江安县城长江防洪护岸工程二维通航水流数值模拟

江安县城长江防洪护岸工程二维通航水流数值模拟

刘海婷

刘海婷

中国市政工程华北设计研究总院有限公司智慧水务分公司天津300074

摘要：采用平面二维数学模型研究长江防洪护岸工程水流条件及通航条件的影响分析。以江安县城河段为例，模型对该河段的实测水面线和流速分布进行了验证，计算结果与天然实测资料较为一致，可正确模拟实际河道的水流运动。分析研究表明，以上边界条件改变对江安县城河段附近水位、流速等水流条件没有明显影响，不会影响上下游的泥沙冲淤能力，基本不会对通航条件造成明显变化。

关键词：数学模型，水流条件，通航条件

1前言

目前长江河段存在这大量的采砂，修筑护岸工程以及修建码头开挖航槽等工程，这些工程必然导致天然河流航道边界的改变，航道边界的改变必然对河流的流态、通航条件等造成一定的影响，因此有必要通过二维数学模型进行水流条件和通航条件影响分析。

数值模拟是研究复杂河段河道流动特性的一种重要手段。国内外已经有很多利用有限差分、有限元、有限体积、边界元等离散方法对复杂河段进行数值计算的研究[2]。根据数模的计算结果，可以分析预测拟建方案对工程河段水流条件及航道条件的影响趋势[3]。不论对于顺直河道或者复式游荡型河道，水位一流量关系的预测是河道风险管理以及洪水损失评估的基础，是进行洪水预报和制定合理经济的分洪措施方案的前提。李大鸣[4]等考虑上、下游洪水边界的控制条件及糙率随河道流量变化的调整，提出了河道洪水演进的二维水流数学模型的计算方法。叶如意[5]等利用平面二维水动力学模型对曹娥江至宁波的引水工程进行模拟，同时对模型进行验证和优化。为了更深入地探讨边界条件改变对水流特性及通航条件的影响，本文在前人研究的基础上，以长江江安县城段为研究对象，通过平面二维数学模型模拟复杂河道的水流运动特性及河床演变规律。

2工程方案

宜宾市江安县城区长江防洪护岸综合整治工程上游起于牛角坝上游铜子湾，下游止于江安县污水处理厂。目前工程河段为天然河岸，防洪标准不足10年一遇。根据防洪规划中布置的堤线，结合工程堤线布置原则和地形地貌条件，工程方案保留了牛角坝分汊河道形态。工程方案堤线全长约9.172km，其中上游铜子湾～淯江入汇口左岸长3.343km，下游淯江入汇口右岸～污水处理厂长4.727km，牛角坝洲头守护段长1.102km。

3数学模型

3.1计算范围的选取

选取计算区域为香炉滩上游到阳春坝16km的河段。数模在计算域内共布置68438个网格点。网格沿x方向一般30m，沿Y方向间距一般为20m。利用2015年5月实测的工程河段的长约10.0km河道的实测水面线进行了验证。从验证结果来看，水位计算值与实测值最大不超过5cm。总体上该数学模型计算水位和流速与实测值基本吻合，说明计算结果正确，可进行工程实际研究。

3.2计算条件

为了预测护岸工程的建设对工程河段航道条件的影响，本研究采用二维数学模型（详见附录），研究预测了护岸工程建设前后工程河段的航道条件及其变化。结合向家坝运用调度方案和河道通航情况，该工程通航演算共进行了5级流量数模计算，详见表1。

4方案影响结果分析

4.1水流条件影响分析

综合以上各种工况的水位变化计算成果：工程修建前后，在工况2条件下，水位壅高值及水位变化范围最大，水位壅高最大值为4.3cm；总体看，不论是水位壅高范围还是水位降低范围，一般都在工程段附近区域。

统计了不同工况下工程前后流场图，工程实施后，工程河段内水流流速有不同程度的增、减，但流速变化范围一般在工程附近区域。综合以上各种工况下相应于不同工程方案流速变化计算成果，在工况2条件下流速变化值最大，流速变化范围在-0.03m/s～0.04m/s。

4.2通航条件影响分析

总的来讲，工程河段为典型山区河道，受河床组成及河势影响，深泓线平面位置基本处于相对稳定，而黑石碛河段在年际间变化不大，年内变化较为明显。测图深泓线虽在纵向局部发生一定的变化外，总的发展趋势较为一致，河床未出现过较大幅度的抬升和下切；说明工程河段深泓线不仅平面位置较稳定，多年来纵向变化也较小，较符合川江河道的演变规律。

数学模型统计了护岸工程附近3km范围内上下行航线上的水位比降变化。从中可以看出，航线范围内造成水位最大变幅为-0.02m～0.02m，最大比降变幅为-0.05‰～0.06‰，对航道范围内的水位比降影响较小。

数学模型统计工程河段上、下行航线范围内的流速变化。工程方案引起的航道范围内流速变化较小，变幅基本在±0.05m/s范围内，最大变幅0.09m/s，基本不会对工程河段航道条件造成明显不利影响。在枯水期引起的航道范围内流速变化较大，枯水期最大变幅基本在±0.20m/s范围内，最大变幅达0.31m/s，但是航线内最大流速范围变化不大。

5结论

（1）数学模型计算结果表明，工程方案引起的水位、流速、比降、分流比等水流参数变化较小，不会对工程河段的水流条件造成明显影响。

（2）数学模型计算结果分析工程河段的航道尺度（水深）、流速和水流条件的变化，工程推荐方案不会对工程河段的航道条件造成明显不利影响。

参考文献：

[1]吴持恭，水力学（下册），高等教育出版社，1984.3。

[2]余利仁，正交贴体坐标系的生成。河海大学学报，1988.NO.5

[3]周建军，平面二维不恒定流及河床变形数值模拟方法研究。水利水电科学研究院博士论文，1988。

[4]李大鸣，陈虹，李世森．河道洪水演进的二维水流数学模型[J]．天津大学学报，1998，31（4）：439-446．

[5]叶如意，王攀．曹娥江至宁波引水工程平面二维水流数值模拟[J]．水资源保护，2010，26（5）：24—28．

[6]陆永军，张华庆，平面二维河床变形的数值模拟。水动力学研究与发展，Ser.A，1993.8（3）

[7]PapantionsDEandAthanassiadiasNA.InternationalJ.forNumericalMethodsinFluids，1985（5）

[8]李义天，谢鉴衡，冲击平原河流平面流动的数值模拟，水利学报，1986.11

[9]李健.河道采砂影响的数值模拟研究[D]，长江科学院，2008

[10]王秀红，曹民雄，马爱兴，蔡国正.乌江沙陀电站变动回水区航道整治二维水流数学模型研究[J]，水运工程，2012，（11）：156-160.