二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型在港口碼頭工程防洪影響計(jì)算中的應(yīng)用

郭上渲

（廣東中灝勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司,廣東 肇慶 526060）

0 引言

碼頭、橋梁等涉河工程因占用了河道原有的過水?dāng)嗝婷娣e,往往會(huì)對(duì)水位壅起高度、水動(dòng)力特性和沖淤平衡產(chǎn)生一定影響[1-3]。明確涉河工程對(duì)河道行洪能力及沖刷范圍的影響程度是工程建設(shè)和洪水調(diào)度的重要依據(jù)。本文采用二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型對(duì)封開海事處碼頭工程建設(shè)前后進(jìn)行精確模擬計(jì)算,在分析計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程河段水利建設(shè)現(xiàn)狀、規(guī)劃情況和有關(guān)管理要求,綜合評(píng)價(jià)工程的防洪影響。

1 工程河段水文現(xiàn)狀

碼頭工程位于封開縣賀江與西江交匯處江口下游800 m處,水系屬于珠江水系,位于北江支流西江分支。封開縣江口鎮(zhèn)匯流處集雨面積34.12 萬(wàn)km2,多年平均過境水量2291 億m3,多年平均流量7262 m3/s,含沙量0.32 kg/m3。工程區(qū)域水系見圖1。

圖1 工程所在區(qū)域水系圖

2 平面二維水流數(shù)學(xué)模型建立

平面二維水流模型主要針對(duì)工程興建前后工程局部河段水流流態(tài)和水動(dòng)力條件的變化進(jìn)行模擬,比較和分析工程對(duì)工程局部河段流速、流態(tài)等水流特性造成的影響。

2.1 基本方程

平面二維水流數(shù)學(xué)模型如下：

（1）水流連續(xù)方程

（2）沿x、y方向的水流運(yùn)動(dòng)方程

式中：H為實(shí)際水深；z為水位；h為垂線水深；n為糙率；f為Coriolis系數(shù)；εi為x、y方向的紊動(dòng)粘滯系數(shù)；uj為x、y方向的垂線平均流速。

2.2 求解方法

使用MIKE21軟件,采用穩(wěn)定性好,收斂速度快且精度較高的有限分析法九點(diǎn)格式離散模型。

2.3 模型范圍及網(wǎng)格劃分

本次評(píng)價(jià)擬對(duì)西江與賀江匯合口上游2.9 km至工程下游4.0 km的河長(zhǎng)范圍,采用二維水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行防洪影響的數(shù)值模擬計(jì)算,總計(jì)算長(zhǎng)度約7.4 km。共劃分網(wǎng)格444×101個(gè), X和Y方向網(wǎng)格平均步長(zhǎng)分別為12.4 m和22.2 m,計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格見圖2。

圖2 滲水點(diǎn)、滲水帶平面位置示意圖

2.4 計(jì)算工況

工程前—各河道現(xiàn)狀邊界,肇慶封開海事處工作船碼頭工程建設(shè)前。

工程后—肇慶封開海事處工作船碼頭工程建設(shè)后。

數(shù)學(xué)模型計(jì)算的主要內(nèi)容為工程所在水道地處西江下游河道,工程所在河道兩岸堤圍現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇,計(jì)算頻率選取P=1%、2%及5%共計(jì)3組頻率洪水水文組合進(jìn)行河道行洪壅水、流速影響計(jì)算分析。

3 計(jì)算影響分析

3.1 壅水分析計(jì)算

工程所引起的水位變化,主要是碼頭的建設(shè)改變局部地形引起的。水位壅高值及壅水范圍與工程所在河道的上游來(lái)流量和下游水位密切相關(guān)：下游水位相同,上游來(lái)流量越大,則水位壅高值越大,壅水影響范圍相應(yīng)也越大；上游來(lái)流量相同,下游水位越低,水位壅高值越大,壅水影響范圍相應(yīng)也越大。

為便于統(tǒng)計(jì)分析河段的水位變化情況,在工程上下游沿河道布置10 個(gè)水位采樣斷面,見圖3。工程方案實(shí)施后,設(shè)計(jì)洪水頻率P=1%、2%和5%下,工程上游最大壅水高度分別是0.028 m、0.025 m、0.021 m,若以0.001 m作為壅水影響最小值,則各設(shè)計(jì)洪水頻率下的上游最遠(yuǎn)影響距離主廣場(chǎng)渡口分別在950 m、800 m和750 m以內(nèi)；工程下游略有跌水,各設(shè)計(jì)洪水頻率下的最大跌水幅度為0.022 m,下游最遠(yuǎn)影響距離工程下游端1250 m以內(nèi)。

圖3 采樣斷面示意圖

由上述計(jì)算結(jié)果分析可見,工程后,在較為不利的水文組合條件下,工程造成的西江行洪水位變化值不大（變化值=工程后-工程前）。因此,肇慶封開海事處工作船碼頭工程對(duì)西江的設(shè)防洪水位影響不大。

3.2 河勢(shì)影響分析

通過水動(dòng)力條件變化、灘槽和河岸及動(dòng)力軸線變化分析對(duì)河勢(shì)的影響。

3.2.1 河道流速、流態(tài)變化

P=1%、2%和5%三種設(shè)計(jì)洪水水文組合條件進(jìn)行二維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算,工程前后流場(chǎng)見圖4。

圖4 各頻率下工程前后流場(chǎng)對(duì)比圖

（1）流速變化分析

根據(jù)工程方案布置可知,工程位于西江干流左岸,占用部分洪水過流通道。從流速變化等值線圖可見,工程所在河道流速變化的一般規(guī)律為碼頭上下游附近區(qū)域有所減小,工程河段靠主槽一側(cè)附近略有所增大。由于工程改變河床局部地形,工程位置及岸坡附近區(qū)域流速有所減小,由于工程建成后產(chǎn)生束水作用,工程河段靠主槽一側(cè)附近略有所增大。

通過在模型范圍內(nèi)布置的流速采樣點(diǎn)流速變化及流速等值線變化,量化工程建設(shè)后對(duì)河道流速影響的范圍顯示,各洪水頻率下,以流速變化0.001 m/s為界限,工程位置上游河道的最遠(yuǎn)影響距離為距離工程上游端950 m以內(nèi),對(duì)下游河道的影響距離為距離工程下游端1250 m以內(nèi)。

（2）流向變化分析

從流向看,工程建成后,對(duì)工程所處位置附近河道流向存在一定的影響,河道主流仍基本平順,但由于碼頭建設(shè)引起的局部地形變化,工程附近流態(tài)略有調(diào)整。流向變化較大的位置主要位于工程上游28#采樣點(diǎn)處,其他水域流向變化幅度基本在1.5°以內(nèi),以流向變化0.1°為界限,對(duì)工程位置上游河道的最遠(yuǎn)影響距離為工程上游端950 m以內(nèi),對(duì)下游河道的影響距離為距離工程下游端在1250 m以內(nèi)。

因此,總體來(lái)看,除工程附近位置流速和流向變化幅度略大外,其他位置流速影響幅度在0.001 m/s以內(nèi),流向變化幅度在1.5°以內(nèi),可見工程主要對(duì)工程位置及下游河道流速及流向的有所影響,影響范圍在距離工程上游端950 m至距離工程下游端在1250 m以內(nèi)。工程建設(shè)后,西江河道整體流態(tài)平順,流速變化區(qū)域主要局限在工程近區(qū),影響范圍及幅度均較小,工程對(duì)所在河道整體流速、流態(tài)影響不大。

3.2.2 動(dòng)力軸線的變化

圖5給出了設(shè)計(jì)洪水頻率為P=1%時(shí),工程前后附近河道水動(dòng)力軸線分布?？梢?工程建成后,整個(gè)河段主槽水流動(dòng)力軸線基本無(wú)變化。工程附近,工程上游50 m至下游河道約60 m范圍內(nèi)的水動(dòng)力軸線略向右岸偏移,最大偏移距離約1.3 m,因此,工程后由于河道總體流勢(shì)沒有改變,水流動(dòng)力軸線在工程段的局部調(diào)整不會(huì)改變整個(gè)河道的水沙動(dòng)力分配格局。

圖5 工程前后動(dòng)力軸線變化圖

3.2.3 灘槽和岸線變化

工程引起河道地形的變化,局限在工程附近局部水域。主要變化原因是碼頭阻水,改變了工程近區(qū)的水流形態(tài)和結(jié)構(gòu)。

由前面的章節(jié)介紹和分析可知,工程對(duì)西江河道水動(dòng)力狀態(tài)的改變主要局限于工程附近,對(duì)整體河勢(shì)影響不大,不會(huì)改變河道的整體灘槽分布現(xiàn)狀。

從流速差等值線圖成果可見,工程興建后,除工程近區(qū)局部水域外,近岸流速最大減小在0.030 m/s內(nèi),工程所在河道兩岸岸灘穩(wěn)定,水流沖刷對(duì)河道岸線不致產(chǎn)生較大的不利影響。

3.2.4 沖淤演變分析

根據(jù)二維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果,可以從流速的變化來(lái)定性分析工程建設(shè)前后河床的沖淤變化。工程修建后,受工程束水作用的影響,工程局部水域水動(dòng)力條件會(huì)發(fā)生調(diào)整,對(duì)局部沖淤有所影響,主要表現(xiàn)在工程興建后,工程束窄了河道的過流面積,水流受到一定程度的擠壓,碼頭前沿局部流速略增加,水流動(dòng)力和挾沙力略微增強(qiáng),河床切應(yīng)力略微加大,河床泥沙運(yùn)動(dòng)略有所增大,將會(huì)產(chǎn)生局部略微淘刷、沖深情況；工程上下游附近水域流速有所減小,水流動(dòng)力和挾沙力略微減弱,部分泥沙可能會(huì)落淤,其它水域因水動(dòng)力環(huán)境改變甚微,其地形基本不會(huì)有太大變化。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）工程建設(shè)后,西江河道整體流態(tài)平順,流速變化區(qū)域主要局限在工程近區(qū),影響范圍及幅度均較小,工程對(duì)所在河道整體流速、流態(tài)影響不大。

（2）工程后由于河道總體流勢(shì)沒有改變,水流動(dòng)力軸線在工程段的局部調(diào)整不會(huì)改變整個(gè)河道的水沙動(dòng)力分配格局。

（3）工程對(duì)西江下游河道的水流動(dòng)力特性不致產(chǎn)生較大的不利影響,相鄰水道的流量變化不顯著,對(duì)河道灘槽和岸線變化影響較小,應(yīng)不致對(duì)工程所在河道以及周邊相鄰水道的整體河勢(shì)和局部河勢(shì)穩(wěn)定造成明顯影響。

（4）工程上下游附近水域水動(dòng)力環(huán)境有所改變,但對(duì)沖淤平衡影響有限,其他區(qū)域地形基本不會(huì)有太大變化。