基于平面二維數(shù)值模擬的長江世業(yè)洲分汊河道水流特性研究

吳昌洪，姚 瑤

（廣西水利科學(xué)研究院，南寧 530023）

長江是我國第一大河流，長江干流宜昌至城陵磯段共有11個(gè)分汊河段，城陵磯至徐六徑段共有44個(gè)分汊河段，分汊河道在長江中下游地位突出[1]。人類活動(dòng)尤其是大中型水利樞紐的興建往往會(huì)改變河流系統(tǒng)的環(huán)境，對(duì)于大中型水利樞紐的下游河道，來水來沙條件（來流過程、含沙量、泥沙級(jí)配）都將發(fā)生改變，導(dǎo)致下游河勢(shì)的調(diào)整和河床再造床的發(fā)生[2]。上游河勢(shì)條件的改變將影響分汊河道的演變，特別是上游來水入流角度的改變，導(dǎo)致主流流向的擺動(dòng)，引起洲頭頂沖點(diǎn)位置和各汊道入流條件的變化，勢(shì)必影響主、支汊的穩(wěn)定性，改變分汊河段河床沖淤調(diào)整的趨勢(shì)。

本文選取長江中下游典型分汊河道—鎮(zhèn)揚(yáng)河段世業(yè)洲分汊河道為研究對(duì)象，通過Delft 3D軟件，模擬研究世業(yè)洲分汊河道上游單一段入流角度改變后，對(duì)世業(yè)洲分汊河道水流特性的影響，包括世業(yè)洲左汊、右汊分流比，分流區(qū)、分汊區(qū)、匯流區(qū)的斷面流速分布。

1 Delft 3D模型簡介

Delft 3D主要應(yīng)用于自由地表水環(huán)境的模擬。該軟件框架靈活，能模擬二維（水平面或豎直面）和三維的水流（Flow）、波浪（Waves）、泥沙（Sediments）、水動(dòng)力（Hydrodynamics）、水質(zhì)（Waq）和生態(tài)（Eco），各個(gè)過程之間可以相互作用，同時(shí)，系統(tǒng)有強(qiáng)大的前后處理功能，實(shí)現(xiàn)了與GIS的無縫鏈接，并可與Matlab環(huán)境相結(jié)合，支持不同格式的圖形、圖像和動(dòng)畫仿真等功能。

2 世業(yè)洲分汊河段概況

鎮(zhèn)揚(yáng)河段位于江蘇鎮(zhèn)江和揚(yáng)州之間，上起三江口，下迄五峰山，河段全長約為74 km，為長江中下游重點(diǎn)治理河段。河段自上而下分為儀征水道（該水道又分為儀征水道上段和世業(yè)洲分汊段）、六圩彎道、和暢洲汊道以及大港水道，見圖1。

世業(yè)洲分汊段，自世業(yè)洲汊道泗源溝至瓜洲渡口，長24.7 km，右汊是主汊，長15.8 km，為曲率適度的彎曲河道，平均河寬約1.45 km；左汊為支汊，長13.5 km，呈順直型，汊內(nèi)有鷹膀子洲和新冒洲交錯(cuò)依附于兩岸，平均河寬約880 m。長江主流出儀征水道上段后，由左向右過渡至世業(yè)洲右汊，主流沿高資彎道右岸下行至龍門口附近與左汊支流匯合后，再向左岸過渡至六圩彎道[3]。

圖1 鎮(zhèn)揚(yáng)河段

3 驗(yàn)證區(qū)域的模擬

先運(yùn)用Delft 3D模型的二維計(jì)算模塊對(duì)原世業(yè)洲分汊河道（即入流角度為0°時(shí)）河段進(jìn)行平面二維數(shù)值模擬。

本文僅考慮特定流量級(jí)下世業(yè)洲分汊河段的水流分布，故采用恒定流模式計(jì)算，即入口流量、出口水位不隨時(shí)間變化。模型采用該河段實(shí)測(cè)水面線及1#、2#、3#、4#共4個(gè)斷面的實(shí)測(cè)流速來驗(yàn)證模型的可靠性。1#、2#、3#、4#斷面布置如圖2所示。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，大通水文站流量為18 300 m3/s，瓜洲渡口水位為1.67 m。故采用18 300 m3/s流量作為入口流量，以瓜州渡口水位1.67 m作為出口水位。河床糙率用曼寧系數(shù)n表示，根據(jù)鎮(zhèn)揚(yáng)河段實(shí)測(cè)資料，河床糙率系數(shù)n在0.017～0.029之間變化，其平均糙率為0.023[4]。糙率大小通常隨河床地形而變化，主槽糙率小，灘地糙率大。計(jì)算河段糙率按主槽、灘地（邊灘和江心灘）劃分，取值范圍為0.017～0.029。

模型采用世業(yè)洲分汊河段2012年10月的實(shí)測(cè)地形資料，起點(diǎn)為泗源溝上游4 km處，終點(diǎn)為瓜洲渡口下游2 km處，全長約為30 km。模型采用貼體正交曲線網(wǎng)格，計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)共25 600個(gè)，其中ξ方向網(wǎng)格總數(shù)420個(gè)，平均網(wǎng)格大小約為60 m，η方向網(wǎng)格總數(shù)80個(gè)，分汊區(qū)中段網(wǎng)格最大，平均為75 m，上游單一段和下游單一段網(wǎng)格最小，約為25 m。

模擬河段的水下地形由原始的實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行插值獲得。在原始樣點(diǎn)數(shù)據(jù)較多、密度較大的地方，采用平均插值法；在原始數(shù)據(jù)相對(duì)較少的區(qū)域采用三角插值法。

世業(yè)洲分汊河道左汊分流比實(shí)測(cè)值與計(jì)算值分別為35.6%、35.8%；右汊分流比實(shí)測(cè)值與計(jì)算值分別為64.4%，64.2%。左汊和右汊分流比的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差均為0.2%，基本符合要求。

圖2 世業(yè)洲分汊河道水下地形圖

圖3 、圖4為世業(yè)洲分汊河段左汊水面線和右汊水面線的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較圖。從圖中可以看出計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差不大，左汊最大水位差為0.08 m，右汊最大水位差為0.09 m。結(jié)果表明：在所給出的邊界條件和參數(shù)設(shè)置下，沿程水面線的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本吻合。

圖3 左汊水面線圖

圖4 右汊水面線

圖5 ～圖8為各斷面流速橫向分布的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較。統(tǒng)計(jì)分析了各斷面流速計(jì)算與實(shí)測(cè)值的誤差，1#斷面流速最大相差0.08 m/s，2#斷面流速最大相差0.1 m/s，3#斷面流速最大相差0.05 m/s，4#斷面流速最大相差0.12 m/s。從圖5～圖8可以看出，斷面流速橫向分布的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值大致相同。

綜上水位、分流比、流速驗(yàn)證成果，模型水流運(yùn)動(dòng)與原型基本相似，模型設(shè)計(jì)合理，模型水流要素滿足要求，正確模擬了天然河道水流運(yùn)動(dòng)形態(tài)。因此，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的計(jì)算，其成果是可靠的。

圖5 1#斷面流速橫向分布圖

圖6 2#斷面流速橫向分布圖

圖7 3#斷面流速橫向分布圖

圖8 4#斷面流速橫向分布圖

4 入流角度對(duì)世業(yè)洲分汊河道水流特性的影響

上節(jié)計(jì)算的驗(yàn)證結(jié)果表明，用該模型模擬世業(yè)洲分汊河道的水力特性是可靠的。假定原世業(yè)洲分汊河道的上游單一河道的入流角度為0°，以上游單一河道的中心線為基準(zhǔn)，上游單一河道分別向左擺動(dòng)30°、60°，向右擺動(dòng)30°、60°。入流角度0°、入流角度左偏30°、入流角度左偏60°、入流角度右偏30°、入流角度右偏60°的地形及斷面布置圖如圖9～13所示。分流區(qū)F斷面、分汊區(qū)L1、L2、L3、R1、R2、R3斷面、匯流區(qū)H斷面布置在地形圖上，見圖9～13。F斷面與L1、R1相距約1 km；左汊以約5.5 km間距分別布置L1、L2、L3斷面，右汊以約6.5 km間距分布布置R1、R2、R3斷面；H斷面與L3、R3相距約2.5 km。

圖9 入流角度0°（原分汊河道）地形圖

圖10 入流角度左偏30°地形圖

圖11 入流角度左偏60°地形圖

圖12 入流角度右偏30°地形圖

圖13 入流角度右偏60°地形圖

模型入口流量選取枯水流量、驗(yàn)證流量、多年平均流量、平灘流量及相應(yīng)的水位（瓜洲渡口水位），如表1所示。

表1 入口流量與出口水位表

模擬上述5種入流角度情況下，網(wǎng)格、糙率等參數(shù)設(shè)置跟上節(jié)一致。

4.1 入流角度對(duì)分流比的影響

改變世業(yè)洲分汊河道上游單一段的入流角度，主流流向改變，對(duì)下游分汊河道的分流比產(chǎn)生了較大的影響。

表2為世業(yè)洲分汊河道左、右汊的分流比。在5種不同入流角度下，左汊的分流比均隨流量的增加而增大，右汊的分流比均隨流量的增加而減?。辉?級(jí)不同流量條件下，左偏入流角度，左汊分流比均增大，右汊分流比均減小，左偏角度越大，左汊分流比越大，右汊分流比越?。辉?級(jí)不同流量條件下，右偏入流角度，左汊分流比均減小，右汊分流比均增加，右偏角度越大，左汊分流比越小，右汊分流比越大。

表2 世業(yè)洲分汊河道左、右汊分流比

4.2 入流角度對(duì)斷面流速分布的影響

圖14～圖17為分流區(qū)F斷面流速分布圖，可看出5種不同入流角度條件下，F(xiàn)斷面平均流速均隨流量的增大而增大。在4級(jí)不同流量條件下，左偏角度越大，流速越?。挥覀?cè)流速大于0°時(shí)右側(cè)流速，左偏角度越大，流速越大。在4級(jí)不同流量條件下，右偏角度越大，流速越大；右側(cè)流速小于0°時(shí)右側(cè)流速，右偏角度越大，流速越小。

圖14 F斷面流速分布（14 000 m3/s流量）

圖15 F斷面流速分布（18 300 m3/s流量）

圖16 F斷面流速分布（28 500 m3/s流量）

圖17 F斷面流速分布（46 000 m3/s流量）

圖18～圖41為分汊區(qū)左汊L1、L2、L3，右汊R1、R2、R3斷面流速分布圖，可看出5種不同入流角度條件下，左汊、右汊各斷面平均流速均隨流量的增大而增大。

從圖18～圖29可看出，左汊L1斷面、L2斷面、L3斷面，在4級(jí)不同流量條件下，左偏30°、左偏60°時(shí)斷面平均流速均大于0°時(shí)斷面平均流速，左偏角度越大，斷面平均流速越大；右偏30°、右偏60°時(shí)斷面平均流速均小于0°時(shí)斷面平均流速，右偏角度越大，斷面平均流速越小。圖30～圖41可看出，右汊R1斷面、R2斷面、R3斷面，在4級(jí)不同流量條件下，左偏30°、左偏60°時(shí)斷面平均流速均小于0°時(shí)的斷面平均流速，左偏角度越大，斷面平均流速越?。挥移?0°、右偏60°時(shí)斷面平均流速均大于0°時(shí)斷面平均流速，右偏角度越大，斷面平均流速越大。

從圖18～圖21可看出，L1斷面在4級(jí)不同流量條件下，左偏30°、左偏60°時(shí)，左側(cè)流速增加幅度明顯大于右側(cè)流速增加幅度，左偏角度時(shí)對(duì)左側(cè)流速影響較大，對(duì)右側(cè)流速影響較??；右偏30°、右偏60°時(shí)，左側(cè)流速減少幅度較大，右側(cè)流速大小變化不大，說明右偏角度時(shí)對(duì)左側(cè)流速影響較大，對(duì)右側(cè)流速影響較??；可見不管左偏，還是右偏角度，均對(duì)L1斷面的左側(cè)流速影響較大，右側(cè)影響較小。

從圖22～圖25可看出，L2斷面在14 000 m3/s和18 300 m3/s流量下，左偏30°、左偏60°時(shí)流速的增加幅度明顯大于28 500 m3/s和46 000 m3/s流量下流速的增加幅度，說明左偏角度時(shí)，小流量條件下，對(duì)斷面流速影響較大，大流量條件下，對(duì)斷面流速影響較小。4級(jí)不同流量條件下，右偏30°時(shí)斷面流速均減少，左側(cè)流速減少幅度大于右側(cè)流速減少幅度。4級(jí)不同流量條件下，右偏60°時(shí)左側(cè)流速大于右偏30°時(shí)的左側(cè)流速而小于0度時(shí)左側(cè)流速，說明隨著右偏的角度增大，左側(cè)流速有先減少后增大的趨勢(shì)。

從圖26～圖29可看出，L3斷面在14 000 m3/s和18 300 m3/s流量下，左偏30°、左偏60°時(shí)左側(cè)流速的增加幅度明顯大于右側(cè)流速增加的幅度，但在28 500 m3/s和46 000 m3/s流量下，左側(cè)流速的增加幅度明顯小于右側(cè)流速增加的幅度，說明小流量條件下，左偏角度對(duì)左側(cè)流速影響較大，對(duì)右側(cè)流速影響較小，大流量條件下，對(duì)左側(cè)流速影響較小，對(duì)右側(cè)流速影響較大。14 000 m3/s和18 300 m3/s流量下，右偏30°、右偏60°時(shí)右側(cè)流速的減少幅度明顯大于左側(cè)流速減少的幅度，但在28 500 m3/s和46 000 m3/s流量下，右側(cè)流速的減少幅度明顯小于左側(cè)流速減少的幅度，說明小流量條件下，右偏角度對(duì)右側(cè)流速影響較大，對(duì)左側(cè)流速影響較小，大流量條件下，對(duì)左側(cè)流速影響較大，對(duì)右側(cè)流速影響較小。

從圖30～圖33可看出，R1斷面在4級(jí)不同流量條件下，左偏60°時(shí)左側(cè)流速大于左偏30°和0°時(shí)的流速，說明左偏角度時(shí)，左側(cè)流速有先減少后增大的趨勢(shì)。

從圖34～圖37可看出，R2斷面在14 000 m3/s和18 300 m3/s流量下，左偏30°、左偏60°時(shí)流速增加幅度大于28 500 m3/s和146 000 m3/s流量下流速的增加幅度，說明隨著流量的增大，左偏角度對(duì)斷面流速的影響減弱；4級(jí)不同流量條件下，右偏30°、右偏60°時(shí)，左側(cè)流速增加幅度小于右側(cè)流速增加幅度，說明右偏角度對(duì)左側(cè)流速影響較小，對(duì)右側(cè)流速影響較大。

從圖38～圖41可看出，R3斷面在4級(jí)不同流量條件下，右偏30°、右偏60°時(shí)，左側(cè)流速增加幅度明顯大于右側(cè)流速增加幅度，說明右偏角度對(duì)左側(cè)流速影響較大，對(duì)右側(cè)流速影響較小。4級(jí)不同流量條件下，左偏30°、左偏60°時(shí)，左側(cè)流速增加幅度明顯小于右側(cè)流速增加幅度，說明左偏角度時(shí)，對(duì)左側(cè)流速影響較小，右側(cè)流速影響較大。

從圖42～圖45為匯流區(qū)H斷面流速分布圖，可看出5種不同入流角度條件下，H斷面平均流速均隨流量的增大而增大。在5種不同入流角度條件下，H斷面流速分布形成了與分流區(qū)F斷面相反的情形。在4級(jí)不同流量條件下，左偏30°、左偏60°時(shí)左側(cè)流速大于0°時(shí)左側(cè)流速，左偏角度越大，流速越大；右側(cè)流速小于0°時(shí)右側(cè)流速，左偏角度越大，流速越小。在4級(jí)不同流量條件下，右偏30°、右偏60°時(shí)左側(cè)流速小于0°時(shí)左側(cè)流速，右偏角度越大，流速越??；右側(cè)流速大于0°時(shí)右側(cè)流速，右偏角度越大，流速越大。

圖18 L1斷面流速分布（14 000 m3/s流量）

圖19 L1斷面流速分布（18 300 m3/s流量）

圖20 L1斷面流速分布（28 500 m3/s流量）

圖21 L1斷面流速分布（46 000 m3/s流量）

圖22 L2斷面流速分布（14 000 m3/s流量）

圖23 L2斷面流速分布（18 300 m3/s流量）

圖24 L2斷面流速分布（28 500 m3/s流量）

圖25 L2斷面流速分布（46 000 m3/s流量）

圖26 L3斷面流速分布（14 000 m3/s流量）

圖27 L3斷面流速分布（18 300 m3/s流量）

圖28 L3斷面流速分布（28 500 m3/s流量）

圖29 L3斷面流速分布（16 000 m3/s流量）

圖30 R1斷面流速分布（14 000 m3/s流量）

圖31 R1斷面流速分布（18 300 m3/s流量）

圖32 R1斷面流速分布（28 500 m3/s流量）

圖33 R1斷面流速分布（46 000 m3/s流量）

圖34 R2斷面流速分布（14 000 m3/s 流量）

圖35 R2斷面流速分布（18 300 m3/s流量）

圖36 R2斷面流速分布（28 500 m3/s流量）

圖37 R2斷面流速分布（46 000 m3/s流量）

圖38 R3斷面流速分布（14 000 m3/s流量）

圖39 R3斷面流速分布（18 300 m3/s流量）

圖40 R3斷面流速分布（28 500 m3/s流量）

圖41 R3斷面流速分布（46 000 m3/s流量）

圖42 H斷面流速分布（14 000 m3/s流量）

圖43 H斷面流速分布（18 300 m3/s流量）

圖44 H斷面流速分布（28 500 m3/s流量）

圖45 H斷面流速分布（46 000 m3/s流量）

5 結(jié)論

本文主要通過運(yùn)用Delft 3D模擬研究水流以不同入流角度進(jìn)入世業(yè)洲分汊河道，對(duì)分汊河道水流特性影響，得到以下結(jié)論。

（1）不同入流角度條件下，左汊的分流比均隨流量的增加而增大，右汊的分流比均隨流量的增加而減小。

（2）各級(jí)不同流量條件下，左偏入流角度，左汊分流比均增大，右汊分流比均減小，左偏角度越大，左汊分流比越大，右汊分流比越小；各級(jí)不同流量條件下，右偏入流角度，左汊分流比均減小，右汊分流比均增加，右偏角度越大，左汊分流比越小，右汊分流比越大。

（3）不同入流角度條件下，左汊、右汊各斷面平均流速均隨流量的增大而增大。

（4）對(duì)于分流區(qū)斷面，在各級(jí)不同流量下，左偏入流角度，左側(cè)流速減小，左偏角度越大，流速越?。挥覀?cè)流速增大，左偏角度越大，流速越大。在各級(jí)不同流量條件下，右偏入流角度，左側(cè)流速增大，右偏角度越大，流速越大；右側(cè)流速減少，右偏角度越大，流速越小。

（5）對(duì)于分汊區(qū)左汊斷面，各級(jí)不同流量條件下，左偏入流角度，左汊斷面平均流速增大，左偏角度越大，斷面平均流速越大；右偏入流角度，左汊斷面平均流速減小，右偏角度越大，斷面平均流速越小。對(duì)于分汊區(qū)右汊斷面，各級(jí)不同流量條件下，左偏入流角度，右汊斷面平均流速減小，左偏角度越大，斷面平均流速越??；右偏入流角度，右汊斷面平均流速減小，右偏角度越大，斷面平均流速越大。

（6）對(duì)于匯流區(qū)斷面，在各級(jí)不同流量條件下，左偏入流角度，左側(cè)流速增大，左偏角度越大，流速越大；右側(cè)流速減小，左偏角度越大，流速越小。在各級(jí)不同流量條件下，右偏入流角度，左側(cè)流速減小，右偏角度越大，流速越小；右側(cè)流速增大，右偏角度越大，流速越大。與分流區(qū)斷面流速分布相反。