龙从作业区河道水流数学模型计算分析

蒋 峰，黄伟军，覃昌佩，刘 颖

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

龙从作业区河道水流数学模型计算分析

蒋 峰，黄伟军，覃昌佩，刘 颖

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

文章利用龙从作业区的有关设计资料和工程所在河段的实测地形数据，采用DHI公司的河口海岸模拟软件MK21的水动力模块建立相应的数学模型，对码头建设前后工程所在区域及前方航道在各设计水位及相应流量下的水流流速、流向等变化进行计算分析，得到各设计工况下码头工程建设前和建设后附近水域流速、流向的变化值，为该码头工程建设的通航安全论证提供了有力的数据支撑和科学依据，亦为类似工程建设的通航安全论证提供借鉴和参考。

码头工程；航道；龙从作业区；河道水流；流速；流向；数学模型

0 引言

通航安全影响论证是开展涉水工程建设前期工作的重要阶段，是降低因涉水工程建设影响通航安全的重要措施，是涉水工程获得立项审批的必备条件[1]。

为确保圆满完成广西来宾港武宣港区龙从作业区的通航安全论证报告，须利用较成熟可靠的计算软件建立相应的数学模型，对工程建设前后各设计工况下工程附近水域的水流流速和流态的变化进行模拟计算，得出相应的计算成果，以判断工程建设后对该段河道通航安全的影响，为工程的建设提供数据支撑和科学依据。

1 工程概况

武宣港区位于广西来宾市武宣县，龙从作业区位于武宣大桥下游约9.8 km，规划为散货、件杂货和集装箱作业区。拟建的大藤峡水利枢纽位于本工程下游约52.6 km。龙从作业区建设规模为新建6个3 000 t级泊位。码头水工结构采用二级平台码头结构型式。一级平台采用重力式挡墙结构，二级平台采用高桩梁板式结构，下构为钢筋混凝土冲孔灌注桩。

2 DHI公司MK21软件简介

MK21软件是由DHI(丹华水利环境技术有限公司)集团研发的可用于水及水环境相关的数学模型的二维模拟工具，可用于模拟河道水流、河口海岸、水资源及水质管理、城市给排水、防洪、海洋工程等多个领域。其中的水动力模块可用于湖泊、水库、河流、河口、海岸及海洋的水动力模拟，温、冷排水及盐水入侵模拟，并可进行水工结构物的模拟，如桥墩、闸门、围堰、涵洞及组合结构物等，是目前应用较广泛和可靠的模拟计算软件。

3 河道水流数学模型

3.1 数学模型方程及算法

为了较准确模拟河道曲折岸线形态，选用正交曲线坐标系下的平面二维水流数学模型进行研究。模型求解采用非结构网格中心网格有限体积法求解，其优点为计算速度较快，非结构网格可以拟合复杂地形。

3.2 计算范围、计算模型及网格划分

(1)计算范围

根据类似工程经验，计算范围确定为工程区域及上下游各1.5 km总长约3 km的河段。

(2)计算模型

利用龙从作业区设计资料和工程河段实测地形数据，采用DHI公司河口海岸模拟软件MK21水动力模块分别建立工程河段建设前和建设后的平面二维水流数学模型，上游开边界采用流量控制，下游开边界采用水位控制。水位-流量组合控制为短模型的较好控制模式，见图1～2。

图1 计算模型地形示意图(工程建成后)

图2 计算模型高程点示意图(工程建成后)

(3)网格划分

采用Flexible Model网格(三角形网格以及四边形网格)划分，码头平台附近对三角形网格进行加密，一级平台斜坡采用四边形网格进行划分。斜坡采用四边形网格进行划分。本工程采用二维水流控制方程组，并辅以三角形网格和动边界处理技术，见图3。

图3 计算模型局部网格划分图(工程建成后)

3.3 数学模型计算参数及计算工况选取

3.3.1 计算参数选取

(1)动边界处理

对计算区域内滩地干湿过程，采用水位判别法处理，即当某点水深小于一浅水深hdry(如0.005 m)时，令该处流速为零，滩地干出，当该处水深大于hflood(如0.05 m)时，参与计算，河水上滩。

(2)糙率选取

糙率是水流计算的主要参数之一，反映了水流运动过程中的阻力特性，糙率选取正确与否对计算结果有直接影响。糙率在水流计算中是一个综合参数，与床面泥沙特性、水深及地形形态均有一定关系。参考类似工程经验，并结合本工程实际，曼宁值取为0.032。

(3)其它参数

紊动粘性系数，该参数取值在一定范围内均可以获得良好结果，与网格步长及当地水流特性有关，采用Smagorinsky公式计算，使其随网格尺度及水流动力强弱自动调整，避免紊动扩散项过大引起流场失真又能增强模型稳定性。模型主要计算参数见表1。

(4)计算概化处理

目前，水动力模块数学模型二维计算中对于建筑物的概化处理主要有两种方法：(1)采用增加建筑物所在位置的糙率，即附加阻力法；(2)直接调整阻水建筑物所在位置的高程，使其超过干湿边界值，保证其不过水。结合本工程实际情况，对一级平台重力式码头和二级平台高桩梁板式码头的阻水效果均采用附加阻力法的方法进行概化处理，仅当水位超过二级平台面板时采用直接调整面板所在区域的高程值来实现计算概化。

表1 模型主要计算参数表

3.3.2 计算工况选取

结合本工程实际情况，模型计算共采用3种工况，各计算工况水位及流量等见表2。

表2 计算工况表

3.4 计算过程和计算目的

利用建立的工程建设前和建设后的河道水流数学模型，分别计算3种工况下工程建设前后本工程河段附近水域的水位、流向、流速变化特征及变化值，综合分析和评价工程对河势稳定、航道水流及通航安全的影响。

4 计算成果分析

在拟建码头工程附近水域上、下游河道200 m范围内分别选取若干个采样点，并将各计算工况下各区域各采样点工程建设前后流速、流向的数值以及变化值进行提取和统计，以便于直观分析工程建设前后码头附近水域流速、流向的变化。计算模型采样点示意图见图4。

图4 计算模型采样点示意图

限于篇幅，本文仅给出设计高水位工况工程建设前后水流流速、流向变化情况，见下页表3。

(1)码头前方航道水域流速变化

在设计高水位工况下，工程建设前后现状Ⅴ级航道和规划Ⅱ级航道范围内的水流流速变化值很小，除个别采样点流速有少许增加(最大值为+0.02 m/s)外，基本为不变或稍微变小(最大值为-0.1 m/s)。

(2)码头附近停泊和回旋水域流速变化

大藤峡建成后，本工程河段变为库区，水流更加平缓。设计高水位工况下工程建设前后码头停泊水域采样点流速变化值在-0.62～+0.17 m/s，流速变化较小，码头工程的建设对码头附近和航道水域范围内水流流速的影响较小。

(3)码头前方航道水域流向变化

在各计算工况下，工程建设前后现状Ⅴ级航道和规划Ⅱ级航道范围内的水流流向变化值很小，均位于-2°～1°，绝大部分采样点的流向基本没有变化。

表3 工程建设前后水流流速、流向变化表

(4)码头附近停泊和回旋水域流向变化

除设计高水位工况下的个别采样点的流向变化值分别为5°、-11°、5°、-7°之外，其余采样点的流向变化值均位于-3°～3°。究其原因，是由于计算模型建立时上述4个采样点位于港池开挖的端点位置，实际开挖的港池与原河床地形相比有一定的突变，导致此处的流向变化值较大。

总的来说，工程建设前后的流向变化均<3°，码头工程的建设对码头附近和航道水域范围内的水流流向的影响不大。

5 结语

模型计算成果表明：各计算工况下，工程建设前后码头附近停泊水域和回旋水域以及码头前方航道水域内的采样点流速大部分为增加，亦有部分采样点流速轻微减小，但总体变化值较小；采样点流向变化主要由码头水工建筑物阻水及码头前沿港池开挖造成，码头附近水域的流向变化较大。总体而言，相同计算工况下各采样点的流速、流向变化值与距码头的距离成反相关，距离越近，流速、流向变化值越大；距离越远，流速、流向变化值越小，但绝对变化值均属于较小值。本工程的建设对工程河段的正常和安全通航影响很小，对工程河段河床整体的冲淤和演变趋势影响甚微。

参考类似工程经验，计算成果与实际情况基本吻合，可为通航安全论证报告等提供相应的数据支撑和科学依据，亦可为类似工程的建设提供参考和借鉴。

[1]广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院.武宣县工业投资有限责任公司来宾港武宣港区龙从作业区一期工程通航安全影响论证报告[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

蒋 峰，工程师，主要从事水运工程设计工作。