MIKE模型在長江下游河段涉河工程洪水影響分析中的應(yīng)用

曾慧俊

(安徽省長江河道管理局,安徽 蕪湖 241000)

隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,許多計(jì)算軟件在中國的河流模型計(jì)算中廣泛應(yīng)用[1-3]。其中由丹麥開發(fā)的MIKE21軟件可以用于模擬各種作用力下河道水位及流速的變化。河道中涉河工程的建設(shè)勢(shì)必將改變河道過流條件,進(jìn)而影響局部流場(chǎng),利用MIKE模型對(duì)工程建設(shè)前后水位流速變化進(jìn)行計(jì)算分析,為評(píng)價(jià)涉河工程對(duì)河道行洪能力的影響提供數(shù)據(jù)支撐。

1 河道概況

黑沙洲河段與蕪裕河段均屬蕪湖市管轄。其中黑沙洲河段上起繁昌縣荻港與銅陵河段相接,下至三山河口與蕪裕河段上段相連,為首尾束窄、中間展寬的典型鵝頭分汊河段。分汊段內(nèi)有天然洲、黑沙洲,分水流為左、中、右三汊,高水位時(shí),右汊微彎、中汊順直、左汊彎曲。蕪裕河段上段平面形態(tài)呈微彎“∽”型,江中潛洲將水流分為左右兩汊,左汊為主汊。從高安圩至頭棚為上彎段,深槽傍右岸,左岸是大套溝邊灘；過頭棚后深槽擺向左岸進(jìn)入下彎段,在三壩以下深槽貼左岸下延至大拐,而右岸是大白茆邊灘。該段右岸高安圩—保定圩、左岸三壩—大拐為水流貼岸區(qū)(圖1)。

本次涉河工程為一高樁梁板碼頭,位于長江黑沙洲河段出口匯流段右岸。

2 模型建立

2.1 計(jì)算原理

平面二維水流數(shù)學(xué)模型的基本方程包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程,在笛卡爾坐標(biāo)系下的控制方程形式如下。

連續(xù)性方程為:

(1)

x向和y向運(yùn)動(dòng)方程為:

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation of computation area

圖3 驗(yàn)證流場(chǎng)圖Fig.3 Verification of flow field diagram

(2)

(3)

式中:t為時(shí)間；x、y為笛卡爾坐標(biāo)的兩坐標(biāo)軸；η為水面高程；d為水深；h=η+d為總水深；u、v為對(duì)應(yīng)于x、y的速度分量；f=2Ωsinφ為科氏力(φ為緯度)；g為重力加速度；ρ為密度；ρ0為相對(duì)密度；vt為渦粘系數(shù)；Pa為大氣壓強(qiáng)；S為源匯項(xiàng)的流量(us、vs為源匯項(xiàng)對(duì)應(yīng)的速度分量)。

在二維的水動(dòng)力模塊中流速是一個(gè)平均的概念:

(4)

2.2 計(jì)算網(wǎng)格

計(jì)算區(qū)域內(nèi)地形比較復(fù)雜,為了合理布置計(jì)算網(wǎng)格,本文采用Delaunay三角化法對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并在工程位置附近進(jìn)行了加密。在計(jì)算區(qū)域內(nèi)共布置了17 945個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和34 882個(gè)計(jì)算單元,其中工程附近計(jì)算網(wǎng)格間距約為20 m。工程河段的網(wǎng)格布置圖見圖2。

2.3 參數(shù)設(shè)置與模型驗(yàn)證

采用2007年6月洪水季實(shí)測(cè)水文資料與2017年3月枯水季水文資料進(jìn)行厘定與驗(yàn)證。模型按曼寧公式計(jì)算斷面平均糙率,作為初始計(jì)算的糙率值?？紤]到糙率隨水深具有深水區(qū)比淺水區(qū)糙率小的變化趨勢(shì),模型計(jì)算中用節(jié)點(diǎn)水深對(duì)斷面平均糙率進(jìn)行修正,再根據(jù)水位、流場(chǎng)情況對(duì)糙率系數(shù)進(jìn)行分段調(diào)試。本河段糙率取值范圍為主槽0.017～0.020 ,灘地0.022～0.028。

模型對(duì)2017年3月(Q=16 700 m3/s)實(shí)測(cè)的黑沙洲左右汊分流比、固定斷面水位及流速進(jìn)行了驗(yàn)證,驗(yàn)證流場(chǎng)、流速及潮位見圖3-圖5。

以上表明,經(jīng)調(diào)試后的模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好,其最大誤差不超過2%,精度達(dá)到評(píng)價(jià)計(jì)算要求。

2.4 建設(shè)項(xiàng)目概化

建設(shè)項(xiàng)目為一座高樁梁板式碼頭,碼頭平臺(tái)長112 m、寬20 m,平臺(tái)下部采用鋼管樁基礎(chǔ)；碼頭接岸引橋總長約244.4 m,引橋標(biāo)準(zhǔn)排架間距為16 m,基礎(chǔ)采用Φ800PHC管樁和Φ800鉆孔灌注樁。

涉河工程對(duì)河道的影響主要體現(xiàn)為兩方面:一是工程施工改變了原過流灘地地形;二是建筑物構(gòu)造增加了水流阻力。為了反映建設(shè)項(xiàng)目對(duì)河道地形的改變,在模型計(jì)算中采用以下兩種方法:一是對(duì)局部地形進(jìn)行修正,將工程施工后的地形高程點(diǎn)納入到模型計(jì)算地形中；二是通過計(jì)算現(xiàn)有樁基礎(chǔ)減小的拖曳力來反映碼頭樁基礎(chǔ)對(duì)水流的阻力,每個(gè)樁基礎(chǔ)上減小的拖曳力在MIKE21中通過動(dòng)量公式轉(zhuǎn)化為切應(yīng)力來計(jì)算,即:

τp·Δx·Δy=n·F

(5)

式中:τp為切應(yīng)力;F為樁基礎(chǔ)上的拖曳力;n為每個(gè)計(jì)算網(wǎng)格上樁基礎(chǔ)個(gè)數(shù)(即分布密度);Δx、Δy為計(jì)算

圖4 典型斷面流速驗(yàn)證Fig.4 Verification of flow velocity in typical section

圖5 典型斷面潮位驗(yàn)證Fig.5 Verification of tidal level in typical sections

網(wǎng)格邊長。拖曳力F由以下公式來計(jì)算:

F=1/2·ρCDBeHe·V2

(6)

式中:CD為拖曳力系數(shù);ρ為水密度;Be為柱體的影響寬度;He為樁基礎(chǔ)阻水長度;V為水流流速。

3 不同洪水組合下建設(shè)項(xiàng)目對(duì)河道行洪能力的影響

為分析工程修建后對(duì)長江行洪的影響,計(jì)算方案主要考慮長江汛期高水位條件,同時(shí)也兼顧中水位下工程前后水位、流場(chǎng)變化。選擇長江下游防洪設(shè)計(jì)水位對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水流量(Q=92 600 m3/s)、1998年洪水流量(Q=82 300 m3/s),及平灘流量(Q=45 000 m3/s)作為本次計(jì)算的洪水條件(表1、表2)。

分析計(jì)算結(jié)果,通過工程建設(shè)前后局部河道水位變化圖(圖6)可以看出,碼頭項(xiàng)目建成后,工程局部區(qū)域內(nèi)水位變化主要體現(xiàn)為碼頭平臺(tái)上游水位壅高,碼頭平臺(tái)下游水位降低。三種工況下設(shè)計(jì)洪水流量影響范圍與極值均大于后兩種工況,水位最大增加0.9 cm,最大降低1.3 cm,水位變化值>0.2 cm的范圍為碼頭平臺(tái)上游150 m至平臺(tái)下游660 m。通過工程建設(shè)前后局部河道流速變化圖(圖7)可以看出,碼頭平臺(tái)的建設(shè)壓縮了河道過流斷面,主要表現(xiàn)為碼頭平臺(tái)上下游流速減小,外側(cè)局部區(qū)域流速增大。在設(shè)計(jì)洪水流量下,流速最大增加值為0.08 m/s,最大減小值為0.21 m/s。

表1 工程前后水位變化表Table 1 Water level change table before and after construction

表2 工程前后流速變化表Table 2 Variation table of flow velocity before and after construction

在設(shè)計(jì)洪水流量條件下,天然洲被水淹沒,此處只考慮1998年洪水流量和平灘流量條件下碼頭工程對(duì)天然洲分流比的影響。表3給出了1998年洪水流量及平灘流量條件下天然洲右汊分流比的變化,由表3可知,碼頭項(xiàng)目的實(shí)施將導(dǎo)致天然洲右汊分流比的減少,但減小值很小。

表3 工程實(shí)施前后天然洲右汊分流比Table 3 The diversion ratio of the right branch of natural continents before and after the implementation of the project

圖6 不同工況下局部水位變化Fig.6 Local water level change under different conditions

圖7 不同工況下局部流速變化Fig.7 Local velocity variation under different working conditions

4 結(jié)語

本文基于MIKE模型,計(jì)算分析了某碼頭項(xiàng)目的建設(shè)對(duì)長江下游蕪湖河段河道行洪能力的影響。通過研究計(jì)算過程與分析計(jì)算結(jié)果,結(jié)論如下:

(1) MIKE模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)水文資料吻合較好,精度滿足洪水評(píng)價(jià)要求,能反映出本河段的水流運(yùn)動(dòng)特性。

(2) 模型采用局部地形高程修正與碼頭樁基礎(chǔ)拖曳力減小兩種概化方法,可以較好地模擬出碼頭類工程建設(shè)前后對(duì)局部流場(chǎng)的影響。

(3) 碼頭項(xiàng)目建設(shè)對(duì)河道局部水位及流場(chǎng)的影響較小,對(duì)主流位置及汊道分流比影響較小,不會(huì)對(duì)河勢(shì)產(chǎn)生明顯不利影響。