烏龍江峽兜卡口阻力特性及壅水效應分析

胡朝陽， 王新強， 梁 越

(福建省水利水電勘測設計研究院， 福建 福州 350001)

1 研究背景

天然河道局部突然縮窄形成卡口，由于卡口突變的平面形態(tài)和縱剖面形態(tài)對水流造成特殊影響而產生壅水作用，因而其增大了來流的阻力，造成水流不順，并且改變了河道水流的泥沙運動特征及河床沖淤狀況，進而影響河道行洪、通航等條件[1-8]。開展卡口阻力特性及壅水效應研究對河床演變治理、河道防洪、航道整治等有著重要的實際意義。

閩江下游在淮安頭分為南、北兩支，北支稱北港，南支稱南港，亦稱烏龍江。烏龍江自淮安至白巖潭長約35 km，全河道除峽兜段屬于頸束地形具有沖刷和侵蝕作用外，其余河段均屬于河漫灘型河流，烏龍江河道平面形態(tài)見圖1。峽兜卡口左岸為清涼山、右岸為金牛山，卡口內已建設有烏龍江大橋、烏龍江大橋復線橋、福廈高鐵烏龍江特大橋，還有正在建設和規(guī)劃的橋梁各1座。近年來，烏龍江洪水分流比逐漸增大，與北港洪水分流比由“7∶3”變化為“8∶2”，且還有進一步增大態(tài)勢，增加了烏龍江防洪壓力，而峽兜卡口新增橋梁勢必進一步增大其阻水效應[9-11]，影響河道行洪安全，故有必要明確峽兜卡口的阻力特性及其對烏龍江洪水位及行洪能力的影響，而目前相關研究還未見報道。開展河道卡口阻力特性及壅水效應的研究一般采用河工模型試驗、原型實測資料分析及數(shù)值模擬等方法[6-7]，數(shù)值模擬技術由于其便利和經濟性在河道水動力模擬領域得到廣泛應用，基于非結構網格的平面二維數(shù)學模型能夠準確刻畫卡口河段突變的平面及縱剖面形態(tài)，也能夠對涉河工程結構進行準確模擬[12-14]。為此，本文采用基于非結構網格的二維水流數(shù)學模型計算了不同流量級下烏龍江峽兜卡口水面線、水面比降及流速分布特征，對產生壅水的臨界流量及作用范圍、壅水高度進行了分析，其成果可為烏龍江防洪治理、航道整治等提供技術參考。

圖1 烏龍江河道平面形態(tài)圖

2 烏龍江峽兜形態(tài)特征

2.1 河寬特征

烏龍江左岸防洪堤基本建設完成，右岸從烏龍江進口至大樟溪入匯口防洪堤已建成，大樟溪以下河道右岸基本處于天然狀態(tài)。統(tǒng)計烏龍江進口至白巖潭沿程河寬如圖2所示，由圖2可見，從烏龍江進口至灣邊沿程河寬較均勻，河寬在2 000 m左右，灣邊以下河寬逐漸增加，至峽兜上游已寬至約5 120 m，在峽兜卡口處急劇縮窄至約480 m，河寬相差10倍余，其后河道又逐漸展寬，至道慶洲處達約3 300 m。

圖2 烏龍江河道寬度沿程變化圖

2.2 縱剖面特征

根據(jù)2016實測河道地形資料統(tǒng)計烏龍江深泓縱剖面如圖3所示?？梢姙觚埥M口至灣邊河段深泓高程相對較高，深泓高程在-5 m左右，灣邊以下深泓高程降至-10 m左右，至峽兜卡口深泓高程突降至-37.5 m，與上游河床深泓落差超過20 m，峽兜卡口以下河床深泓又逐漸抬高。

圖3 烏龍江河道深泓縱剖面圖

3 數(shù)學模型與計算方案

3.1 模型基本情況

3.1.1 模型控制方程及求解方法 采用基于非結構網格的MIKE21 FM模型，該模型較為成熟，在流域及城市水安全、水環(huán)境、水資源及水生態(tài)等方面有成功應用[15]。模型控制方程為基于3向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，具體方程參見文獻[16]，對該控制方程在空間上采用有限體積法進行離散，在時間上采用顯性歐拉法進行離散。

3.1.2 模型參數(shù) 模型計算河段上迄閩江下游干流竹岐水文站斷面(下文簡稱竹岐站)，下至白巖潭斷面。二維計算網格采用非結構三角形網格形式以適應計算區(qū)域復雜的河道邊界條件，在峽兜卡口附近通過局部加密網格刻畫已建3座橋梁橋墩，暫不考慮在建和規(guī)劃橋梁，模型網格節(jié)點數(shù)32 731個，網格單元數(shù)62 197個，網格最小邊長約1 m，模型計算范圍和網格見圖4。模型邊界條件包括干流竹岐站進口流量邊界、大樟溪支流進口流量邊界、模型下游出口水位邊界，岸邊界為非滑移邊界，給定其流速為零。

3.2 模型驗證

采用實測水文資料進行模型的驗證。洪水驗證資料為閩江下游2010年6月16日3:00-6月20日16:00洪水期間(洪峰流量29 300 m3/s)北港文山里、解放大橋水文站及烏龍江峽南水文站實測水位資料，潮位及流速驗證采用2015年3月7日12:00-3月8日14:00侯官、解放大橋、白巖潭3個斷面實測水文資料，驗證時河道地形采用相應或相近年份實測資料，模型水位、流速驗證成果如圖5、6所示。2010年洪水北港實測洪峰分流比為20.23%，計算的北港洪峰分流比為20.47%，從驗證成果來看，模型能夠較為準確地反映模擬范圍水流運動情況。

3.3 計算方案

模型上邊界為竹岐站水文站不同洪水流量以及相應大樟溪流量，下邊界為白巖潭站同頻率潮位。模型計算方案如表1所示。表1中烏龍江流量為數(shù)學模型計算的其進口斷面分流量，峽兜卡口流量為烏龍江進口斷面分流量與大樟溪入匯流量之和。

表1 洪水計算方案

圖4 模型計算范圍與網格示意圖

圖5 洪水水位模型驗證

圖6 潮位和潮流流速模型驗證

4 峽兜阻力特性與壅水效應分析

4.1 阻力特性分析

卡口阻力會導致河道水流能量損失，并反映到河道流速和沿程水面比降的變化上，可以通過烏龍江河道流速和水面比降變化來分析峽兜卡口阻力特性。竹岐站不同流量下烏龍江河道斷面平均流速沿程分布如圖7所示，圖8為幾個典型斷面平均流速與流量的關系曲線。由圖7可知，烏龍江河道斷面平均流速隨著流量增加而增大，在竹岐站流量小于22 300 m3/s，即相應峽兜流量小于19 320 m3/s時，烏龍江河道斷面平均流速最大值位于河道上段橘園洲斷面附近，在竹岐流量超過22 300 m3/s，即峽兜流量大于19 320 m3/s后，斷面平均最大流速位于峽兜卡口斷面；從典型斷面流速隨流量增加而增大的速率來看(圖8)，可發(fā)現(xiàn)峽兜卡口斷面平均流速隨流量增加而增大的速率要明顯大于河道其他斷面，這也表明由于峽兜卡口斷面狹窄，其斷面面積隨流量增加而增大的速率要小于烏龍江河道其他斷面，在流量較小時，其阻力效應尚不顯著，流速也無明顯變化，流量增大后阻力效應開始顯現(xiàn)，使得其斷面流速迅速增大。

不同流量下烏龍江河道水面比降沿程分布如圖9所示。由圖9可知，烏龍江河道沿程水面比降隨流量增加而增大，峽兜卡口上下游河道沿程水面比降分布相對均勻，峽兜卡口是烏龍江河道水面比降最大的位置。統(tǒng)計不同流量下烏龍江河道平均水面比降和峽兜卡口局部比降見表2、圖10，由圖10、表2可知，隨著流量逐漸增大，峽兜卡口局部比降增加速度要顯著高于河道平均水面比降增長速度。

表2 竹岐站不同流量下烏龍江河道平均水面比降和峽兜卡口局部比降

4.2 壅水效應分析

4.2.1 壅水臨界流量 竹岐站不同流量下烏龍江河道水面線分布如圖11所示。由圖11可知，在峽兜卡口流量小于19 320 m3/s、相應竹岐流量小于22 300 m3/s時，峽兜卡口上下游水面線過渡較為平順，在峽兜流量超過19 320 m3/s、相應竹岐站流量超過22 300 m3/s后，峽兜卡口上游開始出現(xiàn)較明顯的局部水位抬升現(xiàn)象。綜合上文烏龍江河道斷面平均流速和水面比降變化特征，初步認為峽兜卡口流量為19 320 m3/s、即竹岐站流量為22 300 m3/s時，峽兜卡口開始發(fā)揮壅水作用。

圖7 竹岐站不同流量下烏龍江河道斷面平均流速沿程分布

圖8 烏龍江典型斷面平均流速與流量關系曲線

4.2.2 壅水高度及作用范圍 峽兜卡口壅水高度計算參考長江科學院關于長江銅鑼峽壅水計算方法[17]，具體為：首先假定峽兜卡口在沒有壅水效應時，其不同工況下的水面比降與峽兜卡口壅水作用存在下烏龍江全河段同流量下的水面比降一致，據(jù)此推算峽兜卡口無壅水效應下的水面線，其與有壅水效應下的水面線之差即為峽兜卡口的壅水高度值。壅水范圍為峽兜卡口以上至壅水高度減小為0的距離。據(jù)此計算得到的峽兜卡口壅水高度與范圍見表3。

圖9 竹岐站不同流量下烏龍江河道水面比降沿程分布

圖10 烏龍江河道平均水面比降和峽兜卡口局部比降與流量關系曲線

從表3中可以看出，峽兜卡口壅水高度和范圍隨流量的增加而增大，在竹岐站流量為38 300 m3/s(200年一遇)、35 600 m3/s(100年一遇)、32 800 m3/s(50年一遇)時，峽兜卡口壅水高度分別為0.13、0.10、0.07 m，壅水影響范圍可分別至峽兜卡口上游1.99、1.88、1.69 km。

表3 不同流量下峽兜壅水高度與范圍

圖11 竹岐站不同流量下烏龍江河道水面線分布

5 結 論

(1)峽兜卡口河寬與上游河道相差10余倍，深泓與上游河床落差超過20 m，其獨特的平面與縱剖面形態(tài)特征對烏龍江水流運動造成影響，其阻力特性和壅水效應與流量密切相關。

(2)峽兜卡口為烏龍江河道水面比降最大的位置，在竹岐站流量超過22 300 m3/s后為烏龍江河道斷面平均流速最大的位置。隨著流量逐漸增大，峽兜卡口斷面平均流速隨流量增加而增大的速率要明顯大于河道其他斷面，局部比降增加速度要顯著高于河道平均水面比降增長速度。

(3)初步認為峽兜卡口發(fā)揮壅水作用的臨界流量為19 320 m3/s、相應竹岐站流量為22 300 m3/s(5年一遇)，在竹岐站流量為38 300 m3/s(200年一遇)、35 600 m3/s(100年一遇)、32 800 m3/s(50年一遇)時，峽兜壅水高度分別為0.13 、0.10 、0.07 m，壅水影響范圍可分別至峽兜上游1.99 、1.88 、1.69 km。