福州市闽江西河游泳场河段水流特性整治工程数学模拟研究

丁 坚，邵雨辰，郭 淮，王 霄

(1.河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京 210098；2.苏交科集团股份有限公司，南京 210098；3.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，淮安 223005)

福州市闽江西河游泳场河段水流特性整治工程数学模拟研究

丁 坚1，邵雨辰2，郭 淮3，王 霄3

(1.河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京 210098；2.苏交科集团股份有限公司，南京 210098；3.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，淮安 223005)

弯道环流、涡旋等不良流态往往是天然游泳场的安全的不利因素，不良流态的形成与河道的天然条件、人为活动两方面因素相关。文章在分析闽江西河河段河势、流态的基础上，建立该河段的二维数学模型，针对不同的自然条件和整治方案，对该河段的水动力特性进行研究，在此基础上，提出整治效果较优的河道整治方案。在天然河道游泳场整治过程中，除了考虑到对游泳场局部流场流态的优化调整之外，还要综合考虑整治工程对河道通航、行洪的其他功能影响，进行综合比选。

弯道环流；涡旋；河道整治

西河天然游泳场位于闽江福州北港洪山桥下游左岸(北岸)，长约1 000 m，目前来水清澈，沙质河床，具有开发为优良天然游泳场的基础，但由于河势、水流等因素制约了游泳场的发展，必须进行整治，以达到游泳场水流平顺、流速适当、安全卫生等要求。为此需对该河段河床、水流进行全面分析，找出存在不足之处，对症治理。

本文在分析闽江西河河段河势、流态的基础上，建立该河段的二维数学模型，针对不同的自然条件和整治方案，对该河段的水动力特性进行研究，在此基础上，提出整治效果较优的河道整治方案。

1 河段概况

游泳场位于北港上段，主流自淮安分流后，进入北港，首经文山里，为窄深峡谷河段，河宽130～200 m，最窄处仅90 m，水流湍急，至洪山桥后，以下河道轴线走向左偏约27°，出旧洪山桥，河床明显放宽至500m左右，来水流速减缓，至5 km以下蒼霞～解放大桥窄弯段时，河宽又明显缩窄，在蒼霞河段处河宽仅200 m，加上解放大桥、江南桥阻水，使上游河段壅水，比降减小，以致旧洪山桥至解放大桥的水流进一步减缓，泥沙落淤，出现众多边滩、浅区及江心洲等。位于左岸的西河游泳场的凸岸边滩也发育的比较大。通常河床的高程在-1.0～-3.0 m，但旧洪山桥在河心处有6个桥墩在历年大洪水中被冲垮或拆除，为保福州市防洪安全，其余桥墩不能继续垮塌，故多年来沿旧洪山桥轴线，在旧桥墩之间抛石护墩，沿桥轴线形成潜坝，有效地维持北港分流比稳定。由于中段冲掉六个桥墩，主流都要集中在该缺口下泄，将缺口下游河床冲深至-11.0～-14.0 m的深槽，其走向是沿着桥上段中轴线的方向，直逼桥下的右岸，故在20世纪90年代规划防洪堤岸线时，确定了右岸的防洪堤(图1)。

由于北港旧洪山桥以下河面放宽一倍以上，而河轴线又向左偏转了27°，加上旧洪山桥轴线走向是斜交于河床断面的，旧洪山桥起着潜坝的作用，来水溢过潜坝时，主流将趋向垂直于坝轴线方向出流，这种情况下过坝的水面比降最大，水往低处流，垂直于坝轴线下泄是客观规律，因此，过旧洪山桥的水流动力轴线更向右偏，右岸为主流顶冲的凹岸，西河游泳场的左岸则成为凸岸，由洪枯水的水流动力轴线就很清楚显示为弯道水流，出现螺旋流，表面水体向右偏，水面呈现横比降，右高左低，使下层含沙量大的水体向左移，因此，将泥沙带向左岸形成边滩，这就是弯道水流造成凹岸冲刷，凸岸淤积的规律[1-7]，游泳场边滩就是该流势塑造的结果，沿边滩上下及前沿环流都较为明显，且直接威胁游泳的安全(图2)。

图1 闽江西河河势图Fig.1 River regime of Minjiang West River

2 数学模型的建立和验证

2.1平面二维数学模型控制方程

(1)

(2)

(3)

2.2方程定解条件

图2 旧洪山桥下游洪枯水水流动力轴线Fig.2 Flow dynamic axis at the downstream of old Hongshan bridge

为了使平面二维水流运动的基本方程在计算域Ω内有适定解，必须满足定解条件，即在计算域上给出初始条件和边界条件。

2.3模型计算区域及网格

根据研究内容的要求，数学模型边界上起文山里，下至解放大桥，沿程长约11 km，水域面积4.2 km2，可参见图1。进行数学模型计算时，主要采用实测水下地形，并在模型中采用插值的计算方法将地形赋值至各计算节点上。模型计算区域的离散采用三角形网格，并在工程区域进行局部加密，模型最大网格尺度为40 m，工程区最小网格尺度为10 m，可以满足计算精度要求，模型生成水下地形见图3。

图3 模拟地形Fig.3 Simulation of the terrain

2.4模型参数设置及验证

2.4.1 模型参数设置

模型采用的时间步长△t=20 s。计算水域的糙率是一个综合影响因素，是数值计算中一个十分重要的参数，与水深、床面形态等因素有关，闽江河段浅滩深槽交错复杂，因此根据水深条件，给出随水深变化的糙率场。糙率范围取0.02～0.05，根据验证计算情况要求选取。

2.4.2 模型验证

根据本次研究的要求与所掌握的实测资料，模型验证计算时段：中水大潮期：9月18日11：00时～24：00时；中水小潮期：9月28日11：00时～23：00时。验证位置选取参见图1，分别为清水码头站、西河1#点、西河2#点、 在数学模型的验证过程中，分别进行了潮位、潮流过程的验证。潮位验证图见图4～图5,由图可见，潮位模型计算值与实测值吻合较好。流速验证图见图6，由图可见,西河1#点、西河2#点的涨潮流速、落潮流及流向计算值与实测值吻合较好。由此说明建立的数学模型能较好地模拟西河游泳场河段的水流运动， 可用于工程方案的数值计算。

4-a清水码头站 4-b上游厂码头站图4 大潮潮位验证图Fig.4 Verification of tidal level during spring tide

5-a清水码头站 5-b上游厂码头站图5 小潮潮位验证图Fig.5 Verification of tidal level during neap tide

6-a 1#点大潮流速 6-b 1#点大潮流向

6-c 1#点小潮流速 6-d 1#点小潮流向

6-e 2#点大潮流速 6-f 2#点大潮流向

6-g 2#点小潮流速 6-h 2#点小潮流向

图6 西河流速流向验证图
Fig.6 Verification of flow velocity and direction at West River

3 无工程措施时流场分析

图7 西河游泳场河段涨急及落急流场图Fig.7 Flow field at the times of flood maximum and ebb maximum in West River Natatorium reach

图7为西河游泳场河段大、小潮涨急及落急流场图(9月18日及9月28日)。由图可见，涨急时西河游泳场河段水流较平顺，仅在旧洪山桥左右两侧下游出现2个较小的漩涡；落急时西河游泳场河段水流特别紊乱，特别大潮落急在旧洪山桥左右两侧下游出现2个较大的漩涡，游泳场中段水域也存在漩涡，游泳场下游段深水区流速较大，所以大潮落急时期的流场是本次河道整治关注的重点。

4 工程措施及整治效果分析

4.1工程措施

方案1：首先必须对近1 000 m长的西河游泳场水域水下地形进行平整边坡。图8为西河游泳场水域布置图，图中虚线为游泳场水域的边界线，岸边虚线为5 m等深线，游泳场的深水虚线为0 m等深线，游泳场约有170 m宽(图8)，对该区域内的河床进行削坡、填沙处理，平顺河床。水闸泵房前水域保留其出口。边坡平整后，游泳场水域等深线与河道右侧水流动力轴线平行，将有利于游泳场水域水流的平顺。

图8 西河游泳场水域布置图Fig.8 Water area layout of West River Natatorium

方案2： 在方案1平整游泳场边坡的基础上，对旧洪山大桥主泓两侧桥墩间水深挖至+2.0 m水深处，在旧洪山大桥下游深槽处抛一潜堤。由于加大了旧洪山大桥两侧的分流，增大了两侧的流速，主桥墩间流速将减小。这将从根本上消除旧洪山大桥下游两侧的漩涡，减弱弯道环流强度，归顺游泳场前沿的水流。

方案3：该方案分两个区进行游泳场边坡修正，西河泵站上游游泳场前沿水深从1.0 m等深线以3%坡度向岸修正，泵站下游游泳场前沿水深从0.0 m等深线以3%坡度向岸修正，游泳场宽度约160 m。泵站出口水域保留原状，并在出口两侧边坡进行护坡处理。在旧洪山大桥下游深槽处抛石平整至-8.0 m，抛石方约40 000 m3。在旧洪山桥左侧下游沙滩头部，沿等深线做弧形坝， 用于游泳场上游头部固滩， 在游泳场下游尾部做一丁坝(顶部高程高出沙滩1.5 m, 头部伸出游泳场0.0 m线以外10.0 m)，防止游泳场沙滩冲刷；在游泳场前沿填鹅卵石护底，防止水流冲刷。该方案同样对旧洪山桥墩间不进行开挖维持原状，保证北港分流比不变，对福州市区的防洪是有利的。

图9 方案2潜堤位置图Fig.9 Location of submerged bank of Plan 2

图10 方案3工程布置图Fig.10 Engineering layout of Plan 3

4.2整治效果分析

4.2.1 工程后流场变化

方案1游泳场边坡修整后，游泳场原水闸出口外水域漩涡减弱，游泳场水域流场较边坡修整前归顺。方案2实施后，加大了左右侧分流及流速，减弱了主泓的分流及流速。使得流量在旧洪山大桥断面分配更均匀，减小了主桥墩间的流速，减弱了弯道环流，使得游泳场前沿水域流场更归顺。该方案将有效地消除桥下两侧漩涡，减小弯道环流，归顺游泳场水域的水流流态。方案3分两个区进行游泳场边坡修正，游泳场边坡修整后，与其他方案相比较，游泳场前沿水域流场比其他方案更归顺。方案3西河泵站出口下游游泳场宽度约160 m，游泳场前沿离航道比方案1和方案2要远，减小船行波对游泳场沙滩的作用，也增大了游泳的安全性。该方案在主流深槽处抛石整平，减小河床底部水深的梯度变化，有利于平顺主流区的流速流向。由于对旧洪山桥墩间不进行开挖，对闽江北港分流比无影响，对福州市区的防洪是有利的，但该方案对消除旧洪山桥下漩涡、减小弯道环流的效果不如方案2(图11)。

图11 各方案西河游泳场河段中水大潮落急流场图Fig.11 Flow field of West River Natatorium reach in the median water discharge condition during spring tide at the times of ebb maximum in each plan

4.2.2 工程后流速变化

12-a 游泳场边沿

12-b 游泳场中心图12 游泳场河段流速分布Fig.12 Velocity distribution of natatorium reach

对河段工程前后流速进行提取比较(见图12,图中横坐标1～11为游泳场上游顶端至下游顶端11个流速测点，相邻测点距离约为100 m)，游泳场边坡进行修整后(方案1)，与工程前比较，边坡修整后断面形态发生变化，西河泵站出口上游工程河段，流速沿断面发生调整，左岸削坡区游泳流速增大，右岸动力、河中相对流速减小。泵站出口下游工程河段，上游过水断面加大，使得来水加大，左岸场中流速减小，场边沿、右岸动力、河中的流速均有所增大。方案2与方案1比较，旧洪山桥的阻水减弱明显，桥下游的水流在西河泵站以上河段有所减小，西河泵站出口以下河段流速均有所增大。方案3与方案1相比，场沿点的流速相差不多，游泳场上游区水深要比前两种方案要浅，场中点流速游泳场上游区要比方案1小一点，而游泳场下游区要比方案1比方案2大一点，该方案右岸点流速要比方案1和方案2略小，比工程前略大。

4.2.3 工程后水面线变化

西河游泳场河段治理工程(旧洪山大桥挖深、平整边坡、潜堤、丁坝等)实施后，势必会影响河流的过水断面面积，对闽江北港及福州市区的防洪影响是工程方案确定前必须要评估的问题。通过模型模拟文山里一般丰水流量条件下(Q=4 000 m3s)，给出旧洪山大桥上500 m至桥下1 500 m河段工程方案后水面线对比图(见图13，横坐标0点为旧洪山桥上游500 m处)。由图可见，方案2实施后加大了旧洪山桥的过流能力，对水面线的改变较大，工程实施后旧洪山桥上水位下降约8 cm, 旧洪山桥下游水位升高约10 cm, 故加大了旧洪山桥下游福州市区的防洪压力。对于方案1、3，由于没有对旧洪山桥桥墩间水深进行开挖，河流的过流能力变化很小，对水面线的改变影响也很小，故对福州市区的防洪几乎没有影响。

图13 工程区域河段一般丰水水面线对比图Fig.13 Comparison of water surface profile of the general large flow in the project area

4.3推荐方案

本节提出的3种方案，对游泳场边坡进行不同程度的平整，游泳场原水闸出口外水域漩涡减弱，游泳场水域流场较边坡修整前归顺。方案2采用加大大桥两侧分流的方法，减小弯道环流及漩涡对游泳场产生的危害，效果较方案1和方案3要明显，但方案2实际上增加了旧洪山大桥的过流能力，方案实施后大桥下游水面线会有较为明显的抬高，对福州市区的防洪不利，故不采纳。

由于西河泵站引水渠出口以上是淤积区，泵站出口以下为冲刷区，上游边滩比下游边滩要高，方案3采用游泳场上游外边线定于+1 m高程，按3%坡度向岸边填筑；下游段游泳场水域外边线定于+0 m高程，向岸边按3%坡度削坡，较方案1节省了工程量，且下游游泳场区离航道较远，对游泳场的安全有利。此外，方案3采取了充填深坑的方法，抬高出旧洪山桥主流的水面高度，减弱跌水的射流动能，减小对右岸顶冲的强度，减小弯道环流[8]，保护右岸，较方案1为优，故本文推荐方案3。

5 结论

本文采用了数学模拟的方法，对西河游泳场河段的河势、涨落急流场、断面进行了分析，发现河段弯道环流及漩涡会对游泳场的安全造成威胁，是整治工程的重点。提出了3种整治工程方案，并对各方案实施后的流场流速进行了对比分析。方案2在旧洪山桥桥墩间进行开挖，将从根本上消除桥下的漩涡，减小弯道环流，归顺游泳场水域的水流流态，但存在防洪影响的问题。方案3对游泳场边坡分区进行修整后，游泳场水域流场较边坡修整前更归顺，下游场地离航道较远，对游泳场的安全有利；在主流深槽处抛石整平，减小河床底部水深的梯度变化，有利于平顺主流区的流速流向，整治效果较方案1为优。

因此，在天然河道游泳场整治过程中，除了考虑到对游泳场局部流场流态的调整之外，还要综合考虑整治工程对河道通航、行洪的其他功能影响，并进行综合比选，才能得出最优整治方案。

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Flow characteristics and regulation engineering mathematics simulation research of Minjiang River near West River Natatorium in Fuzhou

DINGJian1,SHAOYu-chen2,GUOHuai3,WANGXiao3

(1.KeyLaboratoryofCoastalDisasterandDefence,MinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.JSTIGROUP,Nanjing210098,China; 3.Huai′anWaterConservancySurveyingandDesignInstituteCo.,Ltd.,Huai′an223005,China)

Adverse flow conditions such as circulation flow and vortex are often considered as the disadvantageous factors affecting the safety of the natural bathing beach, and the formation of adverse flow relates to both the natural channel condition and human activities. In this paper, the hydrodynamic characteristics of the river and the optimized channel regulation scheme were studied by setting up a two-dimensional mathematical model that based on the analysis of Minjiang River morphology and flow condition. Research results indicate that in the process of natatorium river regulation, in addition to considering the local flow field of natatorium flow optimization adjustment, other functions of the channel such as navigation, flood discharge must be considered in order to make a comprehensive comparison.

circulation flow; vortex; river regulation

TV 133;O 242.1

：A

：1005-8443(2017)04-0374-06

2016-10-10；

：2017-02-16

丁坚(1960-)，男，江苏省南京人，高级工程师，主要从事港口与航道工程专业研究。

Biography：DING Jian(1960-)，male，senior engineer.