分汊型河流在不同洪峰流量下的水流特性研究

(丹东市爱河大洋河河道整治工程建设管理办公室，辽宁 丹东 118000)

爱河是丹东市境内最大的一条河流，也是鸭绿江较大支流之一，爱河流域位于东经123°41′～124°45′、北纬40°10′～41°05′之间。爱河东向与蒲石河相接，南向与鸭绿江毗邻，西向与大洋河相依，北向与太子河靠近[1]。爱河在三道弯大桥下游1400m处分成东西两汊，东汊于虎山镇汇入鸭绿江；西汊于九连城镇汇入鸭绿江[2](见图1)。爱河西汊原有水坝的轴线与主河道之间有约10°的夹角，10°夹角的存在导致分流堰成为侧堰。

夏季洪水季节，河水偏流形成较大的冲击力作用于坝体将会使堰体遭受较为严重的破坏[3]。2010年，爱河西支炮台顶处分流堰被洪水冲毁,原因可能是分流堰在西支分汊口处，使得分流堰成为了侧堰，水流被分成偏流经过分流堰，其形成较大的冲击力使堰体遭受破坏[4]。

图1 爱河平面图

1 数值模拟软件介绍

本文研究主要采用丹麦DHI MIKE中的Mike21FM模块，后处理采用的是操作简单功能比较强大的Tecplot软件，实现了数值计算和可视化处理功能[5]。Mike21软件可以生成海量数据，根据具体需要，通过筛选后可以整理出有用数据[6]。

Tecplot系列中可视化软件Tecplot360是由美国Tecplot公司研发出来的功能强大可视化处理软件[7]，通过复杂数值计算用更生动的可视化图像显示计算结论，可准确分析分汊河道水流流场特性[8]。

2 不同流量对分流比、流场和主流线的影响

2.1 不同流量对分流比的影响

天然河道是原始产状，分流比为天然分汊型河道的分流性能，体现了干支流的过流能力，爱河分流比计算公式如下[9]：

上二式中η东——东汊分流比；

η西——西汊分流比；

Q东——东汊支流量，m3/s；

Q西——西汊支流量，m3/s。

本文模拟了爱河在10年、20年、50年和100年一遇洪水情况下流量分别为10800m3/s、13000m3/s、16400m3/s、19000m3/s四种状况下的分流比(见表1和图2)。

表1 不同流量下的分流比

图2 分流比与流量关系

从表1和图2中可看出四种流量下东支分流比的均值约为53%，西支分流比均值约为50%，10年、20年、50年和100年一遇洪水情况下西支分流比依次递增，东西支河流分流比的离差都维持在大约2%以内(离差为各支分流比与各均值之间的差)。由图2可知，随着10年、20年、50年和100年一遇洪水情况下流量的增大，分流比的递增递减斜率在逐渐减小，当流量增大到一定程度时，分流比将不会继续增大。

综合分析表明：上游河道若没有挡水建筑物，上游来水量的大小将会对河道的分流比产生显著的影响。

2.2 不同流量对河道流场的影响

2.2.1 回流区分析

河流分汊口处通常会出现显著的水流分离状况，在此处分离的水流流线变化较大，一般会向汊口的方向弯曲。分离的水流会在河道的两岸形成较为显著的回流区域，河道回流区域过水宽度减小，分汊河口回流区的特性主要由河流分汊角度和上游河水流量决定。回流区分析可根据上游来水流量大小和不同分汊角度通过数值模拟进行。数值模拟结果表明：河道左右两岸均出现回流区，将西支左岸与右岸分别定义A区与B区。

图3 10年一遇洪峰流量西支回流区流速云图 (单位：m)

图4 20年一遇洪峰流量西支回流区流速云图 (单位：m)

图5 50年一遇洪峰流量西支回流区流速云图 (单位：m)

图6 100年一遇洪峰流量西支回流区流速云图 (单位：m)

流量/(m3/s)A区B区长度/m宽度/m长度/m宽度/m10800520178295180130005601703402001640064015541022019000660150410230

图7 西支左岸回流区长度-流量关系

图3～图6是爱河在10年、20年、50年和100年一遇洪水情况下流量分别为10800m3/s、13000m3/s、16400m3/s、19000m3/s四种状况下的西支回流区模拟流速云图。从中可知，河水流量由10800m3/s增加到19000m3/s时，A区回流区长度由520m增加到660m，回流区长度增加了21%；B区回流区长度由295m增加到410m，回流区长度增加了28%(见表2)。综合分析可知，河流流量与回流区的长度成正比例关系。

流量由10800m3/s增加到19000m3/s时，A区回流区宽度从178m减到150m，B区回流区宽度从180m增到230m，且B区宽度增加速度较大。当流量达到19000m3/s时回流区宽度达到历史最大值，此时的有效过流宽度达到最窄(见表2)。综合分析表明：回流区的长度和宽度随流量增大均增大。回流区的长度和宽度不断增大将使得回流范围扩大，最终会导致河道淤积面积扩大、河道有效过流宽度呈现不断减小态势。

2.2.2 西支两岸堤脚流速变化分析

西支两岸的堤防工程主要受分汊口分流后两岸堤脚流速变化的影响。

图8 西支左岸流速分布

图9 西支右岸流速分布

由图8可知，随着爱河主河道流量不断增大，左岸堤脚流速同时也呈现出整体增大的趋势。在距离分汊口大约400m处岸边流速达到了1.1m/s的峰值点，在河道流量为10800m3/s时，峰值点出现在最后一点。分析可知此时由于流量较小，洪水漫不到堤脚，而在末尾段出现最大水流。

由图9可知，流速波峰在河流轴线上每隔约400m处多次出现，出现的位置分别为180m(西支X0+100)、580m(西支X0+200)、980m(西支X0+600)处，在980处流速达到了峰值。综合分析可知，堤脚流速受流量变化影响较显著，在西支左岸X0+500和右岸X0+600处要加强对堤防的防护。

2.2.3 对河道主流线的影响

水流平面上最大单宽流量所在处的平顺连线为水流主流线，单宽流量由每一个断面的流速乘以相应点的水深求得。每种工况下的主流线由连接每个断面上的最大单宽流量点求得。

qi=vihi

式中qi——单宽流量，m3/s；

vi——测点流速，m3/s；

hi——测点水深，m。

图10 爱河不同流量下主流线示意图(单位:m)

由图10可知，西支左右岸都有一个比较明显的水流回流区，流线在两个回流区之间。爱河上游四条主流线呈现出显著的重合迹象，而在河道分汊口处出现了分开的趋势。洪峰流量为10800m3/s时，首先分流，之后洪峰流量为16400m3/s时出现第二次分流，最后在洪峰流量为19000m3/s时出现第四次分流。

东支主流线在下游区呈现出显著的重合迹象，西支主流线在下游重合后,又出现了较小的偏离状况，当洪峰流量为10800m3/s时出现了比较严重的偏离状况。综合分析可知，当出流量较小时主流线呈现出较大程度的偏移，与现实常态“大水取直,小水坐弯”的水流形态十分吻合。

3 结 论

a.本文研究了分汊型河流在不同洪峰流量下的水流特性，对如何加强分汊型河流堤防防护意义较大，由于研究主要是通过数值模拟软件进行的，而模拟条件较为理想化，故与现实状况还是有些许差异。

b.上游河道若无挡水建筑物，上游来水量的大小将会对河道分流比产生显著的影响；河流分汊口处会出现显著水流分离状况，此处分离的水流流线变化较大；河流流量与回流区的长度成正比例关系，回流区的长度和宽度随流量增大而增加。回流区的长度和宽度不断增大将使回流范围扩大，最终将导致河道淤积面积扩大，河道有效过流宽度减小。

c.堤脚流速受流量变化影响较显著，在西支左岸X0+500和右岸X0+600处要加强对堤防的防护。

[1] 金明星.设有栏河堰的分汊型河道水流特性数值分析[D].沈阳:沈阳农业大学,2017.

[2] 张春雷.堰闸布置对爱河分汊河道水流特性影响的试验研究[D].沈阳:沈阳农业大学,2017.

[3] 盛静.丹东爱河分流堰水流特性试验研究[D].沈阳:沈阳农业大学,2016.

[4] 李润清.关于强弯河道水流结构及离散特性分析[J].水利规划与设计,2017(6):93-95.

[5] 茹树青.中小河流河道治理工程设计洪峰流量计算方法的分析[J].水利技术监督,2014,22(2):36-38.

[6] 顾莉,华祖林,褚克坚,等.分汊型河道水流运动特性和污染物输移规律研究进展[J].水利水电科技进展,2011,31(5):88-94.

[7] 谭伦武,李元生,郑英,等.长江下游安庆复式分汊河段整治关键部位研究[J].水运工程,2011(3):131-136.

[8] 冯娟,杨涛,黄尔.分汊型河道潜洲阻力特性的试验研究[J].人民黄河,2009,31(8):33-34,128.

[9] 蔡国正,唐存本,陈凡.分汊型急流滩水力特性试验研究[J].水利水运科学研究,1997(2):95-104.