龍從作業(yè)區(qū)河道水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析

蔣 峰，黃偉軍，覃昌佩，劉 穎

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029)

龍從作業(yè)區(qū)河道水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析

蔣 峰，黃偉軍，覃昌佩，劉 穎

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029)

文章利用龍從作業(yè)區(qū)的有關(guān)設(shè)計(jì)資料和工程所在河段的實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)，采用DHI公司的河口海岸模擬軟件MK21的水動(dòng)力模塊建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)碼頭建設(shè)前后工程所在區(qū)域及前方航道在各設(shè)計(jì)水位及相應(yīng)流量下的水流流速、流向等變化進(jìn)行計(jì)算分析，得到各設(shè)計(jì)工況下碼頭工程建設(shè)前和建設(shè)后附近水域流速、流向的變化值，為該碼頭工程建設(shè)的通航安全論證提供了有力的數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)，亦為類似工程建設(shè)的通航安全論證提供借鑒和參考。

碼頭工程；航道；龍從作業(yè)區(qū)；河道水流；流速；流向；數(shù)學(xué)模型

0 引言

通航安全影響論證是開展涉水工程建設(shè)前期工作的重要階段，是降低因涉水工程建設(shè)影響通航安全的重要措施，是涉水工程獲得立項(xiàng)審批的必備條件[1]。

為確保圓滿完成廣西來賓港武宣港區(qū)龍從作業(yè)區(qū)的通航安全論證報(bào)告，須利用較成熟可靠的計(jì)算軟件建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)工程建設(shè)前后各設(shè)計(jì)工況下工程附近水域的水流流速和流態(tài)的變化進(jìn)行模擬計(jì)算，得出相應(yīng)的計(jì)算成果，以判斷工程建設(shè)后對(duì)該段河道通航安全的影響，為工程的建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

武宣港區(qū)位于廣西來賓市武宣縣，龍從作業(yè)區(qū)位于武宣大橋下游約9.8 km，規(guī)劃為散貨、件雜貨和集裝箱作業(yè)區(qū)。擬建的大藤峽水利樞紐位于本工程下游約52.6 km。龍從作業(yè)區(qū)建設(shè)規(guī)模為新建6個(gè)3 000 t級(jí)泊位。碼頭水工結(jié)構(gòu)采用二級(jí)平臺(tái)碼頭結(jié)構(gòu)型式。一級(jí)平臺(tái)采用重力式擋墻結(jié)構(gòu)，二級(jí)平臺(tái)采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，下構(gòu)為鋼筋混凝土沖孔灌注樁。

2 DHI公司MK21軟件簡(jiǎn)介

MK21軟件是由DHI(丹華水利環(huán)境技術(shù)有限公司)集團(tuán)研發(fā)的可用于水及水環(huán)境相關(guān)的數(shù)學(xué)模型的二維模擬工具，可用于模擬河道水流、河口海岸、水資源及水質(zhì)管理、城市給排水、防洪、海洋工程等多個(gè)領(lǐng)域。其中的水動(dòng)力模塊可用于湖泊、水庫、河流、河口、海岸及海洋的水動(dòng)力模擬，溫、冷排水及鹽水入侵模擬，并可進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)物的模擬，如橋墩、閘門、圍堰、涵洞及組合結(jié)構(gòu)物等，是目前應(yīng)用較廣泛和可靠的模擬計(jì)算軟件。

3 河道水流數(shù)學(xué)模型

3.1 數(shù)學(xué)模型方程及算法

為了較準(zhǔn)確模擬河道曲折岸線形態(tài)，選用正交曲線坐標(biāo)系下的平面二維水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。模型求解采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中心網(wǎng)格有限體積法求解，其優(yōu)點(diǎn)為計(jì)算速度較快，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以擬合復(fù)雜地形。

3.2 計(jì)算范圍、計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

(1)計(jì)算范圍

根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算范圍確定為工程區(qū)域及上下游各1.5 km總長約3 km的河段。

(2)計(jì)算模型

利用龍從作業(yè)區(qū)設(shè)計(jì)資料和工程河段實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)，采用DHI公司河口海岸模擬軟件MK21水動(dòng)力模塊分別建立工程河段建設(shè)前和建設(shè)后的平面二維水流數(shù)學(xué)模型，上游開邊界采用流量控制，下游開邊界采用水位控制。水位-流量組合控制為短模型的較好控制模式，見圖1～2。

圖1 計(jì)算模型地形示意圖(工程建成后)

圖2 計(jì)算模型高程點(diǎn)示意圖(工程建成后)

(3)網(wǎng)格劃分

采用Flexible Model網(wǎng)格(三角形網(wǎng)格以及四邊形網(wǎng)格)劃分，碼頭平臺(tái)附近對(duì)三角形網(wǎng)格進(jìn)行加密，一級(jí)平臺(tái)斜坡采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分。斜坡采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分。本工程采用二維水流控制方程組，并輔以三角形網(wǎng)格和動(dòng)邊界處理技術(shù)，見圖3。

圖3 計(jì)算模型局部網(wǎng)格劃分圖(工程建成后)

3.3 數(shù)學(xué)模型計(jì)算參數(shù)及計(jì)算工況選取

3.3.1 計(jì)算參數(shù)選取

(1)動(dòng)邊界處理

對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)灘地干濕過程，采用水位判別法處理，即當(dāng)某點(diǎn)水深小于一淺水深hdry(如0.005 m)時(shí)，令該處流速為零，灘地干出，當(dāng)該處水深大于hflood(如0.05 m)時(shí)，參與計(jì)算，河水上灘。

(2)糙率選取

糙率是水流計(jì)算的主要參數(shù)之一，反映了水流運(yùn)動(dòng)過程中的阻力特性，糙率選取正確與否對(duì)計(jì)算結(jié)果有直接影響。糙率在水流計(jì)算中是一個(gè)綜合參數(shù)，與床面泥沙特性、水深及地形形態(tài)均有一定關(guān)系。參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合本工程實(shí)際，曼寧值取為0.032。

(3)其它參數(shù)

紊動(dòng)粘性系數(shù)，該參數(shù)取值在一定范圍內(nèi)均可以獲得良好結(jié)果，與網(wǎng)格步長及當(dāng)?shù)厮魈匦杂嘘P(guān)，采用Smagorinsky公式計(jì)算，使其隨網(wǎng)格尺度及水流動(dòng)力強(qiáng)弱自動(dòng)調(diào)整，避免紊動(dòng)擴(kuò)散項(xiàng)過大引起流場(chǎng)失真又能增強(qiáng)模型穩(wěn)定性。模型主要計(jì)算參數(shù)見表1。

(4)計(jì)算概化處理

目前，水動(dòng)力模塊數(shù)學(xué)模型二維計(jì)算中對(duì)于建筑物的概化處理主要有兩種方法：(1)采用增加建筑物所在位置的糙率，即附加阻力法；(2)直接調(diào)整阻水建筑物所在位置的高程，使其超過干濕邊界值，保證其不過水。結(jié)合本工程實(shí)際情況，對(duì)一級(jí)平臺(tái)重力式碼頭和二級(jí)平臺(tái)高樁梁板式碼頭的阻水效果均采用附加阻力法的方法進(jìn)行概化處理，僅當(dāng)水位超過二級(jí)平臺(tái)面板時(shí)采用直接調(diào)整面板所在區(qū)域的高程值來實(shí)現(xiàn)計(jì)算概化。

表1 模型主要計(jì)算參數(shù)表

3.3.2 計(jì)算工況選取

結(jié)合本工程實(shí)際情況，模型計(jì)算共采用3種工況，各計(jì)算工況水位及流量等見表2。

表2 計(jì)算工況表

3.4 計(jì)算過程和計(jì)算目的

利用建立的工程建設(shè)前和建設(shè)后的河道水流數(shù)學(xué)模型，分別計(jì)算3種工況下工程建設(shè)前后本工程河段附近水域的水位、流向、流速變化特征及變化值，綜合分析和評(píng)價(jià)工程對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定、航道水流及通航安全的影響。

4 計(jì)算成果分析

在擬建碼頭工程附近水域上、下游河道200 m范圍內(nèi)分別選取若干個(gè)采樣點(diǎn)，并將各計(jì)算工況下各區(qū)域各采樣點(diǎn)工程建設(shè)前后流速、流向的數(shù)值以及變化值進(jìn)行提取和統(tǒng)計(jì)，以便于直觀分析工程建設(shè)前后碼頭附近水域流速、流向的變化。計(jì)算模型采樣點(diǎn)示意圖見圖4。

圖4 計(jì)算模型采樣點(diǎn)示意圖

限于篇幅，本文僅給出設(shè)計(jì)高水位工況工程建設(shè)前后水流流速、流向變化情況，見下頁表3。

(1)碼頭前方航道水域流速變化

在設(shè)計(jì)高水位工況下，工程建設(shè)前后現(xiàn)狀Ⅴ級(jí)航道和規(guī)劃Ⅱ級(jí)航道范圍內(nèi)的水流流速變化值很小，除個(gè)別采樣點(diǎn)流速有少許增加(最大值為+0.02 m/s)外，基本為不變或稍微變小(最大值為-0.1 m/s)。

(2)碼頭附近停泊和回旋水域流速變化

大藤峽建成后，本工程河段變?yōu)閹靺^(qū)，水流更加平緩。設(shè)計(jì)高水位工況下工程建設(shè)前后碼頭停泊水域采樣點(diǎn)流速變化值在-0.62～+0.17 m/s，流速變化較小，碼頭工程的建設(shè)對(duì)碼頭附近和航道水域范圍內(nèi)水流流速的影響較小。

(3)碼頭前方航道水域流向變化

在各計(jì)算工況下，工程建設(shè)前后現(xiàn)狀Ⅴ級(jí)航道和規(guī)劃Ⅱ級(jí)航道范圍內(nèi)的水流流向變化值很小，均位于-2°～1°，絕大部分采樣點(diǎn)的流向基本沒有變化。

表3 工程建設(shè)前后水流流速、流向變化表

(4)碼頭附近停泊和回旋水域流向變化

除設(shè)計(jì)高水位工況下的個(gè)別采樣點(diǎn)的流向變化值分別為5°、-11°、5°、-7°之外，其余采樣點(diǎn)的流向變化值均位于-3°～3°。究其原因，是由于計(jì)算模型建立時(shí)上述4個(gè)采樣點(diǎn)位于港池開挖的端點(diǎn)位置，實(shí)際開挖的港池與原河床地形相比有一定的突變，導(dǎo)致此處的流向變化值較大。

總的來說，工程建設(shè)前后的流向變化均<3°，碼頭工程的建設(shè)對(duì)碼頭附近和航道水域范圍內(nèi)的水流流向的影響不大。

5 結(jié)語

模型計(jì)算成果表明：各計(jì)算工況下，工程建設(shè)前后碼頭附近停泊水域和回旋水域以及碼頭前方航道水域內(nèi)的采樣點(diǎn)流速大部分為增加，亦有部分采樣點(diǎn)流速輕微減小，但總體變化值較小；采樣點(diǎn)流向變化主要由碼頭水工建筑物阻水及碼頭前沿港池開挖造成，碼頭附近水域的流向變化較大?？傮w而言，相同計(jì)算工況下各采樣點(diǎn)的流速、流向變化值與距碼頭的距離成反相關(guān)，距離越近，流速、流向變化值越大；距離越遠(yuǎn)，流速、流向變化值越小，但絕對(duì)變化值均屬于較小值。本工程的建設(shè)對(duì)工程河段的正常和安全通航影響很小，對(duì)工程河段河床整體的沖淤和演變趨勢(shì)影響甚微。

參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算成果與實(shí)際情況基本吻合，可為通航安全論證報(bào)告等提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)，亦可為類似工程的建設(shè)提供參考和借鑒。

[1]廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院.武宣縣工業(yè)投資有限責(zé)任公司來賓港武宣港區(qū)龍從作業(yè)區(qū)一期工程通航安全影響論證報(bào)告[R].2015.

Calculation and Analysis of Riverway Waterflow Mathematical Model in Longcong Operation Area

JIANG Feng，HUANG Wei-jun，QIN Chang-pei，LIU Ying

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

By using the relevant design document of Longcong Operation Area as well as the actual terrain data of the river segment where the project is located，this article used the hydrodynamics module of DHI Company’s estuarine and coastal simulation software MK21 to establish the corresponding mathematical model，calculated and analyzed the flow velocity，flow direction and other changes of engineering site before and after the dock construction as well as the front waterways at each design water level and under the cor-responding flows，obtained the change values of flow velocity and flow direction of the surrounding waters before and after dock engineering construction under each design condition，which provided the strong data support and scientific basis for the navigation safety verification of this dock engineering construction，also provided the references for navigation safety verification of similar engineering construction.

Dock project；Waterway；Longcong Operation Area；Riverway flow；Flow speed；Flow direction；Mathematical model

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.025

1673-4874(2015)04-0089-04

2015-03-08

蔣 峰，工程師，主要從事水運(yùn)工程設(shè)計(jì)工作。