龍江流域整治項目水流泥沙數(shù)值模擬研究

張齊焰+高瑩

【摘 要】建立了福清市龍江利橋～福清灣河段二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型，給出了數(shù)學(xué)模型的基本原理，包括控制方程、邊界條件、初始條件等對模型中幾個關(guān)鍵問題提出了處理方法。模型驗證表明，計算的水位、流速分布與實測值吻合較好，河床變形計算結(jié)果和調(diào)查結(jié)果基本一致。總結(jié)了福清市龍江利橋～福清灣河段自然條件，計算分析了龍江設(shè)計水文參數(shù)，確定了不同頻率下的模型上游流量過程、設(shè)計潮位和潮型。計算了不同洪潮組合條件下的龍江河口段水位、流速、流態(tài)、水流動力軸線等，利用泥沙數(shù)學(xué)模型計算了河道沖淤厚度等，并對各方案進(jìn)行了比選，推薦了最優(yōu)方案，為工可設(shè)計研究提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】龍江；水流泥沙；數(shù)值模擬；河床變形

0 概述

龍江是福清市最大的河流，多年平均流量18.83m3/s，河道平均坡降4‰，干流全長62km，其中，福清境內(nèi)長35.5km，流域面積474km2，被稱為福清的母親河。福清龍江上游河床較陡，兩岸基本建成30年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)的防洪堤。龍江下游現(xiàn)有河道現(xiàn)狀河寬約120～400m，兩岸有較為寬闊的灘地，河道未經(jīng)系統(tǒng)整治，急彎較多，河口寬窄不一，兩岸淘刷、淤積較為嚴(yán)重，部分河床裸露、河灘雜草叢生，景觀環(huán)境較差。在遇到上游發(fā)生洪水，特別是在洪、澇、潮“三碰頭”時，受龍江洪水以及外海潮水頂托，內(nèi)部山洪及澇水宣泄不暢，極易致災(zāi)。

為提高城市防洪排澇能力，加強(qiáng)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，構(gòu)建福清市防洪減災(zāi)體系，保護(hù)人民生命財產(chǎn)安全，同時滿足居民娛樂休閑、生態(tài)景觀功能等方面的需求，福清市擬對龍江流域?qū)嵤┚C合整治，工程分批實施，主要的工程內(nèi)容包含：龍江利橋下游1km至出海口河道，進(jìn)行清淤、拓寬、護(hù)坡整治，局部河段裁彎取直，同時在河道內(nèi)修建倪松閘和孟厝閘等兩座大型攔河閘，用于景觀蓄水、擋潮等功能，工程防洪、防潮標(biāo)準(zhǔn)均為50年一遇。

福清市龍江流域水污染整治項目水流泥沙數(shù)模研究工作，主要研究龍江下游利橋至出?？诤佣魏拥勒涡枰乃畡恿湍嗌尺\(yùn)動條件。建立龍江利橋至出海口河段水流泥沙數(shù)學(xué)模型，通過模型計算分析，研究整治河段工程前后各流量級別下水位、流態(tài)變化；通過二維泥沙模型計算分析各整治方案的沖淤變化，綜合比選并優(yōu)化設(shè)計方案，為工程設(shè)計提供參考。

1 模型建立

1.1 模型范圍

在工程前模型范圍從南門大橋閘至福清灣口松下和嶼頭島斷面，模型南北距離約12.0km，東西距離約22km，模型采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，工程前模型的網(wǎng)格共計57421個，節(jié)點數(shù)為29610個，在整治河道段網(wǎng)格加密，特別是在地形變化比較大的區(qū)域以及閘、橋區(qū)域，最小網(wǎng)格尺度約5m，工程后網(wǎng)格則根據(jù)各方案的布置再生成網(wǎng)格，網(wǎng)格尺度與工程前相同。

工程前主要考慮原有的河道岸線作為計算斷面，考慮的水工建筑物主要是5座橋梁，包括利橋、鐵路橋、輸水管橋、龍江橋和元載橋，工程后的模型中考慮原來的5座橋梁，還包括倪松閘和孟厝閘。

1.2 河道糙率

河道糙率主要根據(jù)潮位驗證、洪痕調(diào)查結(jié)果及參考沿海類似河段糙率，經(jīng)分析計算確定，對于河槽糙率主要可以通過潮位驗證獲得，對于灘地糙率則主要通過洪痕調(diào)查結(jié)果獲得及參考沿海類似河段糙率。

1.3 邊界條件和初始條件

上游邊界南門大橋閘輸入不同頻率的洪水流量過程，包括200年一遇、100年一遇、50年一遇、10年一遇、2年一遇的流量過程，下游在渡口輸入2年一遇、10年一遇以及50年一遇的潮位過程；模型段的支流匯入則是通過點源過程，其中龍山溪采用高水高排直接匯入，其他各排澇水的匯入過程則是按照防洪排澇規(guī)劃按照排澇能力匯入，除東片區(qū)排澇按照20年一遇的最大排澇流量，其他均是10年一遇的排澇流量。在驗證期間，模型開邊界采用中國海潮波數(shù)學(xué)模型提供。

1.4 水動力模型驗證

龍江數(shù)學(xué)模型驗證采用2013年10月28日至2013年11月27日在龍江整治河段內(nèi)進(jìn)行的潮位觀測和流速，南門大橋閘過流量上游流量10m3/s～20m3/s。

模型比較好的模擬了各測站的潮位潮波運(yùn)動，漲落潮歷時基本一致，高、低潮出現(xiàn)時間誤差在20分鐘以內(nèi)，各站大、小潮高低潮的最大誤差小于0.10m，同時模型還比較好地驗證了測點的流速和流態(tài)。龍江水流數(shù)學(xué)模型驗證結(jié)果表明，模型能較好地模擬水域的水動力運(yùn)動，可用于下一階段相關(guān)問題研究。

1.5 糙率

經(jīng)過模型率定，非洪水期河槽糙率0.025，工程前灘面糙率0.038，工程后，新挖河道糙率取0.030～0.035，對于有護(hù)坡的灘地，考慮上面有景觀植物，選取0.035～0.04；福清灣內(nèi)各潮溝和深水區(qū)域糙率約為0.02，灣內(nèi)灘地糙率約為0.03。

2 工程方案數(shù)值模擬與分析

2.1 水動力計算設(shè)計工況

設(shè)計過程中，工程區(qū)段內(nèi)豬母灣的岸線布置存在三個方案：

方案1：原規(guī)劃岸線方案，豬母灣河段左岸岸線沿用2009年規(guī)劃岸線走向，右岸岸線適當(dāng)后退，沿現(xiàn)有灘地布置，兩岸堤距270～1120m，堤內(nèi)灘地不切灘。

方案2：小岸線方案，為了便于東部新城清榮大道與龍江左岸堤線之間的交通組織和新城規(guī)劃布置，將豬母灣左岸向南最大偏移330m，沿現(xiàn)狀灘地布置，右岸防洪岸線從大埕開始適當(dāng)后退，沿現(xiàn)有灘地布置，兩岸堤距為270～850m。

方案3：大岸線方案，大岸線方案在小岸線方案基礎(chǔ)上將右岸岸線進(jìn)一步后退，兩岸堤距為380～1000m。

龍江水流數(shù)學(xué)模型將對3個方案的水動力條件和河道沖淤進(jìn)行對比研究，另外，針對規(guī)劃中龍江干流上2座大型攔河閘的建設(shè)方案，本數(shù)值模型也進(jìn)行了研究計算，為工程設(shè)計研究提供依據(jù)。

根據(jù)設(shè)計需要，考慮以下不同洪潮組合工況（表1）。

2.2 三個岸線方案比較

三個岸線方案的計算結(jié)果呈現(xiàn)以下基本特征：三種方案的最高水位稍有差異，但是差異不大，小岸線方案水位最高，大岸線方案水位最低，原岸線方案居中；三種方案的流速差異比較小，最大流速和平均流速均相當(dāng)；流態(tài)顯示，各方案的流態(tài)在不同洪水流量下，水流比較順直，在豬母灣和梧嶼灣，由于河道放寬，流速變緩，原岸線方案在灣的北側(cè)有回流區(qū)，其他兩方案在北側(cè)也存在緩流區(qū)；在50年一遇洪水和2年一遇高潮位組合，以及2年一遇洪水和50年一遇高潮位組合情況下，孟厝閘閘上下水位差分別為0.10～0.13m，0.2～0.3m，與泄流能力驗證試驗結(jié)果0.1m和0.2m基本一致。

2.3 建閘方案比較

未建閘、只建倪松閘和兩個閘都建成情況下計算結(jié)果呈現(xiàn)以下基本特征：

倪松閘和孟厝閘均建方案、只建倪松閘方案和無閘方案總體上建兩閘方案最高水位最高，不建閘方案最高水位最低；倪松閘和孟厝閘均建方案、只建倪松閘方案和無閘方案，總體上建兩閘方案流速最小，不建閘方案流速最大；不同建閘方案情況下，流態(tài)基本相似，在窄河道，流態(tài)比較順直，在豬母灣和梧嶼灣，存在緩流或者回流。

3 結(jié)論與建議

1）根據(jù)豬母灣三個切灘方案不同水動力和泥沙沖淤方案計算結(jié)果和分析，從水動力角度和泥沙沖淤角度考慮，無根本性的差異，考慮大岸線方案在洪水條件下沖刷與其他兩方案稍大，原岸線方案淤積比其他兩方案稍大，推薦小岸線方案。

2）根據(jù)建閘三方案在不同水動力和泥沙沖淤方案計算結(jié)果和分析，建兩閘有利于河道沖淤減少，推薦建兩閘方案。

3）考慮倪松閘下段在洪水作用下流速會較大，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果在50年一遇洪水作用下最大流速超過3.0m/s，注意閘下的效能防沖問題，并建議設(shè)計單位和業(yè)主單位采取適當(dāng)措施進(jìn)行加強(qiáng)護(hù)堤。

4）考慮孟厝閘下河道在臺風(fēng)期間會驟淤，可能導(dǎo)致河道泄洪困難，建議加強(qiáng)原型觀測，及時清淤，洪水期間及時泄水沖淤。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]