河曲河道数值模拟浅析

□张 昊

近于环形的弯曲河流被称为河曲或蛇曲。水流与河床相互作用结果使天然河流总是弯弯曲曲。因环流作用，一岸冲刷，使岸线凹进；另一岸淤积，使岸线凸出，俗称“凹冲凸淤”。故凹岸水较深，是深泓位置；凸岸水浅，形成边滩。环流也是造成河曲的主要力量：冲向凹岸的下降水流流速快、侵蚀力强，使得凹岸后退，越来越凹；冲向凹岸的水流折向河底后，沿凸岸一侧上升，上升的过程中水流速度变慢，携沙能力降低，泥沙不断在凸岸一侧下沉堆积，使得凸岸变得越来越凸。见图1。

图1 河曲河道凹岸凸岸

1.软件简介

丹麦水动力学研究所（DHI）开发的 MIKE v2014 版软件 MIKE 21 属于平面二维自由表面流模型，采用非正交曲线网格，忽略了垂向水流加速度，以垂向平均的水流因素为研究对象，模拟计算海洋、湖泊、河道、蓄滞洪区的流场、流速、水位的变化。

此次利用MIKE21FM 非结构网格模型进行模拟计算。非结构网格模型中采用的数值方法是单元中心的有限体积法。控制方程离散时，结果变量U、V 位于单元中心，跨边界通量垂直于单元边。有限体积法中法向通量通过在沿外法向建立单元水力模型并求解一维黎曼问题而得到。

2.实例分析

取漳河某段河道作为研究河段，采用mike21fm 软件进行模拟计算。该河段上下游全长约87km，上游边界条件为20 年一遇，取恒定流量4800m3/s，下游边界处有水文站，边界条件取用水位—流量关系控制，对模型网格尺度取用最大网格面积不超过1000m2，最大网格面积不超过500m2，最大网格尺度不超过100m2，最大网格面积不超过50m2的4 种网格尺度进行模拟研究分析，最大网格剖分个数189413 个，网格节点数量98675 个。

通过对不同网格尺度模拟分析发现，前3 种网格尺度弯道处横向流速并没有完全呈现凹岸流速大于凸岸的趋势。随着局部网格尺度的进一步减小和地形概化精度更趋细致（尤其是河道主槽内地形的处理），流速渐趋于合理。由此可见，对于河曲河道的数值模拟概化，尤其应该注意弯道附近网格尺度的取用及地形的精细化处理（其中河道主槽位置对流速分布变化影响最大），可避免流速分布出现不合理现象。

在插值算法的选择上，建议优先选用自然临近插值算法，对节点附近真实地形数据的取用优先级略高于其他插值算法。

一般测量数据主槽内点距要疏于滩地，为避免滩地高程数据对主槽网格地形插值的影响，可以考虑采用分区域插值的方法，从而彻底隔断滩地地形数据对主槽地形插值的影响。见图2 和表1。

表1 不同网格尺度凹岸、凸岸典型位置流速比较表

图2 网格及模拟流速等值线分布示意图

3.结语

利用mike 软件概化河曲河道时，为充分考虑弯道环流的影响，在凹岸、凸岸河段应尤其注意采用较小网格尺度，同时对该区域上下游地形数据需做反复精细化处理可避免流速分布出现不合理的现象，在进行插值时，可分区域单独插值并采用不同插值算法，对凹岸、凸岸河段建议优先采用自然临近插值算法。但是由于网格尺度的减小势必会加大计算的时间代价，对于研究河段较为顺直的区域可采用矩形网格混以三角网格的方式减少计算时间，条件允许时也可采用gpu 计算模块。