某H码头工程建设对长江行洪影响分析

尹章昭　高　柱　陈　辉　戴会超　石小涛　王　煜

(1. 三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌　443002; 2. 长江科学院， 武汉　430010)



某H码头工程建设对长江行洪影响分析

尹章昭1高柱1陈辉2戴会超1石小涛1王煜1

(1. 三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌443002; 2. 长江科学院， 武汉430010)

摘要：本文以长江左岸某拟建H码头工程为例，在MIKE软件平台上建立H码头河段内二维水流数学模型，对H码头兴建前后河段内水流的流态、壅水高度以及流速、流向进行了计算分析研究．H码头建成后，河段内的水位雍高值不超过0.01 m；水流流速和流态均无明显变化，且其受影响范围都介于工程上游400 m至下游800 m范围内．研究结果表明该H码头工程的建设对其所在河段的河势及行洪不会产生明显不利影响．

关键词：二维水流数学模型；防洪影响评价；H码头工程；雍高

1数学模型的建立

综合考虑拟建工程所在河段的河势、工程可能影响范围及水文资料等因素，选取约15 km的河段作为二维数模计算河段，地形采用2008年6月实测的1/10 000河道地形图．

控制方程是二维非恒定浅水方程组[11]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Tij为水平粘滞应力项，包括粘性力、紊流应力和差异平流应力，这些量是根据沿水深平均的速度梯度用涡流粘性方程得出：

(5)

计算模型根据实测数据和资料按恒定流计算．用有限体积法(Finite Volume Method)离散计算区域，进口给定流量、出口给定水位．闭边界即陆域边界，模型中令其法向流速分量为零．整个计算区域剖分采用三角形网格，在拟建工程区域及验证流速断面区域局部加密，加密处三角形网格单元平均直径为8 m，整个区域网格节点数为32 897，网格单元数为64 734，如图1所示．

图1　河段网格及边界

在计算过程中，涡粘系数采用Smagorinsky[12]公式计算．河床糙率由实测水流资料率定．

2数学模型的验证

2.1率定和验证方法

通过实测沿程水面线率定糙率值，用断面流速分布验证模型的可行性．在计算河段设置有4个水尺：分别标记为：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ水尺，另布设了2个流速分布观测断面CS1和CS2，分别位于水尺I和水尺Ⅳ处，见图2．

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图2　河段水文监测点布置

曼宁糙率系数n在计算中根据实测资料调整，一般在0.018～0.022之间，边滩和近岸糙率值较大，变化在0.026～0.038之间．本例采用平滩流量45 000 m3/s和防洪设计流量76 100 m3/s推算的水面线资料分别对数学模型河槽和边滩糙率进行率定．水位最大误差率控制在2%以内，经率定调试得到本河段河槽糙率n1=0.016～0.020，滩地糙率n2=0.026～0.032．

2.2验证结果及分析

2.2.1水位验证

表1　防洪设计洪水流量76 100 m3/s下，水位率定计算成果

表2　平滩流量45 000 m3/s下，水位率定计算成果

2.2.2流速验证

由表1和表2的数据可见水尺的水位计算值与实测值最大误差仅为1.82%；由图3和图4可见流速分布观测断面的流速点的计算值与实测值误差很小，且经计算得流速点的平均误差为0.026 m/s，最大误差值为0.202 m/s．验证结果表明该模型能较好地反映计算河段的水流运动情况，具有较高的精度，可用于该工程的防洪影响评价计算．

图3　防洪设计流量(Q=76 100 m3/s)下CS1和CS2断面流速分布验证

图4　平滩流量(Q=45 100 m3/s)下CS1和CS2断面流速分布验证

3工程建设对河道行洪的影响

工程兴建后改变了河道地形和局部糙率，通过对比分析工程兴建前后河道水位和流速的变化，评估该工程对长江行洪和河势的影响，计算参数采用前面所述的率定值．为方便工程兴建前后水位、流速的对比，在拟建工程周围选取并布设15个水位和流速采样点，见图5．以下分析中，流速均为垂线平均流速．

图5　模型采样点布置

在平滩流量和防洪设计洪水流量两种情况下，对H码头建设前后江段分别进行模拟，分析比较两种来流情况下，兴建H码头后水位及流速的变化情况，表3是不同流量下，H码头建设后水位变化最大值及水位变化范围，表4是不同流量下，H码头建设后流速变化最大值及流速变化范围．

表3　不同流量下，H码头建设后水位变化最大值及水位变化范围

注：水位变化范围定义为：雍高值或降低值均大于0.02 cm．

表4　不同流量下，H码头建设后流速变化最大值及流速变化范围

注：流速变化范围定义为：流速增加值或减小值均大于0.001 m/s．

3.1水位变化分析

H码头修建后对河道洪水位的影响较小，影响范围仅限于工程附近上下游局部区域，主要表现为拟建工程上游水位雍高，下游水位降低．对比两种来流量的水位变化，可以看出流量大的情形下，水位雍高值和降低值都较大，且变化范围也更广．工程修建后，大堤近岸洪水位最大壅高不超过0.1 cm．由于H码头支撑墩阻水，迎流面出现局部水位壅高，在H码头侧面及背流面，局部水位降低．在防洪设计流量情况下：水位最大壅高0.05 cm，即图5中D1采样点处，位于H码头平台上游且靠近岸边约30 m处，0.02 cm壅水变化范围为从H码头平台至上游约150 m的区域内；水位最大降低0.13 cm，即图5中D4采样点处，位于H码头平台下游且靠近岸边约30 m处，0.02 cm降水变化范围为H码头平台附近至下游约500 m的区域内．

3.2流速变化分析

H码头修建后对河道流速的影响较小，影响范围集中在H码头上游400 m至H码头下游800 m以及H码头前沿线外侧50 m这样的三角形区域内．主要表现为拟建工程上、下游流速减小；工程外侧局部区域流速增大，靠近江堤的近岸监测点流速也有一定程度的减少．以上两组水流条件中，当流量越大时，工程建设对流速的影响也越大．由于H码头工程的阻水壅水作用，H码头迎流面局部区域流速有所减小；在H码头工程附近及其背流面局部区域，由于水流受阻绕流，流速减小；在H码头工程外侧附近，由于工程结构占用河道过水面积、挤压约束水流，局部区域内水流流速有所增加．由表4可以看出，在防洪设计流量情况下：流速最大减小0.131 m/s，即图5中D4采样点处，位于H码头平台下游且靠近岸边约30 m处，流速减小0.001 m/s的区域为H码头平台上游约400 m至H码头平台下游约800 m的范围内，在H码头平台附近靠近岸边处(即图5中D1～D4采样点)流速减小0.06～0.13 m/s；在H码头平台外侧局部范围，流速有所增大，流速最大增加0.068 m/s，即图5中C2采样点处，位于H码头外侧距H码头中心50 m处．

3.3流场变化分析

以下是在防洪设计流量(76 100 m3/s)下H码头建设前、后计算河段整体流速云图和拟建H码头处局部流速矢量图．

图6　防洪设计流量下工程建成前、后河段总体及工程处局部流场图

图7　平滩流量下工程建成前、后河段总体及工程处局部流场图

由图6和图7中的(a)、(b)可以看出，模拟计算河段流场变化平顺，主流位置与河道河势地形基本一致．河道主流自进入计算河段，受弯道河势影响，主流略偏右岸，左右岸边滩流速相对较缓，至水尺Ⅳ附近主流居中下行，直至出计算河段，河势基本无变化．图6和图7中的(c)、(d)为工程建成前、后H码头处局部流场对比图，由图中可见，工程附近河道水流与岸线保持平顺，H码头前沿线布置与水流流向基本一致，工程建设后局部流态无大的变化，计算数据显示：流速差不超过0.2 m/s，流速方向差不超过1°，流速和流向基本重合，可见工程的兴建对所研究河段的影响很小．

4结语

本文用Mike软件建立某货运H码头附近河段平面二维水流数学模型，通过实测数据率定和验证模型，在防洪设计洪水流量、平滩水位流量下计算分析了拟建工程对河道流场和河势的影响，结果表明，工程建设对该河段处行洪水位现状影响较小，工程所处河段的流态没有明显变化，在工程建设后，水位上游雍高下游降低，但是变化的绝对值较小，均不超过0.2 cm，且影响范围有限；流速在工程上下游有所减小，工程外侧局部范围流速增加，但流速变化的绝对值较小，均不超过0.2 m/s，流向变化也不超过1°，对河势及河床冲淤演变的影响较小，不会影响防洪的安全．

参考文献：

[1]杨春瑞．码头工程防洪评价中壅水计算公式浅析[J]．工程与建设，2012，26(1)：54-56．

[2]胡清玲，蔺秋生，高海静，等．河道范围内修建码头工程的防洪影响评价[J]．人民长江，2008，39(10)：23-25．

[3]刘俊勇．涉水码头工程防洪补救措施典型案例分析[J]．人民珠江，2013(5)：16-19．

[4]刘俊勇，陈军．广州后航道某污泥处理码头工程防洪影响分析与评价[J]．人民珠江，2007(5)：70-73．

[5]周翠娟．防洪评价中的注意要点分析[J]．河南水利与南水北调，2015(3)：44-46．

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[7]孙晓英，韩凤霞．二维恒定流数学模型在防洪影响评价中的应用[J]．北京水务，2006(2)：19-20，28．

[8]陈秀英，余乃旺，杭庆丰．平面二维水流数学模型在某项目防洪评价中的应用[J]．人民珠江，2011(2)：9-12，57．

[9]陈娟，李杰，曹磊．二维水流数学模型在码头工程防洪评价中的应用[J]．人民长江，2010，41(17)：62-64．

[10] 任聃，王淳，吴伟．某码头二维防洪计算浅析[J]．水利科技与经济，2012，18(11)：51-52．

[11] DHI Water & Environment．MIKE 21 & MIKE 3 FLOW MODEL FM Hydrodynamic and Transport Module Scientific Documentation[M]．Horsholm：DHI Water & Environment，2012．

[12] Smagorinsky．J General Circulation Experiment with the Primitive Equations[J]．Monthly Weather Review，1963，91(3)：99-164．

[责任编辑王康平]

收稿日期：2015-05-21

基金项目：教育部创新团队发展计划(IRT1233)；鱼道内鱼类运动机理研究和过鱼效果评价(KF2015-01)；中国国家自然科学基金(51409151)

通信作者：尹章昭(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向为水力学．E-mail：yinzhangzhao123@hotmail.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.01.002

中图分类号：TV877

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2016)01-0006-05

Impact of H Wharf Construction on Flood Discharge in Yangtze River

Yin Zhangzhao1Gao Zhu1Chen Hui2Dai Huichao1Shi Xiaotao1Wang Yu1

(1. College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China;2. Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

AbstractA 2D flow mathematical model, prototyped from a planned H wharf in the Yangtze River, was built in the software MIKE. Simulations and investigations were conducted with respect to the flow patterns, backwater and velocity inside this model, aiming at a detailed evaluation of the impacts on the flood discharge due to the construction of the H wharf. The results show that after the H wharf construction, the values of backwater in the whole region are less than 0.01m; water velocity and flow patterns have no obvious change; the affected region range is within the 400 m upstream to 800 m downstream with respect to the H wharf's location. It is indicated that the construction of the H wharf will have no obvious impacts on the flood discharge and flow patterns in this river reach.

Keywords2D flow mathematical model；evaluation of flood control；H wharf engineering；backwater