斜接型交汇河段水流特性试验及数值模拟研究

张毅爽

（新疆建源工程有限公司,新疆 乌鲁木齐 830000）

水是生命之源,但“水能载舟亦能覆舟”。目前洪水灾害频发成为我国在水沙治理方面研究上面临的最大挑战,而且近半个世纪以来,在气候不断变化和人类活动的影响下,新疆塔里木河段逐渐出现了淤积萎缩的趋势。随着科技不断发展,我国水利工作者通过长期研究各个流域的水流水沙演变情况,基本上掌握了流域河道的演变特性,为新疆流域水沙治理方面的研究提供了强有利的科学依据［1-2］。

河道演变的根本原因是流域河道输沙的不平衡。影响河道的冲淤演变的主要因素有水力因素、水库调控和风沙入河等。河床地形结构、河床边界条件及河道来水来沙条件决定着该河段水流的水动力条件,随着水动力条件的不断变化,从而促进河道、河床边界中的物质交换过程［3］。在河流纵坡降较少的情况下,河槽横断面形态的调整影响着河流过洪能力和输沙能力。目前中小流量河流在我国现存河道中占据很大比重,较大洪水的发生具有一定的可能性,排洪和输沙问题对不同断面形态的要求使得矛盾愈见突出,综合以上因素来看,研究塔里木河河段典型河道的河道演变和水沙作用规律,为人民的生产实践和河道治理工作提供理论依据,具有极其重要意义。

1 区域概况

塔里木河位于塔里木盆地北部,是我国最长的内陆河。塔里木河干流西起阿克苏河、叶尔羌河、和田河三河汇合处的肖夹克,绕塔克拉玛干沙漠北缘向东,最终流入其尾闾台特玛湖,干流全长1321 km。塔里木河下游位于塔里木盆地东北部,东侧为库鲁克沙漠,西侧为塔克拉玛干沙漠,河段由恰拉至台特玛湖,全长 428 km,呈东南向狭长条状,宽度渐窄,在 20 km~40 km 之间。塔里木河下游可分为上、中、下三段：恰拉～大西海子水库泄洪闸为塔里木河下游上段大西海子水库泄洪闸～阿拉干是塔里木河的下游中段,阿拉干～台特玛湖是塔里木河的下游下段,对于塔里木河下游地区,由于来水量稀少,造成了下游河道常年断流［4］。塔里木河由中游的泛滥性河流进入下游河段后转变为较固定的下切性河流,基本没有分散的叉流,河床下切深度2 m~5 m,河道较窄,河道纵坡1/4500~1/7900。

图1 塔里木河下游位置图

2 实验研究方法及模型设计

2.1 模型设计

从关于交汇水流的现有研究文献看来,交汇区域水流特性问题研究成果已非常丰富,大多所选试验水槽断面也几乎都为矩形断面。本研究物理模型试验水槽断面也基于矩形断面进行设计,从而测量交汇角度为 45°时 1∶1、1∶2、1∶3、1∶4四种汇流比情况下的各个水力特性参数。在数值模型中针对交汇角度为 45°时的矩形水槽进行模拟运算,进而分析实测试验结果与模拟运算结果的异同性。

水槽试验为典型的明渠水槽,根据实验可操作性,将试验水槽按照重力相似准则来进行设计,本次关于交汇水流的物理模型试验为基础性研究试验,则所建立的水槽模型为概化模型。试验水槽具体形体尺寸为：试验整体水槽为长×宽×高=21 m×1 m×0.5 m 的矩形槽,主、支槽的槽底坡降为 1‰,主槽宽 1 m,支槽宽 0.5 m,主、支槽在交汇区域上游大部分由水泥抹面制成,在靠近观测区部分和整个观测区则由无机玻璃制成,观测区域长度为 2.0 m,支流以 45°的角度在距水槽末端的 7 m 处交汇对接。整个试验由量测系统、流量调节系统、水流循环系统及其他相关的辅助设备组成。循环系统的动力装置为两台潜水泵,通过 PVC 输水管道将高位水箱、蓄水池及实验水槽构成连接。

在此过程中,通过薄壁三角堰流公式计算得到不同堰角对应堰顶水头测压管的度数,见式（1）：

式中：h为堰顶水深；为三角堰顶角；Ce为流量系数。

2.2 试验工况安排

物理模型试验建立坐标原点位于主支流交汇口下游角点（水槽底部）,顺水槽方向设为 X 轴正向,垂直水槽并指向右岸的方向设为 Y 轴正向,指向水面的水深方向为 Z 轴正向。X、Y、Z轴方向所对应得流速分别设为u、v、w。本文中主流流量为Qu,支流流量为Qb,主支流交汇后总流量为Qd,则：

这里定义汇流比为RQ=Qu/Qb,即用汇流比为主流流量与支流流量的比值。

物理模型试验在不改变交汇角度（45°）的情况下采用两种地形工况,分别为矩形断面（命名为地形一）与一种较复杂的断面（命名为地形二）,在每种地形下通过改变主流上三角堰堰角来调整汇流比,以达到汇流比为1∶1、1∶2、1∶3、1∶4四种情况,具体的试验参数见表1。

表1 交汇水流结构试验组次参数表

整个试验过程总流量为 40 L/s,在主、支槽中分别装有薄壁三角堰,支流上薄壁三角堰堰角固定位 90°,通过调整主流上薄壁三角堰堰角进而达到调整主支流流量比,调整角度为 90°、53°、37°、28°,由三角堰流量计算公式计算可得,以上四个角度分别对应汇流比1∶1、1∶2、1∶3、1∶4四组。

2.3 数值模型建立

研究针对矩形槽底工况进行了一系列数值模拟计算,其中水槽主支流交汇角为 45°,槽底坡降 1‰,模拟过程中通过将主支流汇流比改变为 1∶1、1∶2、1∶3、1∶4四组来进行运算。

（1）网格划分

计算模型中采用非结构网格,每一个网格单元均为三角形,对该工况下进行网格划分见图2（图中横纵坐标数值为该模型在 CAD 中所处坐标值）。网格划分参数为：三角网格数为 2158、网格节点数为 1191、网格最大面积不超过 0.004 m2。

图2 试验数值模型网格划分

（2）参数设定

物理模型试验为清水定床试验,数值模型亦拟定为清水定床模型,该工况具体模拟情况如下：

地形文件：地形选择为 1‰比降的矩形槽,设槽的最下游端槽底高程为起始点,根据坡降向上游计算。

参数设定：该数值模型中总流量参数为Q=40 L/s,其单宽流量均匀分布,河床纵向坡降设为 1‰,水流为恒定非均匀流,综合糙率 0.03125。针对每一组汇流比（按 1∶1、1∶2、1∶3、1∶4 四种情况）分别进行模拟运算,每一组上下游出口条件取对应试验测量过程中所测出的真实水深值。模块选择为 HD模块模拟计算,计算中固壁按定边界条件处理,模拟计算时间为2小时。

（3）模型研究

MIKE 21 模型［5］： 可以用来模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境。它在对二维非恒定流进行模拟的同时,还对水下地形、潮汐变化和气象条件进行了考虑。MIKE 21 主要包含水动力（HD）、水质（ECOLab）、对流扩散（AD）、波浪（OSW、NSW、BW、EMS 和 PMS）、泥沙传输（MT 和 ST）等模型。

水动力模型：本文数值计算是基于水动力模型（HD）进行的,该模型的控制方程由质量守恒方程（连续方程）和沿垂向积分的动量守恒方程组成：

x方向动量方程：y方向动量方程：

式中：x、y为空间坐标,m；t为时间,s；ρw为水的密度,kg/m3；g为重力加速度,m/s2；（x,y,t）为水位,m；C（x,y）为 Chezy系数,m1/2/s；d（x,y,t）为随时间变化的水深,m；h（x,y,t）为水深（h= -d,m）；τxx、τxy、τyy为有效切应力分量；Ω（x,y）为科氏（Coriolis）系数,依赖于纬度,s-1；V、Vx、Vy（x,y,t）为风速及其在x、y方向的分量,m/s；Pa（x,y,t）为大气压强,Pa；f（V）为风摩擦系数；p、q分别为x、y方向的单宽流量,m3/（s·m）,其中p=uh,q=vh,u、v分别为x、y方向的垂向平均流速,m/s。

3 研究结果

本文以新疆塔里木河段复杂的干支流分布为背景,在总结前人研究成果的基础上,对交汇角度为 45°的斜接型交汇水流分别设计并进行了物理模型试验和数值模型试验研究,其中物理模型试验水槽分 1‰比降的矩形水槽和复式地形两种,数值模型只针对矩形水槽进行模拟计算。每种地形通过改变 1∶1、1∶2、1∶3、1∶4 四种汇流比RQ进行试验测量和模拟运算,并分析数据。进而比较分析交汇角度分别为 45°、60°、90°时模型试验的流速数据,对斜接型交汇水流运动特性进行了系统的阐述。进行水槽物理模型试验及数值模型模拟运算,通过对得到数据进行分析得出：

（1）交汇角度为 45°条件下,当地形条件相同,而改变汇流比RQ时,RQ越小（即主流流量越小,支流流量越大）,流速变化范围越大,主支流混掺紊动情况越明显,分离区面积增大,主支流上游越易壅水。

（2）在汇流比、交汇角度等条件不变的情况下,改变交汇区域地形,地形越复杂交汇区域紊动情况也越剧烈。

（3）在只改变主支流交汇角度的情况下,交汇角越大,越不利于下游水流顺畅,但最大流速区在交汇口下游向对岸移动,易对交汇区域岸边产生冲刷,因此在实际工程中应综合考虑现实问题来确定所要设计的交汇角度。所得数值模拟结果与物理模型试验结果吻合良好。