各方案西河游泳場(chǎng)河段中水大潮落急流場(chǎng)圖Fig.11 Flow field of West River Natatorium reach in the median water discharge condition during spring tide at the times of ebb maximum in each plan

4.2.2 工程后流速變化

12-a 游泳場(chǎng)邊沿

12-b 游泳場(chǎng)中心圖12 游泳場(chǎng)河段流速分布Fig.12 Velocity distribution of natatorium reach

對(duì)河段工程前后流速進(jìn)行提取比較(見圖12,圖中橫坐標(biāo)1～11為游泳場(chǎng)上游頂端至下游頂端11個(gè)流速測(cè)點(diǎn)，相鄰測(cè)點(diǎn)距離約為100 m)，游泳場(chǎng)邊坡進(jìn)行修整后(方案1)，與工程前比較，邊坡修整后斷面形態(tài)發(fā)生變化，西河泵站出口上游工程河段，流速沿?cái)嗝姘l(fā)生調(diào)整，左岸削坡區(qū)游泳流速增大，右岸動(dòng)力、河中相對(duì)流速減小。泵站出口下游工程河段，上游過水?dāng)嗝婕哟?，使得來水加大，左岸?chǎng)中流速減小，場(chǎng)邊沿、右岸動(dòng)力、河中的流速均有所增大。方案2與方案1比較，舊洪山橋的阻水減弱明顯，橋下游的水流在西河泵站以上河段有所減小，西河泵站出口以下河段流速均有所增大。方案3與方案1相比，場(chǎng)沿點(diǎn)的流速相差不多，游泳場(chǎng)上游區(qū)水深要比前兩種方案要淺，場(chǎng)中點(diǎn)流速游泳場(chǎng)上游區(qū)要比方案1小一點(diǎn)，而游泳場(chǎng)下游區(qū)要比方案1比方案2大一點(diǎn)，該方案右岸點(diǎn)流速要比方案1和方案2略小，比工程前略大。

4.2.3 工程后水面線變化

西河游泳場(chǎng)河段治理工程(舊洪山大橋挖深、平整邊坡、潛堤、丁壩等)實(shí)施后，勢(shì)必會(huì)影響河流的過水?dāng)嗝婷娣e，對(duì)閩江北港及福州市區(qū)的防洪影響是工程方案確定前必須要評(píng)估的問題。通過模型模擬文山里一般豐水流量條件下(Q=4 000 m3s)，給出舊洪山大橋上500 m至橋下1 500 m河段工程方案后水面線對(duì)比圖(見圖13，橫坐標(biāo)0點(diǎn)為舊洪山橋上游500 m處)。由圖可見，方案2實(shí)施后加大了舊洪山橋的過流能力，對(duì)水面線的改變較大，工程實(shí)施后舊洪山橋上水位下降約8 cm, 舊洪山橋下游水位升高約10 cm, 故加大了舊洪山橋下游福州市區(qū)的防洪壓力。對(duì)于方案1、3，由于沒有對(duì)舊洪山橋橋墩間水深進(jìn)行開挖，河流的過流能力變化很小，對(duì)水面線的改變影響也很小，故對(duì)福州市區(qū)的防洪幾乎沒有影響。

圖13 工程區(qū)域河段一般豐水水面線對(duì)比圖Fig.13 Comparison of water surface profile of the general large flow in the project area

4.3推薦方案

本節(jié)提出的3種方案，對(duì)游泳場(chǎng)邊坡進(jìn)行不同程度的平整，游泳場(chǎng)原水閘出口外水域漩渦減弱，游泳場(chǎng)水域流場(chǎng)較邊坡修整前歸順。方案2采用加大大橋兩側(cè)分流的方法，減小彎道環(huán)流及漩渦對(duì)游泳場(chǎng)產(chǎn)生的危害，效果較方案1和方案3要明顯，但方案2實(shí)際上增加了舊洪山大橋的過流能力，方案實(shí)施后大橋下游水面線會(huì)有較為明顯的抬高，對(duì)福州市區(qū)的防洪不利，故不采納。

由于西河泵站引水渠出口以上是淤積區(qū)，泵站出口以下為沖刷區(qū)，上游邊灘比下游邊灘要高，方案3采用游泳場(chǎng)上游外邊線定于+1 m高程，按3%坡度向岸邊填筑；下游段游泳場(chǎng)水域外邊線定于+0 m高程，向岸邊按3%坡度削坡，較方案1節(jié)省了工程量，且下游游泳場(chǎng)區(qū)離航道較遠(yuǎn)，對(duì)游泳場(chǎng)的安全有利。此外，方案3采取了充填深坑的方法，抬高出舊洪山橋主流的水面高度，減弱跌水的射流動(dòng)能，減小對(duì)右岸頂沖的強(qiáng)度，減小彎道環(huán)流[8]，保護(hù)右岸，較方案1為優(yōu)，故本文推薦方案3。

5 結(jié)論

本文采用了數(shù)學(xué)模擬的方法，對(duì)西河游泳場(chǎng)河段的河勢(shì)、漲落急流場(chǎng)、斷面進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)河段彎道環(huán)流及漩渦會(huì)對(duì)游泳場(chǎng)的安全造成威脅，是整治工程的重點(diǎn)。提出了3種整治工程方案，并對(duì)各方案實(shí)施后的流場(chǎng)流速進(jìn)行了對(duì)比分析。方案2在舊洪山橋橋墩間進(jìn)行開挖，將從根本上消除橋下的漩渦，減小彎道環(huán)流，歸順游泳場(chǎng)水域的水流流態(tài)，但存在防洪影響的問題。方案3對(duì)游泳場(chǎng)邊坡分區(qū)進(jìn)行修整后，游泳場(chǎng)水域流場(chǎng)較邊坡修整前更歸順，下游場(chǎng)地離航道較遠(yuǎn)，對(duì)游泳場(chǎng)的安全有利；在主流深槽處拋石整平，減小河床底部水深的梯度變化，有利于平順主流區(qū)的流速流向，整治效果較方案1為優(yōu)。

因此，在天然河道游泳場(chǎng)整治過程中，除了考慮到對(duì)游泳場(chǎng)局部流場(chǎng)流態(tài)的調(diào)整之外，還要綜合考慮整治工程對(duì)河道通航、行洪的其他功能影響，并進(jìn)行綜合比選，才能得出最優(yōu)整治方案。

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Flow characteristics and regulation engineering mathematics simulation research of Minjiang River near West River Natatorium in Fuzhou

DINGJian1,SHAOYu-chen2,GUOHuai3,WANGXiao3

(1.KeyLaboratoryofCoastalDisasterandDefence,MinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.JSTIGROUP,Nanjing210098,China; 3.Huai′anWaterConservancySurveyingandDesignInstituteCo.,Ltd.,Huai′an223005,China)

Adverse flow conditions such as circulation flow and vortex are often considered as the disadvantageous factors affecting the safety of the natural bathing beach, and the formation of adverse flow relates to both the natural channel condition and human activities. In this paper, the hydrodynamic characteristics of the river and the optimized channel regulation scheme were studied by setting up a two-dimensional mathematical model that based on the analysis of Minjiang River morphology and flow condition. Research results indicate that in the process of natatorium river regulation, in addition to considering the local flow field of natatorium flow optimization adjustment, other functions of the channel such as navigation, flood discharge must be considered in order to make a comprehensive comparison.

circulation flow; vortex; river regulation

TV 133;O 242.1

：A

：1005-8443(2017)04-0374-06

2016-10-10；

：2017-02-16

丁堅(jiān)(1960-)，男，江蘇省南京人，高級(jí)工程師，主要從事港口與航道工程專業(yè)研究。

Biography：DING Jian(1960-)，male，senior engineer.