黃河寧夏沙坡頭樞紐至白馬鄉(xiāng)段航道整治工程數(shù)值模擬研究—以棗林灣灘為例

齊魯尚，沈壽亮，丁少偉

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京2 100141）

1 航道整治概況

寧夏中衛(wèi)段航道整治工程位于坡頭樞紐至中寧縣白馬鄉(xiāng)段河段，按其河道特性，可分為兩段，上段為沙坡頭至中寧棗園河段，下段為中寧棗園至中寧縣白馬鄉(xiāng)三道湖村河段。沙坡頭壩下至棗園河段河寬500～1500m，河道內(nèi)心灘發(fā)育，汊河較多，水流分散，屬分汊型河道。中寧棗園至中寧縣白馬鄉(xiāng)三道湖村約15km，河道比降較緩，汊流叢生，心灘變化不定，河勢(shì)較不穩(wěn)定。為改善該河段的通航條件，保障船舶航行安全，針對(duì)黃河寧夏中衛(wèi)沙坡頭樞紐至中寧縣白馬鄉(xiāng)段航道不同河段采取疏浚和丁壩結(jié)合的方案進(jìn)行整治[1]。

本文對(duì)黃河寧夏中衛(wèi)沙坡頭樞紐至中寧縣白馬鄉(xiāng)段建立二維水動(dòng)力模型，研究不同水文條件下航道整治工程實(shí)施前后的水動(dòng)力條件變化情況，以棗林灣灘為例分析水位、流速、比降、分流比等指標(biāo)，為工程方案的比選、優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

2 平面二維數(shù)學(xué)模型

2.1 基本方程

控制方程由Navier-Stokes 方程在垂直方向上積分簡(jiǎn)化后得到的二維非恒定淺水方程組：

式中，h 為水深；u 和v 分別為x 和y 方向流速；g為重力加速度；zb為床面高程；為水密度；和是表面切應(yīng)力的x 和y 方向分量；和表示底部切應(yīng)力的x 和y 方向分量；為渦粘系數(shù)；f 為科氏力系數(shù)。

2.2 數(shù)值解法

采用無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)域的空間離散，控制方程的離散采用有限體積法?？刂品匠屉x散時(shí)，速度分量位于單元中心，跨邊界通量垂直于單元邊。時(shí)間積分方法采用二階龍格庫(kù)塔格式?？紤]方程通式如下：

則時(shí)間積分公式如下：

2.3 模型建立

（1）計(jì)算范圍。模型上邊界位于沙坡頭樞紐，下邊界位于白馬鄉(xiāng)，研究區(qū)域總長(zhǎng)約90km。相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)最大間距為40m，最小間距為10m，模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為102547，網(wǎng)格數(shù)為186717。

（2）計(jì)算參數(shù)。工程河段糙率取0.016～0.05；紊動(dòng)粘性系數(shù)取0.01m2/s；計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取5s。

（3）模型驗(yàn)證。采用2017 年3 月28 日～4 月1日工程河段實(shí)測(cè)17 個(gè)斷面的水位、流速作為驗(yàn)證資料。水位驗(yàn)證如圖1 所示，計(jì)算與實(shí)測(cè)水位基本一致，誤差在±10cm 以內(nèi)，滿足《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》[3]的要求。

圖1 2017 年3 月29 日～4 月1 日水位驗(yàn)證

流速驗(yàn)證如圖2 所示，實(shí)測(cè)與計(jì)算流速誤差基本在10%以內(nèi)，滿足《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》的要求。

3 計(jì)算工況及結(jié)果分析

根據(jù)《黃河寧夏沙坡頭樞紐至中寧段航運(yùn)建設(shè)工程水文測(cè)量與分析報(bào)告》[2]，選擇設(shè)計(jì)最低通航水位（Q=363m3/s）、整治水位（Q=850m3/s）、中水位（Q=2000m3/s）及設(shè)計(jì)最高通航水位（Q=4580m3/s）時(shí)工程河段的流量、水位作為計(jì)算邊界。沿航槽設(shè)置了若干監(jiān)測(cè)斷面和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，局部測(cè)點(diǎn)布置見圖3。各工況下水位見表1。

表1 各工況下水位匯總表

圖3 棗林灣灘測(cè)點(diǎn)和斷面布置圖

圖4 棗林灣灘航道整治布置圖

3.1 整治前水動(dòng)力特性

Q=363m3/s 時(shí)棗林灣1#灘右汊淺段水深不足1.0m，比降為0.6～1.0‰，深槽流速約1.5～2.5m/s；棗林灣2#灘左右汊分流比分別為47.2%和52.8%，右汊為主汊，但存在淺段，且水深約0.8m，航深明顯不足；黃河宮灘左汊為主汊，分流比為90%，灘槽分明、主支汊明顯，但左汊內(nèi)局部流速、比降較大。

Q=850m3/s 時(shí)棗林灣1#灘險(xiǎn)邊緣被淹沒，過流面積增大，支汊分流比增加；2#灘險(xiǎn)灘面高程較低，右汊分流比增至53.3%，左汊分流比為46.7%；該水位下航槽流速1.8～3.4m/s之間，彎頂段水流流速超過3.0m/s。黃河宮灘沙洲段左汊分流比減少至75%，進(jìn)入右汊的流量增加，航槽內(nèi)局部流速超過3.0m/s。

Q=2000m3/s 時(shí)河段流速顯著增加，棗林灣彎頂段、2#灘下游匯流段及黃河宮灘左汊流速已普遍超過3.5m/s，通航困難。

3.2 整治方案

棗林灣彎道轉(zhuǎn)彎半徑約1000m，在彎道上游2.5～1.5km 和下游約2km 處分別有兩處心灘出淺，1#灘長(zhǎng)約630m，寬約80m，右汊為主槽，但存在約1km淺區(qū)；2#灘長(zhǎng)約280m，寬180m，位于河道中央，右汊分流比略大，但存在約500m 的淺區(qū)。

棗林灣灘航道選線為右汊，擬疏浚2 處礙航淺灘，以滿足通航要求。2 處挖槽總長(zhǎng)約1.5km，挖深0.5～0.7m；對(duì)河段內(nèi)水流較急、流態(tài)較紊亂的部位，進(jìn)行切邊、填槽以減緩水流，改善流態(tài)，其切邊有3 處（1-3#切灘）、填槽有2 處（1-2#填槽）。

3.3 整治后水動(dòng)力特性

Q=363m3/s 時(shí)航道疏浚段水位略有降低，其余段水位變化不明顯，全航段水深均滿足設(shè)計(jì)水深要求。疏浚工程實(shí)施后，水流歸槽，棗林灣2#灘右汊分流比略有增大，航道內(nèi)流速最大增幅約0.3m/s，有利于航槽的維持。黃河宮灘左汊分流比略有減小，航槽水流條件有所改善，局部河槽比降有所減緩，有利于改善通航水流條件。

Q=850m3/s 時(shí)航道流速整體處于2.0～3.5m/s 之間，棗林灣彎頂段流速基本接近3.0m/s，橫流為0.32m/s，需要注意航行安全；棗林灣2#灘右汊分流比增加7.1%，流速在2.0m/s 左右，橫流較??；黃河宮灘左汊分流比減小2%，流態(tài)平穩(wěn)，局部彎道處橫流較大。

Q=2000m3/s 時(shí)棗林灣彎頂段水流流速超過3.5m/s，局部區(qū)域橫流達(dá)0.52m/s；黃河宮灘主槽局部流速超過3.5m/s，最大橫流0.5～0.6m/s，船舶操縱困難，需謹(jǐn)慎通航。

4 結(jié)論

（1）基于Navier-Stokes 淺水方程建立工程河段二維水流數(shù)學(xué)模型，采用工程河段實(shí)測(cè)水位、流速等數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：計(jì)算水位、流速與實(shí)測(cè)值基本吻合，精度符合《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》的要求。

（2）計(jì)算分析了設(shè)計(jì)最低通航水位（Q=363m3/s）、整治水位（Q=850m3/s），中水位（Q=2000m3/s）及設(shè)計(jì)最高通航水位（Q=4580m3/s）四種工況條件下棗林灣灘河段工程前后水動(dòng)力情況，對(duì)整治方案提出優(yōu)化建議。