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(水利水电工程专业论文)独流减河口泥沙数学模型研究及应用.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
摘要 在我国北方,河口修建防潮闸后,由于下泄径流减少而产生闸下河道淤积 属于普遍现象,由此影响到河口防洪、排涝和航运等功能的发挥。本文从工程 实际出发,以解决肪洪问题为目的,运用泥沙数学模型理论,对独流减河口进 行了清淤方案与泄量、回淤量的研究。概括起来,本文主要包括以下几部分: ( 1 ) 对泥沙数学模型基本理沧和计算方法进行了简要介绍,分析了独流减 河口潮汐水文泥沙特性、淤积情况和原丛l 。 ( 2 ) 建立了独流减河口二维非恒定流泥沙数学模型,并根据实测地形、水 文资料进行了对数学模型验证。 ( 3 ) 对不同闸上水位下河口现状泄流能力进行了计算分析。 ( 4 ) 对不同闸上水位、不同清淤方案的泄量、回淤量进行了计算,分析了 各方案的清淤效果和经济价值,分析了各方案的回淤率。 5 ) 通过综合对比,定性分析了河口清淤长度、宽度、底高程与泄量、回 淤量的关系规律,提出了独流减河现状泄流条件下和设计泄流条件下最优河口 清淤方案。 本文的成果将用于工程实践,指导今后独流减河口的清淤方案的设计工 作。其中的研究方法对其它河口的泥沙问题研究具有一定的参考价值。 关键词:河口泥沙数学模型,独流减河口,回淤计算 a b s t r a c t i i lt h en o r t ho fc h i n a j ti saw i d e s p r e a dp h e n o m e n o n a f t e rc o n s t r u c t i n gt h et i d e g a t ea tt h ee s t u a r y , t h ed e c r e a s eo fd i s c h a r g er u n o f fl e a d st ot h ea g g r a d a t i o n sa f t e r t h e g a t e i tg i v e s an e g m i v ee f f e c t i v et of l o o d c o n t r o l ,w a t e r l o g c o n t r o la n d n a v i g a t i o no ft h ee s t u a r y b a s i n go nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e ,a i m i n ga ts o l v i n gt h e p r o b l e mo ff l o o dc o n t r o l ,a p p l y i n gt h em a t h e m a t i c a ls e d i m e n t a t i o nm o d e l ,i nt h e p a p e r , d i s p o s i n ga g g r a d a t i o n sp l a n ,d i s c h a r g ec a p a c i t ya n ds e d i m e n t a t i o nc a p a c i t yo f t h ed u t i u j i n nf i v e re s t u a r yh a v eb e e nr e s e a r c h e d i tc o n t a i n sg e n e r a l l yf i v ep a r t sa s f o l l o w s : ( 1 ) ab r i e fi n s t r u c t i o no fp r i m a r ya p p r o a c ht om a t h e m a t i c a ls e d i m e n t a t i o nm o d e l , a n dt h e na n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co ft i d e h y d r o l o g i cs i l t f 2 ) b u i l du pt w o d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a ls e d i m e n t a t i o nm o d e l ,w h i c hi st e s t e d a n dv e r i f l e da c c o r d i n gt om e a s u r e dt e r r a i na n dh y d r o l o g i cd a t a ( 3 ) c a l c u l a t et h ed i s c h a r g ec a p a b i l i t yo ft h ec u r r e n ts i t u a t i o no fe s t u a r ya tv a r i o u s u p g a t ew a t e rl e v e l s ( 4 ) t o w a r d sd i f f e r e n tu p g a t ew a t e rl e v e l s ,c o m p u t et h ed i s c h a r g ec a p a c i t ya n d s e d i m e n t a t i o nc a p a c i t yo fe a c hp l a n ,m e a n w h i l ea n a l y z er e s u l t sa n de c o n o m i cv a l u e g i v et h er e s o l u t i o no f t h er a t eo f s e d i m e n t a t i o n ( 5 ) b yc o m p r e h e n s i v ec o m p a r e ,q u a l i t a t i v e l ya n a l y s i st h er e g u l a t i o n sb e t w e e n l e n g t h ,w i d t h ,b o u o m e l e v a t i o no fd i s p o s e de s t u a r ya n dd i s c h a r g ec a p a c i t y , s e d i m e n t a t i o nc a p a c i t y f i n a l l y , g i v et h eo p t i m u mp l a n t h er e s u l t so ft h i sp a p e rc o u l db ei np r a c t i c e ,i tp o i n to u tt h ed i r e c t i o nt ot h e r e c t i f i c a t i o nd e s i g no ft h ed i s p o s e da g g r a d a t i o n so fd u l i u j i a n h er i v e re s t u a r y a l s o , t h i sa p p r o a c hc o u l dg i v er e f e r e n e ev a l u et os i l tp r o b l e m so f o t h e re s t u a r i e s k e y w o r d s :m a t h e m a t i c a ls e d i m e n t a t i o nm o d e lo f t h ee s t u a r y ,t h ed u l i u j i a n h er i v e r e s t u a r y ,t h ec a l c u l a t i o no f t h ed i s p o s e da g g r a d a t i o n s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得墨鲞盘生或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝作者虢军事l 帮眨签字隰舻尹卵月矽f | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解蠢鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 鼾睛【哎 4 z 导师签名:嬲站民 签字日期:a 卯妒年7 - 月印f 签字h 期:2 d d 严年2 月o 日 第一章河口泥沙数学模刑研究综述 第一章河口泥沙数学模型研究综述 1 1 泥沙数学模型发展基本情况 在水利工程规划和设计中,常常遇到许多水沙运动和河床变形问题。随着 计算机储存容量和计算速度的飞速发展,河流泥沙数值模拟也得到长足的发展。 一维泥沙数学模型虽然在理论上做了许多概化,但一维数学模型实践经验丰富, 比较成熟,目前己能够解决许多长时期、长河段的河床冲淤问题。二维泥沙数 学模型虽然在理论上较一维模型完善,又能够给出河床上任何部位的流速和冲 淤变化情况,但由于实测资料和实践经验不足,目前还处于发展完善阶段。例 如,二维糙率、挟沙力沿河宽分布问题、非均匀沙分组挟沙力及级配问题、恢 复饱和系数和动边界问题等都有待进一步完善。 河口治理方案研究需同时考虑波浪、潮流和迳流等多种动力作用,应将河 口和河道作为一个整体进行模拟研究。河口是宽广的大尺度域,河道是窄长域, 理论上上边界应取在潮区界以上,对于这样的大尺度河口域和长距离的河道域 水流泥沙的模拟,数学模型具有很大的优势。河口是回答问题的重点区域,需 要进行平面二维计算,而河道主要模拟迳流来水来沙条件和纳潮量,可进行一 维非恒定水沙计算,通过交界而物理量的连续条件可将两区域的计算连接在一 起。 但是,一、二维泥沙数学模型只能反映断面平均及垂线平均水流泥沙运动 情况,不能反映它们沿水深的变化,而实际工程中的水流泥沙运动大都具有高 度的三维性,尤其是泥沙沿垂线几乎均为非均匀分布,因此只有三维泥沙数学 模型才能完全满足要求。近年来,三维泥沙数学模型发展却比较缓慢,其主要 原因有三个方面。 ( 1 ) 认为泥沙基本理沧还刁j 成熟,三维泥沙数学模型意义不大。诚然,泥 沙运动基本规律仍不成熟有许多问题有待进一步研究,这些问题目前还难以突 破。但是,开展三维泥沙数学模型研究,一方面是满足生产的需要,另方面 也是为了促进泥沙运动基本理论的研究和发展。 ( 2 ) 认为二维铌沙数学模型结构复杂,节点多,计算工作量大,不易进行 第一章河口泥沙数学模型研究综述 研究和应用。随着现代计算机技术迅速发展,这一问题已不再是研究三维泥沙 数学模型的障碍。 ( 3 ) 认为工程中的泥沙问题,一、二维泥沙数学模型已经够用,不需要三 维泥沙数学模型。这种看法是不全面的,因为实际工程中遇到的水流均为复杂 的三维流动,水流输送的泥沙也是三维的 1 2 泥沙数学模型的基本方程 1 2 1 一维泥沙数学模型基本方程 连续方程: 丝o t + 土b 塑o x = 。 ( 1 _ 1 ) 动量施詈+ 去 等 + 鲥l o b + 警卜 “- z , 悬移质运动方酰掣+ 掣一昙o x 卜芸 = 口础o ) 3 )d t0 x o xj 式中:毛,分别表示空间和时川坐标;q , 分别表示流量和水位;a ,b 分别表示 断面过水面积和河宽:k 为流量模数,k :一r 。,r 为断面水力半径;s 表 示水体含沙量;d ,为泥沙紊动扩散系数,在河道一维计算中由于断面间距常取 数百米数千米,d 。可取0 ;a 为含沙恢复饱和在内的综合系数:珊为泥沙沉 降速度;s + 为水流挟沙力。 12 2 二维泥沙数学模型基本方程 ( 1 ) 水沙控制方程 平面二维水沙运动的连续性微分方程和运动微分方程分别为 型+ 坐:d ,:,2 o t玉 詈+ 半+ g h o q 学= s 等“乩: ( 1 4 ) ( 1 5 ) 第一章河口泥沙数学模型研究综述 警+ 警叫垒a t 冲剖 川,z m a 苏 。 函1 、良,l 。 式中:为水深:f 为水位:u ,为垂线平均流速;s 为垂线平均含沙量;d 、为 泥沙紊动扩散系数。 ( 2 ) 悬移质河床变形方程 在河床表面上z = 瓦附近耿一个微小棱柱体作为控制体研究,假设在床面上 z = 气处悬移质时均含沙量为“,在d t 时间内,由于悬移质变化穿过床面z = 毛 的泥沙质量由两部分组成,一部分山于泥沙沉降引起,一部分由于泥沙紊动扩 散了巧引起,其大小为 :( 嘱+ d 。拿) 出咖出 ( 1 7 ) 同时,在础时间内,由于悬移质运动引起的床面高程变化即冲淤厚度为 ! 兰函,在控制体内其质量为 o t :p 挈出咖出 船 根据质量守恒定律,= 呒日口 ( 1 8 ) p 鲁= 嘲彻。警( 1 - 9 ) 上式为悬移质河床变化方程,当悬移质含沙量处于饱和状态时,悬移质含 沙量等于挟沙力,悬移质引起的河床冲淤平衡,河床变形为0 ,即有 琰孚= 一柝 ( 1 _ 1 ( ” 式中k 为河床底部挟沙力,悬移质河床变形方程可以变为 p 罢立:( 瓦一豆。) 优 在平面二维计算利,假发床面含沙量和挟沙力与垂线平均含沙量s 和垂线 第一章河口泥沙数学模型研究综述 平均挟沙力r 之间的关系为 瓦= a i s ,k = a 2 s 。 ( 卜1 2 ) 通常认为qz 。:a 臼并称为恢复饱和系数,最后平面二维悬移质河床变形方 程可以变为 p 鲁钏珊( s - s , ) ( 1 - l n ) 1 2 3 一维、二维连接条件 一维与二维计算模型的连接条件是:( 1 ) 水位相等:( 2 ) 流量相等;( 3 ) 含沙量相等:一般口门水位由二维控制,流量由河道一维计算提供,在每一时 步内先计算二维后计算一维。交界面应设置在顺直河段,对于交界面设置在口 门区的一、二维连接计算,在外海潮波扯动下,交界处的流量过程很大程度上 取决于交界面以内河道径流的纳潮量,而交界处的潮位既与外海潮位有关,又 与河道来流有关。基于这样的事实,交界处二维设置流速边界,断面流量由一 维确定,一维在此处设置水位边界,水位由二维提供。在每一时步内,先计算 二维,向一维提供出口水位,然后计算一维,获得出口处的流量,并提供二维 上边界。理论上讲,这一过程需要叠代一定次数,在本时步内获得稳定的潮位 和流量后再进行下一时步计算。但当时间计算步长不大时,计算过程能够体现 一、二维相互阳j 密切影响,可省去叠代过程,节省重复计算的机时。含沙量相 互间的传递取决于交界处流速方向,涨潮时由二维向一维传递,落潮时由一维 向二维传递。 1 3 泥沙数学模型数值求解方法 基本方程的离散求解方法有有限差分法( f d m ) ,有限元法( f e m ) 和有限 分析法,常用数值计算方法有垂向分层法、函数展开法、破开算子法、边界拟 合坐标法、二、三维耦合法等。 ( 1 ) 垂向分层法( 分层模型) 。早期的三维模型是建立在平面二维模型基 础之上的,将三维水流沿垂向分成若干层,每层均按平面二维来处理,层与层 第一章河口1 坭沙数。学模型研究综述 之间的交界面是不可入的,即没有质量交换,只有动量交换,每层的计算厚度 有连续方程来确定。该法的优点在于简单实用,有利于计算实际分层流。缺点 是引入人为交界面,交界面上必须引入摩组系数,而摩组系数选用往往带有经 验性。 ( 2 ) 函数展丌法。函数展丌法是将流速、密度的垂向变化用一组随水平位 置和时间变化的函数来表示。函数由一系列基函数的加权余量法来确定,常用 的基函数有三角函数,b 样条和线性积分函数。如d a v i e s 采用四阶样条展开的 速度垂直分布,其缺点是工作量大,此后,他又提出了正交函数展开法,其系 数方程仍为耦合的。也有用三次多项式构成形函数来描述垂向水流结构。 ( 3 ) 破丌算子法。破开算子法( 或称分步法) 的基本思想是引进一个或多 个中间变量,微分方程中的时削微商破丌成两个或更多部分,根据各部分特性, 分别选用合适的计算方法,其优点是对各部分能用最合适的数值方法求解,省 时省内存。其不足之处是时问分裂后,对时间离散只有一阶精度,边界条件提 法复杂。 ( 4 ) 边界拟合坐标法。有限差分法不足之处是不能很好的处理不规则边界, 为克服这一缺点,t h o m p s o n 等提出了边界拟合坐标法。在三维计算中的处理方 法是采用复合变换法,平面用边界拟合坐标,垂向用伸缩坐标。另一种方法是 将不规则边界组成的立方体变换成正方体,然后在正方体内求解。 ( 5 ) 三维耦合方法。先对全场进行二维计算,再在特定的区域进行三维计 算,三维计算中利用二维结果作为三维边界条件。该法灵活简便,缺点是交界 面附近可能产生阻力不连续。 此外还有三维有限元法,有限差分和有限元相结合方法。 第二章独流减河口基本情况 第二章独流减河口基本情况 独流减河为太清河系洪水的主要入海通道,它位于天津市南侧,起自西青 区第六埠村南,经西青、静海、人港等三个区县至防潮闸,全长6 7 k i n ,其左堤 是保卫天津市防洪安全的南部防线。该河始挖于j 9 5 3 年,原设计流量1 2 0 0 m 3 s 。 1 9 6 9 年大清河治理时对其按3 2 0 0 m s 规模进行了扩挖,并在入海1 3 处修建工 农兵防潮闸( 1 9 9 3 年改建后改称为独流减河防潮闸) 。独流减河是一条以行洪 为主,兼有灌溉、排水、水产等多种功能的河道( 见图2 一1 ) 。 独流减河防潮闸位于天津市大港区,北距海河口2 6 k i n ,南距子牙新河口 i 2 k m 。全闸共2 6 孔,其中过流孔2 2 孔,非过流孔47 l ,每孔净宽9 a m ,闸室 总宽2 8 7 2 m 设计闸上水位3 7 5 m ,( 8 5 国家基准) ,闸下水位33 5 m ,流量 3 2 0 0 m 3 s 。独流减河防潮闸的主要功能为平时挡潮御沙,为太港电厂保水;汛 期渲泄洪水,确保火清河下游地区的防洪安全。 独流减河口位于独流减河防潮闸下,属淤泥质河口。河口两侧的海岸线平 直,底坡平缓,潮间带宽广平直。河口左侧为大港电厂输水渠,右侧为1 。、? 、 3 4 号排泥场匿堰。河处滩宽水浅,闸下2 k m 范围内纵向比降约为1 2 0 0 0 。 2 1 气象 独流减河口位于渤海湾西岸天津市大港区境内,地处温带,为半湿润人陆 性季风型气候区。多年平均降雨量为6 0 2 m m ,最大年降雨量1 0 8 3 m m ,最小年 降雨量2 7 8 m m ,汛期降雨量占全年降粥量8 2 。多年平均气温 2 3 。c 最高气 温3 9 9 。c ,最低气温一1 8 3 c 。冰期为1 2 月i 二中旬至次年2 月中下旬,1 2 月 上、中旬比较严重,沿岸冰宽可达1 5 k m 左右,冰厚2 - 4 0 m m ,蹙大为5 0 c m 。 由于地处渤海之滨,海上空旷,风天较多。5 级以r 的风天一年中约有1 5 7 天, 8 级咀上的大风天年均5 0 天左右,最多达7 8 天。常风向为s ,强风向为n w , 次风向为酬e 和w n w 。最大n l 速3 3 m s :,年均风速4 2 m s 河口区的波浪以风浪为主。本坶区常浪向为e n e 和e ,强浪向为e n e 。次常 浪向为s w s 。揪掘塘沽海洋站19 6 0 1 9 8 5 年各方向实测年极波要紊资料,分析 计尊出各方向不同重现期的波噩豢见袭2 1 。 计算出各方向不同重现期的波受索见袭2 1 。 第二章独流减河口基本情况 第二章独流减河口基本情况 独流减河为大清河系洪水的主要入海通道,它位于天津市南侧,起自西青 区第六埠村南,经西青、静海、大港等三个区县至防潮闸。全长6 7 k r n ,其左堤 是保卫天津市防洪安全的南部防线。该河始挖于1 9 5 3 年,原设计流量1 2 0 0 m 3 s 。 1 9 6 9 年大清河治理时,对其按3 2 0 0 m 3 s 规模进行了扩挖,并在入海口处修建工 农兵防潮闸( 1 9 9 3 年改建后改称为独流减河防潮闸) 。独流减河是一条以行洪 为主,兼有灌溉、排水、水产等多种功能的河道( 见图2 一1 ) 。 独流减河防潮闸位于天津市大港区,北距海河口2 6 k m ,南距子牙新河口 1 2 k m 。全闸共2 6 孔,其中过流孔2 2 孔,非过流孔4 孔,每孔净宽9 8 m ,闸室 总宽2 8 7 2 m ,设计闸上水位3 7 5 m ,( 8 5 国家基准) ,闸下水位3 3 5 m ,流量 3 2 0 0 m 3 s 。独流减河防潮闸的主要功能为平时挡潮御沙,为大港电厂保水;汛 期渲泄洪水,确保大清河下游地区的防洪安全。 独流减河口位于独流减河防潮闸f ,属淤泥质河口。河口两侧的海岸线平 直,底坡平缓,潮间带宽广平直。河口左侧为大港电厂输水渠,右侧为1 8 、2 4 、 3 “号排泥场围堰。河i s l 处滩宽水浅,闸下2 k m 范围内纵向比降约为1 2 0 0 0 。 2 1 气象 独流减河口位于渤海湾西岸天津市大港区境内,地处温带,为半湿润大陆 性季风型气候区。多年平均降雨量为6 0 2 m m ,最大年降雨量1 0 8 3 m r n ,最小年 降雨量2 7 8 m m ,汛期降雨量占全年降雨量8 2 。多年平均气温1 2 3 。c ,最高气 温3 9 9 。c ,最低气温一1 8 3 。c 。冰期为1 2 月上中旬至次年2 月中下旬,1 2 月 上、中旬比较严重,沿岸冰宽可达1 5 k m 左右,冰厚2 0 4 0 r a a ,最大为5 0 c a 。 由于地处渤海之滨,海上空旷,风天较多。5 级以上的风天一年中约有1 5 7 天, 8 级以上的大风天年均5 0 犬左右,最多达7 8 天。常风向为s ,强风向为n w , 次风向为e n e 和w n w 。最大风速3 3 m s ,年均肛【速4 2 m s 。 河口区的波浪以风浪为主。本海区常浪向为e n e 和e ,强浪向为e n e 。次常 浪向为s w , q 。根据塘沽海洋站1 9 6 0 】9 8 5 年各方向实测年极波要素资料,分析 计算出各方向不同重现期的波要素见表2 1 。 州趟倒君窿餐烬黑【-n豳 第二章独流减河口基本情况 天津沿海受山东半岛和辽宁半岛掩护,历史上很少有台风在独流减河口登陆。但 受北上台风的影响,夏季常出现暴阿、大风等强烈的天气。大风和风暴潮一般 发生在每年7 8 月份,其次是9 11 月份。大风和风暴潮不仅使沿海地区造成 巨大的经济损失,而且涨潮刚河口一片昏黄,潮流含沙量成倍增加,加剧了河 口的淤积。 表2 1塘沽海洋站测波点设计波要素 n ees e 重现期潮位( m ) 波高周期波高周期波高周期 1 0 03 4 14 6 68 94 1 08 53 0 47 7 5 03 2 34 1 18 53 6 98 12 6 37 4 2 0 9q q 4 3 68 o3 0 l7 62 0 46 7 2 2 径流、泥沙 大清河水系历史上洪涝灾害频繁,是海河流域洪涝灾害的主要河系。独流 减河自1 9 6 9 年扩挖以来,由于海河流域除个别年份外长期干旱,导致独流减河 入海径流很少。除1 9 7 7 年最大泄量达到1 0 9 0m 3 s 外,其余年份均不超过1 0 0 0 m 3 s 。据1 9 7 1 年2 0 0 2 年统计资料,3 2 年累计入海径流量为6 9 9 7 亿m 3 ,多 年平均入海径流量为2 1 9 亿n 1 3 。其中以1 9 7 7 年入海水量较最多,为2 3 2 0 亿 m 3 :其次为1 9 9 5 、1 9 9 6 年,入海径流量分别为1 2 8 3 、1 3 4 1 亿m 。有1 6 年 常年闭闸无径流f 泄。独流减河防潮闸入海径流量统计见表2 - - 2 。 表2 2 独流减河防潮闸入海水量统计表单位:亿m 3 统计年代总入海水越 年均入海水量 1 9 7 l 1 9 8 0 4 1 3 6 41 4 1 9 8 l 1 9 9 0 0 6 80 0 7 1 9 9 1 2 0 0 0 2 7 9 3 2 7 9 2 0 0 0 2 0 0 2 0 0 独流减河由于上游来水层层拦蓄、滞洪,由进洪闸下泄径流含沙量较小。 “9 6 8 洪水期削进洪闸实测含沙量为o 0 l 0i k g m 3 。加之独流减河河道纵坡 第一二章独流减河口基本情况 平缓,从防潮闸入海径流基本为清水。 2 3 潮汐、潮流 2 3 1 潮汐特征 渤海湾潮流运动形式总体为往复流,涨潮时指向岸边,落潮指向湾口。据 1 9 9 7 年6 月水文全潮观测资料,独流减河口的涨潮历时为5 小时3 0 分,落潮 历时为6 小时15 分,涨落潮比为o 8 8 。 独流减河下段原为感潮河段。河口建闸后,感潮河段消失,河口深渊容积 减小,且逐年淤积,潮流大幅度减弱。涨潮流速大于落潮流速。 2 3 2 潮流特征 独流减河口潮汐为不规则半日潮,在一个太阳日内有两次高潮和两次低潮, 相邻的高潮或低潮不等,一般大的涨潮潮差大于落潮潮差,小的涨潮潮差小于 落潮潮差。一年之内,汛期潮位高、潮差最大,冬季潮位低、潮差最小。风暴 潮多发生在4 5 月份和g 1 0 月份。闸下潮位一般采用距闸3 0 k i n 的北炮台和 六米站潮位资料。据统计,汛期历年平均高潮位为1 4 9 m ,历年平均低潮位为 一1 0 3 m ,平均潮差2 5 3 m ;全年平均高潮位为1 1 8 m ,平均低潮位一1 2 5 m ,平均 潮差2 4 3 m 。独流减河口潮位特征值统计见表2 3 。 表2 3 独流减河口潮位特征值统计表 潮位特征值汛j 9 l全年 高徉( m )出现时问高程( 1 1 1 )出现时间 历史最高潮位 3 3 4 1 9 9 2 9 13 3 41 9 9 2 9 1 历史最低潮位 - 2 7 21 9 6 81 0,3 6 21 9 6 8 1 1 历年最高潮位平均 2 2 62 4 0 历年最低潮位平均 2 1 33 j8 历年高潮位平均 1 4 91 1 8 历年低潮伉平均 ,1 0 31 2 5 平均潮差 2 5 324 3 最大潮著 4 3 71 9 8 0 1 0 第二章独流减河口基本情况 2 4 河口冲淤现状 自1 9 6 9 年在河口建闸后,由于3 0 多年来海河流域除个别年份外干旱少雨, 缺乏下泄径流,使独流减河防潮闸常年处于关闭状态,河口基本上被潮汐动力 所控制,由此改变了河i = i 的动力因素和边界条件。由于涨潮流速大于落潮流速, 涨潮含沙量大于落潮含沙量,导致闸下产生严重淤积,河道断面逐年缩小,河 口段泄流能力大幅度下降。据统计,闸下3 0 0 0 m 范围内累计淤积量达2 4 0 万 一,闸下2 2 0 0 m 以内总淤积量达1 6 6 万m 3 ,淤积厚度具有自闸向下沿程递减 的趋势。闸下最大淤积厚度达4 2 m ,平均淤积厚度达3 4 m ,闸下1 2 0 0 m 以内 淤积厚度平均3 5 m ,闸下1 2 0 0 m 2 2 0 0 m 平均淤积2 6 m 。据水利部天津院独 流减河治理恢复3 2 0 0 m 3 s 可行性研究报告,在独流河防潮闸原设计水位2 7 4 m 情况下,闸现状( 1 9 8 9 年) 过流能力山原设计3 2 0 0 m 3 s 下降为1 2 0 0 m 3 s 。据 2 0 0 2 年1 月实测的1 :5 0 0 0 闸下河道地形图与1 9 9 8 年3 月实测的河口地形相 比较,8 0 0 m 以前主槽深泓平均淤高约o 4 3 m ,两岸滩地平均淤高0 1 m :闸下 8 0 0 2 0 0 0 m 的o o m 和o 5 m 等深线向外海延伸2 0 0 4 0 0 m 。独流减河防潮闸下 1 0 0 0 m 位置的过流水面宽度变化情况见表2 - 4 ,独流减河防潮闸下历年淤积情况 见表2 5 。 表2 - 4 建闸后各年份闸下1 0 0 0 m 位置的过水断面 、年份 1 9 7 6 61 9 7 9 31 9 8 0 31 9 8 1 41 9 8 2 31 9 8 9 61 9 9 0 过水面积( m 2 ) 1 6 9 38 0 01 6 9 01 3 2 61 4 0 01 3 5 61 1 3 0 计算高程( i n ) 252 52 52 52 52 52 5 表2 - 5 独流减河防潮闸下历年淤积情况统计 年份 1 9 6 7 1 11 9 7 6 31 9 7 9 31 9 8 0 31 9 9 5 31 9 9 6 31 9 9 7 3 1 9 9 8 3 计算范嗣 o 3 3 30 3 _ 3 30 3 3 30 1 5o 1 5 0 1 50 2 o ( k m ) 淤积茸 ( 万m ) 02 3 7 62 i5 2】1 5 5 41 7 l0 613 96 78 9 8 71 3 92 第二章独流减河口研究目的、内容及研究方法 第三章独流减河口研究目的、内容及研究方法 3 1 研究目的 本次研究为生产应用研究,主要同的是建立独流减河口二维泥沙数学模型, 分析清淤方案与河口泄量及回淤量的关系,为河口清淤整治提供科学依据。具 体为: ( 1 ) 确定不同闸上水位条件下现状河口泄流能力。目的是摸清河口现状条 件下,防潮闸上水位与过流姑的关系,掌握河口淤积对过流能力的影响程度。 ( 2 ) 确定不同闸上水位条件f ,消淤方案( 长度、宽度、底高程) 与河口 泄量的关系。目的是分析何种方案能够满足独流减河现状或设计泄流要求,且 清淤量相对较小。 ( 3 ) 确定不同清淤方案的清淤量与凹淤量的关系。目的是分析采用何种方 案回淤率相对较小,能够促使河口淤积向良性发展或减缓河口的淤积速度。 ( 4 ) 提出河口清淤的优选方案。目的是为河口清淤方案的设计提供理论计 算的的依据。 3 2 研究内容 本课题主要研究范围为独流减河防潮闸下2 k i n 以内。考虑不同的闸上水位, 不同的清淤设计断面,不同的清淤长度条件下,泄流能力、清淤量与回淤量之 间的相互关系。 本课题采用二维泥沙数学模型的研究方法,建立数字化清淤方案,确定泄 量,回淤量,模拟清淤效果。县体完成以下研究工作: ( 1 ) 建立独流减河口1 9 9 7 年地形验证模型,模拟闭闸运行和1 9 9 7 6 1 3 - - 1 9 9 7 6 2 2 之间的大、中、小潮海域边界条件,验证闸下大、中、小潮的潮位、 流向、流速、含沙量等水动,j 和泥沙含量过程,此模型计算3 组模拟情况。 第二章独流减 l i j 口研究日的、内容及研究方法 ( 2 ) 独流减河口现状泄流能力分析,即以2 0 0 2 年清淤前河口实测地形为 模拟条件,分析闸上水位分别为2 5 、27 5 、3 o 、3 2 、3 5 、3 7 5m 时河口相应 的过流能力。计算6 组模拟情况。 ( 3 ) 不同闸上水位与不同清淤方案的组合,计算河口的泄流能力,即清淤 长度分别为8 0 0 、9 0 0 、1 0 0 0 m ;清淤底高程分别为2 0 、2 3 、一2 6 m :清淤宽 度分别为18 0 1 5 0 m 和1 8 0 l o o m ( 1 8 0 1 5 0 m 表示闸下o 2 0 0 m 之间清淤底宽 度1 8 0 m ,闸下2 0 0 m 以外清淤底宽度1 5 0 m :1 8 0 l o o m 表示闸下o - 2 0 0 m 之间 清淤底宽度1 8 0 m ,闸下2 0 0 m 以外清淤底宽度1 0 0 m ) 。清淤坡度均为1 :8 。图 3 1 为清淤范围示意图,其中a 、b 、c 分别表示8 0 0 、9 0 0 、1 0 0 0 m 清淤长度的 终点位置。同一闸上水位,组合清淤方案1 8 种( 见表3 1 ) ,根据表3 一l 的1 8 种清淤方案,分析各方案在闸上水位分别为2 5 、2 7 5 、3 0 、3 2 、3 5 、3 7 5m 时的泄流能力。计算1 0 8 组模拟情况。 ( 4 ) 据表3 1 的1 8 种清淤方案,分析各方案在闭闸运行时的回淤情况。计 算1 8 组模拟情况。 ( 5 ) 结合独流减河道现状泄流能力利没计泄流能力,比较独流减河口各清 淤方案的泄流能力和回淤情况,选取泄流能力能够满足要求且清淤量相对较小、 回淤率相对较低的清淤方案作为推荐方案。 3 3 研究方法 采用二维非恒定流泥沙数学模型来研究回答上述工程问题。该模型包括潮 流、波浪综合作用下的不平循挟沙模式的计算程序及各种绘图软件等。通过研 究潮流波浪变形规律,确定模型下游海域的来水来沙过程。通过模拟天然泥沙 潮波运动,确定各方案的回淤情况。建立数学模型采取以下步骤: ( 1 ) 用水文、地形资利较仝的大、中、小时间序列的潮型作为验证模型的 边界。根据资料确定模型范围。 ( 2 ) 模型验证中,调试模型糙率,以大、中、小潮,潮位,流速,流向, 含沙量逐时过程为验证曲线。对计算值与实测值进行比较,说明模型的精度与 在此问题研究中的可行性。 ( 3 ) 模型方案的预报。列_ i 同| | | j 没讣方案条件下进行水流逐时运动和泥 第二章独流减河口研究目的、内容及研究方法 沙逐时运动模拟,统计全潮各物理量余量的变化。 ( 4 ) 比较各物理量的优劣,进行方案比选。在诸多物理量的比选中,单项 指标是否起到关键作用,应由设计单位掌握。 表3 - i 清淤模拟方案 方案编号消淤k 度( m )消淤高科( m ) 消淤宽度( m )清淤坡度清淤量( 万1 1 1 3 ) l8 0 02 o1 8 0 - 1 5 0 l :8 3 4 6 6 28 0 02 0 l b o - l o ol :8 2 86 6 38 0 0231 8 0 - i 5 01 :83 7 9 8 48 0 02 :1 8 0 一1 0 0l :83 0 9 8 58 0 0- 2 61 8 0 1 5 01 :84 1 - 3 0 68 0 0261 8 0 1 0 01 :83 3 3 0 79 0 02 01 8 0 一1 5 01 :83 9 3 6 8 9 0 02o】8 0 一】d 0 】:8 3 2 4 6 99 0 02 31 8 0 一1 5 01 :84 3 ,2 3 1 09 0 02 :1 8 0 1 0 01 :83 5 1 8 i i 9 0 0 2 61 8 0 1 5 0l :84 7 1 1 1 9 9 0 02 6 1 8 0 - 1 0 0l :8 3 7 9 l 1 31 0 0 02 o1 8 0 1 5 0l :84 4 1 8 1 4i 0 0 0201 8 0 - 1 0 0l :8 3 6 3 8 1 5】( ) 0 02 3】8 0 1 5 0l :84 8 6 2 1 61 0 0 02 31 8 0 - 1 0 01 :83 9 5 2 1 71 0 0 02 61 8 0 1 5 01 :8 5 3 0 6 1 81 0 0 0261 8 0 一1 0 0i :8 4 2 6 6 圃艟憔匠鞅稳烬卜壁【_陬 第四章独流减河口泥沙数学模j 口验让及预报依据的资料 第四章独流减河口泥沙数学模型验证及预报依据的资料 4 1 模型验证依据资料 ( 1 ) 1 9 9 7 年6 月1 3 同2 2 同大、中、小潮流速潮位含沙量实测曲线。 1 9 9 7 年6 月1 1 日2 3h 水利部海河水利委员会规划设计科研处组织完成 了独流减河口大、中、小潮共3 个典型潮汐的全潮观测。观测范围为独流减河 防潮闸至闸下1 5 k m 处,横向与河口中泓线垂直,宽度约2 - 1 0 k m ,控制面积 8 0 k m 2 。共布观测站8 个,其中纵断3 条,横断2 条。主要观测项目为潮位、水 深、流速、含沙量、风速、风向、水温、水含盐度、河床底质等。其中测流站 8 个,水位站3 个胍站1 个。观测时问见表4 1 ,观测站位置见图4 1 ,观测 站位坐标见表4 - 2 。 受本模型范围限制,只有1 号测站在模型范围内,1 号测站实测潮位、流 速和含沙量过程线见图4 2 。 ( 2 ) 1 9 9 7 年独流减河口年清淤酊平面图。 采用与大、中、小典型潮位过程相应的1 9 9 7 年清淤前地形建立验证模型。 ( 3 ) 河床糙率采用水利部天津院独流减河扩大3 6 0 0 m3 s 可行性研究报 告中的数值为参考。 由于缺少独流减河防潮闸下河床糙率资料,参考独流减河河道糙率显得尤 为重要。独流减河河道设计糙率见表4 3 。 模型主要参考1 号观测站底质、容重和颗粒级配资料确定主要参数。1 号观测 站底质、容重和颗粒级配资料见表4 - 4 。 表4 1 观测时间表 观测f i 期观测时阳j潮型 1 9 9 7 年6 月1 3 1 4 日农历五月初九至初十日】4 :0 0 次日】7 :3 0小 1 9 9 7 年6 月1 3 1 4 日 农历- f i f q - t 一二至十四日 】8 :0 0 次日2 2 :3 0 中 1 9 9 7 年6 爿1 3 - 1 4 日 农历,i j _ 卜l 至十八e 1 9 :0 0 次日1 2 :3 0大 第四章独流减河口泥沙数学模j 弘验证及预报依据的资料 表4 - 2 观测站位坐标 i 站号 代表断面北京坐标系( x )北京坐标系( y ) 观测项目 i1 + 0 0 04 2 9 3 0 0 02 0 5 5 0 0 0 0 水位、流速、含沙彗 25 + 0 0 04 2 9 8 0 0 0 2 0 5 5 4 0 0 0流速、含沙量 35 + 0 0 04 2 9 3 0 0 02 0 5 5 4 0 0 0 水位、流速、含沙量 45 + 0 0 0 4 2 8 8 0 0 02 0 5 5 4 0 0 0 流速、含沙量 51 0 + 0 0 0 4 2 9 3 0 0 02 0 5 5 9 0 0 0 流速、含沙量 61 3 + 0 0 04 2 9 8 0 0 02 0 5 6 2 0 0 0 流速、含沙量 71 3 + 0 0 04 2 8 8 0 0 02 0 5 6 2 0 0 0 流速、含沙量 8 1 6 + 0 0 04 2 9 3 0 0 0 2 0 5 6 5 0 0 0 流速、含沙量、风 表4 - 3 独流减河河道设计糙率 河段深槽糙率滩地糙率 防潮闸- 尔千米桥 0 0 2 2 5 0 0 3 0 东千米桥一硝千米桥 0 0 2 2 50 0 3 0 两千米桥陈台子0 0 2 2 50 0 3 0 陈台子进洪闸0 0 2 2 50 0 3 0 防潮闸f0 0 2 2 50 0 3 0 表4 - 4 独流减河口1 号站底质资料 粒径( m m )0 0 6 4 0 0 4 6 0 0 3 4 0 0 2 2 0 0 1 4o 0 1 0 某种粒径以r 的百分数( ) 7 7 06 405 4 04 102 7 11 7 o 中值粒径d 5 0 ( m m ) 0 0 3 湿容重1 0 3 ( k g m 3 ) 1 7 1 0 干容重1 0 3 ( k g m 3 ) 0 9 9 含水量( )7 3 3 9 第四章独流减河口泥沙数学模】弘验证及预报依据的资料 4 2 模型预报依据资料 ( 1 ) 各清淤方案下泄流能力预报模型,闸上水位分别采用给定的2 5 、2 。7 5 、 3 0 、3 2 、3 5 、3 7 5 m ,6 组闸上水位,闸下选取建国以来渤海湾出现的7 2 潮型作为海相的潮位过程( 设计潮位) 。7 2 潮型为1 9 7 2 年7 月2 6 日0 :o o 2 7 日1 :0 0 实测潮型( 表4 5 ) 。 表4 - 5 独流减河口潮型特征值 潮别 、 高高潮高低潮低高潮低低潮 时间( h ) ( 1 9 7 2 7 2 6 )1 6 :0 52 2 :0 0 3 :2 01 0 : 潮位( m ) ( 黄海8 5 ) 2 2 2o 3 71 4 02 ,5 ( 2 ) 2 0 0 2 年独流减河口带状地形图和断面资料。 泄流能力预报模型采用2 0 0 2 年1 月独流减河口清淤前地形图为依据。清淤 挖方量和泥沙回淤量统计将考虑汛期前地形的淤积厚度。2 0 0 2 年独流减河1 3 带 状地形图见图4 3 。2 0 0 2 年独流减河口三维地形图见图4 - 4 。 砸榧屿掣按藁曝隧匾供副尊卓朴蒹怠噗口度壤壤器t目匦 潮憧( n ” os 0 一n5 】) iy 09 mb u 、 0 01 髓剐瞳1 墨玷峙 湖璺川辩 琉遵m ,s 湘住恤) 5 0 观硝站位j 号坫住 _ e8 1a :2 1 j 翮型,? ,蛲町叼l ”9 1h 1 ,一ie 硝惩n j s 台净登ik i n l 1 12 3 o 小时 鲁秒圣i t z + 寸j 2 6 8 10l2l - i16s个计 珊型尢潮时阃19 9 7o2 1 27 减速恤s 1 音沙罾:k g m 0 图4 2 独流减河口1 号观测站潮位、流速、含沙量过程线 、f 业圆键 、,一一 ,i 险 图4 - 32 0 0 2 年独流减河口地形圈 t n 匦龄碧庭鹰蟋暴丫口匦 第五章独流减河口泥沙数学模型的建立 第五章独流减河口泥沙数学模型的建立 5 1 基本方程 水动力和泥沙输移数学模型以质量守恒和能量守恒为基本原理。质量守恒 和能量守恒在数学模型中以连续方程和运动方程的形式体
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