松虎航道整治工程水流数学模型的建立与应用.pdfVIP

2 0 1 6年 7月 水 利 水 电快 报E WR H I 第 3 7卷第7期 文章编号： 1 0 0 6 - 0 0 8 1 ( 2 0 1 6 ) 0 7 - 0 0 2 7 4 ) 5 松虎航道整治工程水流数学模型的 建立与应用 简秋敏 刘轶 李子龙 邹振华 肖潇 ( 1 长江水利委员会水文局 长江 中游水文水资源勘测局， 湖北 武汉4 3 0 0 1 2； 2 杭州市千岛湖原水股份有 限公司， 浙江 杭州 3 1 1 7 9 9 ) 摘要： 为研究松虎航道整治工程对河道水位、 流场等水流条件的影响， 基于浅水方程， 利用有限体积法 进行离散， 采用j 结构三角形网格， 建立 了二维水流数学模型。根据 实测的水文和地形资料。 对模型进行 水面线和流速相关验证。验证结果表明， 所建立的模型能够较好反映松虎航道水流运动规律。同时， 计算 分析的流速分布等水流特性也可证明松虎航道整治工程治理措施的有效性。 关键词： 航道整治； 水面线； 流速； 数学模型； 模型验证； 松虎航道 中图法分类号： U 6 1 7 6 文献标志码： A 松虎航道是松滋河东支 与虎渡河 汇合 后的合 称 ， 是洞庭湖区重要的水 运通道之一。松 虎航道始 于新开 口经小河 口于 肖家湾汇人澧水洪道 ， 承接部 分长江洪水进入洞庭湖 ， 其分流与调 蓄作用对长江 中游地 区防洪起 着十分重要 的作用。但是 ， 松虎航 道地形复杂 ， 河道形态变化多样 ， 浅滩 、 分汉河段交 错， 为了能使松虎航道等级提升到 l 0 0 0 t 级航道标 准， 应保持航道路线及航槽的位置不变。因分汉河 段的通航汊道稳定 ， 整治工程主要利用疏浚和切滩 对航道进行扩建 。本文针对该工程情况 ， 利用二维 水流数学模型l 1 进行模拟研究 ， 探索整治工程 的 合理性。 河段位置示意见图 l 。 1 模型基本原理 1 1 基本控制方程 采用基于水深平均的平面二维数学模型来描述 水流运动 ， 直角坐标系下水流运动的控制方程如下。 水流连续方程 ： oz +巡 + ：0 +一+ a t a a 水流运动方程 ： O u H O uu H O v u H n + + + 一g 一 M S t O x O y l g 日 枷 ( 雾+ 雾 ) ( 2 ) O v H Ou v H O v v H ，l + 一 + _+ = 一g 。_ 了 一 a t a x a 了 u H g H O Z 骞 + 雾 ) ( 3 ) 式 中， z表示水位 ， m； H表示水深， m； l ， t ， 表示 ， Y 方向的流速， m s ；n表示糙率系数； g表示重力 加速度， m s ； ，表示水流综合扩散 系数， ， = O to U 。 日， 其中， O t0 = 0 2 ， 。 表示摩阻流速， m s ， l = r ( M + )， cr = o 0 0 3 。 1 2 数值方法 直角坐标 系下 ， 水流运动的控制方程可用如下 收稿 日期 ： 2 0 1 6 - 0 5 1 5 作者简介： 简秋敏， 男， 长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局， 工程师 2 7 2 o 1 6年 7月 水 利 水 电快 报E WR HI 第 3 7卷第 7期 通用形式表示 ： + o ( u n o )+曼 ! 2： a t a a y 图 1 河段位置示 意 ( 厂 )+ ( 厂 )+J s ( 4 ) o x o x o y o y 式中， 为通用变量 ；F为广义扩散系数 ； S为源项 。 以多边形 网格单元为控制体 ， 待求变量存储于控制 体中心。采用有限体积法对控制方程进行离散， 基 于同位网格 的 S I MP L E算法 ， 处 理水流运 动方程 中 水深和速度的耦合关 系。 1 3 边界条件 定解条件包括初始条件与边界条件。边界条件 为上游给定流量 ， 下游给 出水位。岸边界采用水流 无滑移条件 ， 即取岸边水流流速为零 。在计算时， 由 计算开始时刻上 、 下边 界的水位确定模 型计算 的初 始条件 ， 河段初始流速 为零 ， 随着计 算的进行 ， 初始 条件的偏差将逐渐得到修正 ， 对最终计算成果 的精 度不会产生影响。 2 模 型建立与验证 2 1 模 型 建立 计算范围为松虎航线安乡至茅草街约 5 0 k m航 道 ， 计算河段现状地形 采用工程河段 实测河道地形 2 8 茅草街镇 图( 2 0 1 1年 4月 ， 比例 ： 1 ： 5 0 0 0) 。此 次计 算采 用 D e l a u n a y三角化法对计 算区域进行 网格划分 ， 并对 局部复杂河道加密 ， 在计算区域内共布置 r 1 0 6 9 3 5 个网格节点和 5 5 9 5 4个计算单元 ， 网格 问距最大为 7 0 m， 最小为 3 0 m。 计算区域网络布置见图2 。 2 2 模型验证 地形采用 2 0 1 1年 4月实测河道地彤 图， 水位 、 流速采用 2 0 1 2年 6月 1 11 2日实测资料 进行验 证 ， 期间流量为 2 0 1 5 m s 。 2 2 1水 面线验 证 工程河段 布置 S l S 1 2共 1 2个验证断面 ， 验证 断面位置见图 1 。2 0 1 2年 6月 1 1日安 乡至茅草街 河段水位模型 S 1一 S 1 2计算值与实测值得对 比结果 见图 3 。水位 的计算值 与实测值吻合较好 ， 其误差 不超过 2 cm。 2 2 2流速 验 证 验证断面上流速的实测成果与计算成果的比较 见图 4， 具体位置见 图 1 。可 以看 出， 流速的计 算值 与实测值基本一致 ， 两者差值 一般小 于 0 0 2 m s ， 最大 差 值 一 般 不 超 过0 0 4 m s ， 误 差 一 一 般 小 于 2 5 。结果表明， 所建立 的二维水流模型中各参 数取值合理 ， 能够反应实际的水流特性 ， 可以利用该 模型对该河段水流情况进行深入的分析计算 。 2 0 1 6年 7月 水 利 水 电 快报 E WR HI 第 3 7卷第7期 暑 吕 菁 壤 起点距 m 起 点距， m 起点距 m 起 点距 m 起点距 m 起点距 In 起点跑 m 起点距 In 图4 流速计算值与实测值比较 见图 6 ， 表 2给出了各特征点工程前、 后最 高洪水位 值， 各特征点位置见图 1 。 由图6和表 2可知： 在 1 9 9 1年 6月 2 0日 8 月 6日非恒定过程中， 该河段水面线沿程降低。工 3 0 起 点距 m 程修建后 ， 导致局部水位发生变化， 其中变化最 大的 出现在 1 号采样点中， 工程前后水位变化为 0 0 2 ( 2 )典型站水位过程成果 I n 。 非 恒定条件 下 ， 该河段 典型测 站 ( 安 乡 、 白蚌 一 口 鹾 一 口 I ) 艘曝 自) 僵 璐 一 s 目 1 ) 蜷 自吾 蜒 简秋敏 等松虎航道整治工程水流数学模型的建立与应用 洪水位， m 圈6 整治工程实施前后沿程最高洪水位变化示意 口、 肖家湾、 南咀) 的水位过程线见图7 ， 表 2给出了 工程建成前后各测站最高水位及出现时间。 蓦 袤 系 时间， ( 年- 月一 日 ) 系 一 一 一 一 一 一 一 时间， ( 年一 月一 日) 表 2 工程前后各采样点最高水位值 f 1 9 9 1年 6月 2 o号 - 8月 6日) m 分析图7和表 3可以看出 ： ( 1 )在 1 9 9 1 年 6月 2 0日 一8月 6日洪水过程 中， 安乡最高洪水位为 3 7 0 7 m， 白蚌 口最高洪水位 为 3 5 2 0 m， 肖家湾最高洪水位 为 3 4 5 8 m， 南咀最 高洪水位为 3 3 9 9 m。 ( 2 )航道整治工程实施后 ， 水文站工程前、 后发 生变化， 安乡水位 降低了0 0 2 m， 工程前水位为 3 7 0 7 m， 工程后水位为 3 7 0 5 m； 白蚌 口水位 降低 了 0 O 1 m， 工程前水位为 3 5 2 0 m， 工程后 水位为 表3 典型测站最高洪水位及出现时间统计 时间 年- 月一 日) 图7 典型测站水位过程示意 时间， ( 年一 月一 日) ( 下转第 4 3页 ) 31 王琪 等原子荧光光谱法测汞检出限的不确定度分析 ( 上接 第 3 1页 ) 3 5 1 9 m； 肖家湾水位降低 了0 0 1 m， 工程前水位为 3 4 5 8 m， 工程后水位为 3 4 5 7 m。工程的修建并未 对南咀测站水位产生影 响， 同时对各测站洪峰到达 时间没有影响。 4 结 语 本文建立 了基于非结构三角 网格系统的非恒定 浅水二维水流数学模型 ， 可 以较好模拟工程河段河 道形态。 验证结果表明， 报告所采用的平 面二维数学模 型能较好地模拟该河段 的水流运动特性 ， 验证计算 成果与实测成果 吻合较好 ， 表 明该报告所采用的数 学模型及计算方法正确 ， 模型 中相关 参数 的取值合 理 ， 可用来计算工程修建对河道水位与流速 的影响。 根据建立 的模型 ， 对 1 9 9 1年洪水过 程进行验 证， 整治工程实施后， 河段沿程最高水位略有降低， 最高洪水位出现时间基本不变。 参考文献： 1 张晚祺， 何小花， 李生辉， 等东荆河河 口整治工程的 二维水流数学模型研究 J 中国农村水利水电， 2 0 1 4 ( 1 2 ) ： 1 3 91 4 2 2 谢作涛， 张小峰， 袁 晶， 等一般曲线坐标系平面二维 水沙数学模型研究与应用 J 泥沙研究， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 6 06 6 3 谭维炎计算浅水动力学 一有限体积法的应用 M 北京： 清华大学出版社 ， 2 0 0 0 4 岳志远， 张妍妍， 李有为， 等安庆河段航道整治工程 数学模型的建立 J 水运工程， 2 0 1 4 ( 1 2 ) ： 5 8 6 1 5 岳志远， 曹志先， 李有为， 等基于非结构网格的非恒 定流浅水二维有限体积数学模型研究 J 水动力学 研究与进展： A辑 ， 2 0 1 1 ， 2 6 ( 3 ) ： 3 5 9 3 6 7 ( 编辑： 朱晓红) ( 上接第 3 3页 ) 表 2工程前后 穿越 管线历年最小埋深统计 工程竣工后至今 ， 穿越管线最小埋深 变幅仅约 为 3 m， 穿越断面形态总体较为稳定 ， 管道最小埋深 保持在 1 4 n l以上 。 4结语 综上所述 ， 穿越断面历年冲淤幅度在一定范围之 内总体较为稳定。尽管 2 0 1 1 年受汉江秋汛的影 响， 汉江中下游河道河床普遍受到较大冲刷 ， 汉江穿越断 面河床呈冲刷状态 ， 断面形态也有所变化 ， 而河床最 深点位置较为稳定。2 0 0 2 2 0 1 4年 ， 穿越断面河床历 年冲淤交替 ， 冲淤变 幅总体有限， 断面最深点高程变 化较小 ( 3 75 5 m) 。2 0 1 2年 1 1月 2