北江丁壩群水動力特性數值模擬及其對通航安全的影響研究

關鍵詞：丁壩群；通航；水動力模型；北江

中圖分類號：TV863 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）11-0097-11

北江航道不僅是韶關、清遠、佛山等城市之間的水上橋梁，更是推動其流域內經濟社會發(fā)展的重要動力源泉。近年來，隨著北江航道擴能升級項目的推進，航道等級從韶關孟洲壩至佛山三水河口由Ⅴ級提升為Ⅲ級，成功構建了一條千噸級的航道，顯著增強了北江的航運能力［1］。然而，在航道運輸日益繁忙的今天，通航安全問題愈發(fā)凸顯，成為制約北江航運進一步發(fā)展的關鍵因素。

在航道的整治與維護過程中，丁壩作為一種常見的工程結構，發(fā)揮著不可或缺的作用。北江干流英德段，河道曲折多變，水流條件復雜，因此采用了重點整治的筑壩措施［2］。丁壩在此不僅作為整治性建筑物，通過束窄航道、調整流態(tài)來滿足航道水深要求［3］，同時也作為維護性建筑物，設置于彎道附近，減小流速，保護河岸免受水流沖刷，從而穩(wěn)定航道［4］。在北江航道的改造和提升過程中，丁壩因其成本低廉、效果顯著得到了廣泛應用。

國內外學者對于丁壩整治河段對通航的影響進行了大量研究。王平義等［5］采用二維淺水非恒定流數學模型，深入分析了長江單丁壩整治河段主流線的時間和空間分布；王慧［6］則聚焦于丁壩附近水流對船舶航行的影響，探討了丁壩對船舶通航安全的影響距離；Moghispour等［7］通過18種不同的丁壩安裝布置進行實驗研究，探究丁壩對上下游航道水位的影響；Zhang等［8］針對不同挑角情況進行了丁壩局部沖刷坑的演化過程試驗，探究丁壩對航道局部沖刷的影響。然而，這些研究多集中于順直河道或機理模型，對于天然河道中丁壩群的整體影響研究尚顯不足，且多數研究采用二維模型，難以全面反映實際三維流場中的復雜情況［9］。

北江航道在擴能升級過程中，新建了多座丁壩，并對部分丁壩進行了改造。然而，北江流域洪澇災害頻發(fā)［10］，特別是“22·6”洪水過后，航道地形發(fā)生了顯著變化。這種地形變化使得原有地形條件下的丁壩對通航影響的研究變得不再適用。特別是北江中游英德段，丁壩數量眾多，河道彎曲，水流作用機理極為復雜，這使得現有研究成果難以直接應用于該區(qū)域的丁壩群效用機制分析。

因此，本文選取北江中游英德段23 km的河道作為研究對象，于2023年10月采用聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP）技術對該河段水下地形進行了精細測量。同時，利用開源數學模型非結構網格海洋環(huán)流與生態(tài)模型（Finite Volume Coastal Ocean Model，FVCOM）構建了該河段的三維水動力數值模擬系統，對比分析丁壩群作用下的水動力特性變化。本研究旨在深入揭示丁壩群對通航安全的影響機制，為北江航道的安全、高效運行提供科學依據和決策支持。

1數學模型構建與驗證

1. 1計算域現狀概況

北江是珠江水系的第二大支流，地處廣東省，是清遠、韶關等粵北地區(qū)經濟發(fā)展的水上動脈［11］。目前北江干流自上游而下依次建立了孟州壩、濛里、白石窯、飛來峽、清遠水利樞紐共5 座水利樞紐［12-13］。白石窯水利樞紐是北江流域中重要的第三梯級樞紐［14-15］，其壩址建于北江中下游，距離英德市25 km，多年平均流量532 m3/s［16］。研究區(qū)域選取北江干流英德段，上邊界位處位于白石窯水利樞紐壩址下游180 m處，下邊界位于北江干流與滃江交匯處上游500 m處。該河段河道寬闊，水流平緩，河床由細沙（含有中粗礫石和小礫石）沉積物組成［17］，河道平均比降0. 09‰，該段研究區(qū)域位于廣東省英德市境內，全長23 km，共修建了92座大小形狀各異的丁壩以保護河岸及束窄航道。研究區(qū)域的位置、河道段和丁壩見圖1。

1. 2地形數據和網格劃分

2023年10月，ADCP技術被用來對研究區(qū)域河段水下地形進行了精細測量，測量斷面平均間距為170 m，測得的地形點總數為25 038個。計算域網格劃分為非結構化三角形網格，坐標系采用2000國家大地坐標系。采用不同網格分辨率對研究區(qū)域進行試算，最后采用以下最優(yōu)網格分辨率：丁壩區(qū)域網格尺寸為5～10 m，河道區(qū)域網格尺寸為10～20m，整個研究區(qū)域共生成網格116 364個。研究區(qū)域中丁壩的尺寸、位置和數量與實際情況一致，網格生成的結果見圖2。

1. 3邊界條件

模型計算范圍由白石窯水電站壩址下游180 m至北江干流滃江口上游500 m。由ArcGis處理地形高程點后，在SMS 軟件中劃分非結構化三角形網格，最終在FVCOM 中完成編譯計算。在模擬水動力過程時，由于模型啟動時的初始條件如水位和流速等對于水動力的影響難以在短時間內完全消除，因此選擇冷啟動的方式降低這種初始條件帶來的干擾，選取零流速場作為初始流速場，模型啟動時間提前5 h。FVCOM 在開邊界處有2種驅動方式，分別為潮汐驅動和水位驅動，本模型下邊界采用英德（五）水位站的水位數據，數據取自廣東省水利廳汛情發(fā)布系統。上邊界來流量為ADCP實測流量，實測流量為120～420 m3/s。

1. 4參數設置

a）時間步長設置。本模型網格劃分尺寸為5～20 m，網格劃分較小，為了滿足Courant-Friedrichs-Lewy數收斂條件，防止模型發(fā)散，經調試后設置時間步長為0. 2 s。

b）干濕邊界。FVCOM模型啟用干濕判別模塊后，模型將基于每個網格的水深狀態(tài)來決策是否對該網格進行計算，本模型設置最小水深為0. 05 m，即當網格單元水深小于0. 05 m時，模型判斷該網格為干網格，忽略該網格的計算。

c）摩阻系數。FVCOM模型根據粗糙高度計算河底摩阻系數，通過對粗糙高度和最小摩阻系數進行針對性的調整，可控制模型的河底摩阻系數，經過對模型的調試，最終選取的粗糙高度為0. 001 m，最小底摩阻系數為0. 0025。

d）垂向分層。本次計算采用三維模型計算，垂向上采用σ分層，每層在深度上垂向平均，一共分為15層。

1. 5模型驗證

由于河流彎道處為重要關注區(qū)域，所以在研究區(qū)域河流彎道處自上游至下游選取了8 個驗證點A1—A8對模擬結果在水深以及相應沿水深方向的流速進行驗證。驗證點的位置見圖1。水深和流速數據來源于2023年10月實測數據，每個驗證點的水深和流速信息均是在某一時刻測得。

1. 5. 1水深驗證

水深驗證結果見表1。其中站點A7的水深模擬偏差最大，但誤差也僅為3. 01%；站點A4水深偏差最小，誤差0. 57%。站點A1—A8模擬水深的平均偏差為1. 90%，納什系數為0. 92。由此可見，實測水深與數值模擬結果十分吻合。

1. 5. 2流速驗證

圖3 給出了實測與模擬流速對比。由圖3 可知，驗證點A6 的模擬誤差稍大，其最大誤差為10. 3%，模擬與實測之間的平均誤差為5. 1%，說明模擬值展現出了良好的擬合效果，流速模擬結果基本能正確反映流速沿著河流水深的變化趨勢，流速模擬結果與實測數據高度吻合。

1. 5. 3誤差分析

數值模擬產生誤差的主要原因有：①在數據模擬中，網格邊長較大，影響模型計算精度；②FVCOM模型計算中，速度信息儲存在網格中心，水位信息儲存在網格節(jié)點，無法與實測點位置完全吻合，使得模擬值和實測值存在一定誤差；③ ADCP（Acoustic Doppler Current" Profiler）測量的不同斷面地形之間的平均距離為170 m，間隔較大，插值后得到的地形與實際地形有出入。從上述看，雖然模擬值和實測值存在一定誤差，但是模型仍然能較為準確地模擬實際工程中的水動力情況，展現較好的可信度，該模型可用于北江航道英德段丁壩群水動力模擬。

2丁壩群對水動力特性的影響探究

從圖1直接可以看出，研究區(qū)域范圍內丁壩數量眾多，結構復雜，丁壩群分布類型主要為雙側和單側丁壩群。在研究區(qū)域的中間段，有2個將近90°的急彎。在此急彎段，水勢快、急、猛，沖刷力強。此急彎段具有連續(xù)轉彎的水流特性，航道連轉兩急彎水流對堤岸的頂沖能力強，且流線蜿蜒散亂，此段極大地影響通航安全。因此為了探究彎道中丁壩群對水動力以及航道的影響，采用上述率定驗證通過的數學模型，設置了2個情景工況：①現狀工況，考慮當前研究區(qū)域有丁壩現狀情況；②無丁壩工況，假設去除研究區(qū)域中所有丁壩的情況。

當枯水季來臨，上游來水量逐漸減少，導致水位降低，行寬縮減，航道條件惡化。在10月至翌年3月，英德段流量變化范圍為210～460 m3/s，因此采用2023年10月某時刻實測流量420 m3/s下進行模擬計算，此時對應的下游邊界水位為23. 68 m。其余設置條件與1. 4節(jié)一致。為保證航道水力特性和丁壩局部水動力達到穩(wěn)定狀態(tài)，本次工況模擬時間設定為20 h。選取急彎處5個斷面S1—S5開展分析，具體位置見圖1。

2. 1水位對比

丁壩具有壅高水位的作用，圖4是現狀工況和無丁壩工況，從S1斷面到下邊界區(qū)間16 km航道水位分布。

由圖4可知，在有丁壩區(qū)域中，現狀工況的水位始終高于無丁壩工況；水流經過無丁壩區(qū)域時，丁壩對水流產生的雍高效果會消失，此后現狀工況的水位與無丁壩工況幾乎重合。在水位分布上，有丁壩區(qū)域中2種工況的水位沿著河道越來越接近，在S1斷面處水位相差約0. 2 m，直至在有丁壩區(qū)域末尾處水位相同，這說明越接近上游，丁壩對水位的壅高效果越明顯；越接近下游，丁壩對水位的壅高效果逐漸減弱，規(guī)律與前人研究結果一致［18-19］。現狀工況下航道落差相較于無丁壩工況較大，航道落差是影響通航水流比降條件的重要因素。GB50139—2014《內河航道通航標準》對內河航道落差規(guī)定其局部落差不大于600 mm，該值大于現狀工況的局部落差，因此在有丁壩條件下，比降的變化不會對通航安全造成影響。

2. 2流速對比

2. 2. 1橫向流速分布對比

當水流流經丁壩時，其流態(tài)特征會發(fā)生改變，橫斷面流速分布也會隨之調整。因此研究航道斷面的流速變化規(guī)律，對于分析丁壩群對航道的水流沖刷特性具有重要意義［20］。為了獲得各斷面上的水流流態(tài)，以及流速分布對通航安全的影響，分別選取S1—S5斷面中的第1層、第5層、第10層（即σ1、σ5、σ10）中的流速進行分析，見圖5。

從圖5可以看出，對于現狀斷面的流速分布，S1和S2為左岸低右岸高，其余斷面為左岸高右岸低。這主要是因為S1和S2所在斷面附近丁壩群建于左岸，其余斷面的丁壩群建于右岸。由于河道流速沿著水深方向逐漸減小，因此σ1的緩流區(qū)最大，第σ10層緩流區(qū)最小，不同層面的流態(tài)分布大致一致，因此以下各工況流速分析以σ1為例。

在丁壩群所在側，S1—S5現狀工況的近岸流速相較于無丁壩工況分別減少了51. 6%、44. 6%、47. 3%、58. 0%、90. 3%，這說明丁壩能顯著調節(jié)航道附近流速分布，降低所在側的流速，實現對岸坡的有效保護。

現狀工況的最大主流流速均大于無丁壩工況，相較于無丁壩工況，現狀工況S1—S5的最大主流流速分別增加了121. 8%、101. 7%、110. 9%、66. 6%、77. 6%。因此在丁壩作用下，河道主流流速顯著增大，有利于減少泥沙沉降和淤積，加深深泓線，有利于通航［21］。

與無丁壩工況相比，現狀工況中S2—S5丁壩對岸的流速分別增加了129. 0%、75. 0%、170. 6%、73. 3%，流速增大會增加河道對岸岸線沖刷后退的風險［22］。丁壩長度不小于1/3河寬時為長丁壩，因此S2—S5斷面附近均為長丁壩［23］。長丁壩在縮窄河床能力上效果顯著，但由于其深入河道，對水流影響較大，增強對局部區(qū)域的沖刷，提高航道出現安全風險的幾率，且出現險情后難以搶護［6］。

2. 2. 2水平流速分布對比

由圖5可知，河道流速沿水深方向逐漸減小，同一工況下不同分層的流速大小不同，但是流態(tài)分布基本一致，因此水平流速分析僅采取表層流速進行分析，選取單側丁壩典型區(qū)域B1和雙側丁壩典型區(qū)域B2進行分析，B1、B2所在位置見圖1，其流場分布特征見圖6。

由圖6a、6b對比可知，在現狀工況下，水流經過單側丁壩時，由于丁壩的作用，河床束窄度增大，河道主流區(qū)寬度變窄，主流區(qū)流速明顯增大，位置向右岸靠攏。在丁壩之間，產生了較大的回流區(qū)，且壩田區(qū)均產生了順時針方向的漩渦，漩渦區(qū)的流速均在下游壩頭前附近達到最大，隨著水流順時針向上游轉動，漩渦區(qū)流速逐漸減小，且在越靠近漩渦邊緣流速越大，越靠近漩渦中心流速越小。

由圖6c、6d對比可知，在現狀工況下，當水流經過雙側丁壩時，由于兩岸丁壩的縮窄作用，壩間兩岸流速減小，主流區(qū)流速瞬間增大，主流區(qū)位置在河道中間。同時，在兩岸的壩田區(qū)產生了回流區(qū)和漩渦，其特性與單側丁壩壩田區(qū)一致。

對比圖6，在丁壩保護范圍內，現狀工況的流速均小于無丁壩工況的流速；在主流區(qū)域范圍內，現狀工況的流速均大于無丁壩工況的流速，這與2. 2. 1小節(jié)結果一致。

2. 3小節(jié)主流線特征分布

主流線，又稱水流動力軸線，是指水流流程各斷面內最大垂線平均流速的連線［24］。本文為三維計算，則將主流線進行分層，即各斷面每層的最大流速的連線定義為該層的主流線。主流線的特征分為橫向特征和水平特征，橫向特征表示為同一河道橫斷面不同水深分層的主流線沿著水深方向上的擺動幅度（簡稱“擺幅”），可以概括成游蕩擺動（簡稱“游擺”）和穩(wěn)定不變；水平特征表示為一條主流線在空間上沿程的幾何形態(tài)，可以概括為曲折和順直。

2. 3. 1橫向特征分布

主流線橫向特征的游擺程度采用沿程區(qū)間橫斷面主流位置標準差的平均值T來衡量，按式（1）計算：

為了更直觀地展示不同σ層中主流線的擺動情況，做出2種工況下S1—S5中主流線沿不同分層所在的位置，見圖7。

由圖7可知，S3和S5的主流線沿著水深方向均未發(fā)生改變，其余斷面的主流線位置均發(fā)生了改變，且現狀工況的改變幅度小于無丁壩工況。按照定義對主流線游擺程度和擺幅進行計算和評價，結果見表2。

主流線的游擺程度越大，則橫向上主流線的游蕩擺動越頻繁，河勢越不穩(wěn)定。由圖7和表2進行分析發(fā)現：①S3和S5所在位置的主流線順直穩(wěn)定，且不隨水深的改變而改變，對通航安全沒有影響；②S1和S2附近的最大擺幅均達到最大，為通航過程中最不安全區(qū)域，S4游擺程度較小，但散亂的主流線同樣不利于船舶操控，因此船舶航行至該區(qū)域時，務必保持謹慎，確保航行安全；③現狀工況的主流線比較穩(wěn)定，斷面S1、S2、S4的游擺程度T 分別減少了41. 6%、36. 5%和21. 0%，最大擺幅分別減少了50. 2%、48. 9%和46. 1%。這說明在橫向上，丁壩具有明顯的集中主流、穩(wěn)定河勢的作用，與前人的研究結果一致［25］。

2. 3. 2水平特征分布

主流線水平特征的曲折程度采用S1-S5沿程區(qū)間主流位置標準差的平均值E 來衡量，E 按式（3）進行計算：

式中：y_i，j為某區(qū)間中第i 斷面第j 時刻主流線所在位置的y 方向坐標，坐標方向見圖2；j 取第20 h時刻；為斷面數量；m 為選取時刻的個數，這里m=1。

由式（3）計算得到在現狀工況中，主流線的曲折程度為784. 2m；在無丁壩工況中，主流線的曲折程度為774. 5m。主流線的曲折程度越大，則主流線在水平方向上形態(tài)越曲折，通航安全性越差［5］。他人研究表明，丁壩會使得主流線發(fā)生突變［26］，而在S1—S5的研究區(qū)間，丁壩群分布復雜，丁壩的布置對水流具有控導作用，因此在不同布置形式丁壩的影響下，河道的主流線發(fā)生了較大的改變。船舶航行時沿水流方向穩(wěn)定性較好而橫向穩(wěn)定性較差，故航道內存在橫向或斜向水流時，船舶受側向水流的干擾而偏離正常航線，極易造成事故［6］。因此船只在經過不同布置形式的丁壩時，要注意主流線發(fā)生突變情況，防止出現觸壩和擱淺回流區(qū)等危險。

2. 4水流動力軸線彎曲半徑分布

現狀工況和無丁壩工況的地形和水流特征存在差異，會造成河勢與水流動力軸線行進方向發(fā)生變動，進而導致水流動力軸線彎曲半徑發(fā)生變化［24］。

張植堂等［27］理論推導了水流動力軸線彎曲半徑R₀計算公式如下：

式中：g為重力加速度；R為河灣半徑，采用2023年天地影像圖測得；Q為河段流量，m3/s；J_?為水動力軸線處的水面縱比降；?為河道的彎曲度或河灣中心角（弧度）；A為相應的過水斷面面積，㎡。

計算得到2種工況下各斷面的水流動力軸線彎曲半徑與河灣半徑對比見圖8。

由圖8可知，現狀工況和無丁壩工況的水流動力軸線彎曲半徑均小于河灣半徑，且無丁壩工況的水流動力軸線彎曲半徑更接近河灣半徑。相較于無丁壩工況，現狀工況水流動力軸線彎曲半徑分別減少了36. 7%、21. 5%、14. 0%、17. 0%、32. 0%。河灣半徑比水流動力軸線的彎曲半徑大得越多，表示出流方向變化的隨機性越大；河灣半徑與水流動力軸線的彎曲半徑越接近，水流對河灣工程產生的沖擊就會越小，進而使水流越平穩(wěn)，阻力損失越?。?8］。前人研究表明［29］，當丁壩布置在凹岸時，能夠有效改善水流動力軸線彎曲半徑，但由于研究區(qū)域中丁壩多布置在凸岸，不僅增大了對河灣的沖擊，而且使得航道的出流方向變化更大，這與2. 2. 2小節(jié)分析結果一致。

S1、S5的水流動力軸線彎曲半徑和河灣半徑差距最大，說明這2個斷面水平方向上水流越不穩(wěn)定。在此兩個斷面附近，要更加注意通航安全，防止觸壩、觸岸等事故發(fā)生。

3結論及展望

3. 1結論

a）北江航道丁壩壅高了水位，越接近下游，丁壩對水位的壅高效果逐漸減弱。

b）通過對比航道流速特征分布可知，在靠近丁壩的一側流速低于對岸，丁壩起到了束窄水流、保護河岸的作用。

c）丁壩能有效增大航道的主流流速，有助于減少泥沙沉降，增大對河床底部的沖刷，有利于通航；但是北江航道的長丁壩雖然能一定程度上延長丁壩岸灘的掩護長度，增大主流流速，但是也同樣加劇了對岸的沖刷，使得對岸航道容易遭到破壞、出現險情。因此實際工程中，建議增強對丁壩對岸岸坡的防護，或者在長丁壩對岸增設短丁壩保護對岸，削弱長丁壩帶來的負面影響。

d）在橫向上，丁壩具有明顯的集中主流、降低游擺程度、穩(wěn)定河勢的作用。在水平上，丁壩的布置對水流具有控導作用，在急彎航道中，單側丁壩多布置在凸岸，使得河道的主流線在水平方向容易發(fā)生較大改變。相較于無丁壩情況，北江航道的丁壩使得主流線更加曲折。為了使主流線在水平方向上更加順直，可適當減少凸岸丁壩的長度，減少彎道處的主流線的曲折程度。

e）丁壩的布置使得彎道的水流動力軸線彎曲半徑變小，增大了對河灣的沖擊，航道的出流方向變化更大?？稍谒鲃恿S線彎曲半徑變化較大處比如斷面S1和S5處的長丁壩對岸設置短丁壩，增強丁壩對水流的控導作用，調控航道出流方向。

3. 2展望

a）本文僅考慮枯水期情況，且來流條件為恒定流。實際天然航道中上游來流量隨時間不斷變化，在今后的研究中，可以考慮天然來流量條件下進一步研究。

b）影響航道通航安全的因素除了本研究內容外，還有泥沙影響、工程地質條件等，未來應加強對這些影響因素的深入研究。