北江丁坝群水动力特性数值模拟及其对通航安全的影响研究

关键词：丁坝群；通航；水动力模型；北江

中图分类号：TV863 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2024）11-0097-11

北江航道不仅是韶关、清远、佛山等城市之间的水上桥梁，更是推动其流域内经济社会发展的重要动力源泉。近年来，随着北江航道扩能升级项目的推进，航道等级从韶关孟洲坝至佛山三水河口由Ⅴ级提升为Ⅲ级，成功构建了一条千吨级的航道，显著增强了北江的航运能力［1］。然而，在航道运输日益繁忙的今天，通航安全问题愈发凸显，成为制约北江航运进一步发展的关键因素。

在航道的整治与维护过程中，丁坝作为一种常见的工程结构，发挥着不可或缺的作用。北江干流英德段，河道曲折多变，水流条件复杂，因此采用了重点整治的筑坝措施［2］。丁坝在此不仅作为整治性建筑物，通过束窄航道、调整流态来满足航道水深要求［3］，同时也作为维护性建筑物，设置于弯道附近，减小流速，保护河岸免受水流冲刷，从而稳定航道［4］。在北江航道的改造和提升过程中，丁坝因其成本低廉、效果显著得到了广泛应用。

国内外学者对于丁坝整治河段对通航的影响进行了大量研究。王平义等［5］采用二维浅水非恒定流数学模型，深入分析了长江单丁坝整治河段主流线的时间和空间分布；王慧［6］则聚焦于丁坝附近水流对船舶航行的影响，探讨了丁坝对船舶通航安全的影响距离；Moghispour等［7］通过18种不同的丁坝安装布置进行实验研究，探究丁坝对上下游航道水位的影响；Zhang等［8］针对不同挑角情况进行了丁坝局部冲刷坑的演化过程试验，探究丁坝对航道局部冲刷的影响。然而，这些研究多集中于顺直河道或机理模型，对于天然河道中丁坝群的整体影响研究尚显不足，且多数研究采用二维模型，难以全面反映实际三维流场中的复杂情况［9］。

北江航道在扩能升级过程中，新建了多座丁坝，并对部分丁坝进行了改造。然而，北江流域洪涝灾害频发［10］，特别是“22·6”洪水过后，航道地形发生了显著变化。这种地形变化使得原有地形条件下的丁坝对通航影响的研究变得不再适用。特别是北江中游英德段，丁坝数量众多，河道弯曲，水流作用机理极为复杂，这使得现有研究成果难以直接应用于该区域的丁坝群效用机制分析。

因此，本文选取北江中游英德段23 km的河道作为研究对象，于2023年10月采用声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP）技术对该河段水下地形进行了精细测量。同时，利用开源数学模型非结构网格海洋环流与生态模型（Finite Volume Coastal Ocean Model，FVCOM）构建了该河段的三维水动力数值模拟系统，对比分析丁坝群作用下的水动力特性变化。本研究旨在深入揭示丁坝群对通航安全的影响机制，为北江航道的安全、高效运行提供科学依据和决策支持。

1数学模型构建与验证

1. 1计算域现状概况

北江是珠江水系的第二大支流，地处广东省，是清远、韶关等粤北地区经济发展的水上动脉［11］。目前北江干流自上游而下依次建立了孟州坝、濛里、白石窑、飞来峡、清远水利枢纽共5 座水利枢纽［12-13］。白石窑水利枢纽是北江流域中重要的第三梯级枢纽［14-15］，其坝址建于北江中下游，距离英德市25 km，多年平均流量532 m³/s［16］。研究区域选取北江干流英德段，上边界位处位于白石窑水利枢纽坝址下游180 m处，下边界位于北江干流与滃江交汇处上游500 m处。该河段河道宽阔，水流平缓，河床由细沙（含有中粗砾石和小砾石）沉积物组成［17］，河道平均比降0. 09‰，该段研究区域位于广东省英德市境内，全长23 km，共修建了92座大小形状各异的丁坝以保护河岸及束窄航道。研究区域的位置、河道段和丁坝见图1。

1. 2地形数据和网格划分

2023年10月，ADCP技术被用来对研究区域河段水下地形进行了精细测量，测量断面平均间距为170 m，测得的地形点总数为25 038个。计算域网格划分为非结构化三角形网格，坐标系采用2000国家大地坐标系。采用不同网格分辨率对研究区域进行试算，最后采用以下最优网格分辨率：丁坝区域网格尺寸为5～10 m，河道区域网格尺寸为10～20m，整个研究区域共生成网格116 364个。研究区域中丁坝的尺寸、位置和数量与实际情况一致，网格生成的结果见图2。

1. 3边界条件

模型计算范围由白石窑水电站坝址下游180 m至北江干流滃江口上游500 m。由ArcGis处理地形高程点后，在SMS 软件中划分非结构化三角形网格，最终在FVCOM 中完成编译计算。在模拟水动力过程时，由于模型启动时的初始条件如水位和流速等对于水动力的影响难以在短时间内完全消除，因此选择冷启动的方式降低这种初始条件带来的干扰，选取零流速场作为初始流速场，模型启动时间提前5 h。FVCOM 在开边界处有2种驱动方式，分别为潮汐驱动和水位驱动，本模型下边界采用英德（五）水位站的水位数据，数据取自广东省水利厅汛情发布系统。上边界来流量为ADCP实测流量，实测流量为120～420 m³/s。

1. 4参数设置

a）时间步长设置。本模型网格划分尺寸为5～20 m，网格划分较小，为了满足Courant-Friedrichs-Lewy数收敛条件，防止模型发散，经调试后设置时间步长为0. 2 s。

b）干湿边界。FVCOM模型启用干湿判别模块后，模型将基于每个网格的水深状态来决策是否对该网格进行计算，本模型设置最小水深为0. 05 m，即当网格单元水深小于0. 05 m时，模型判断该网格为干网格，忽略该网格的计算。

c）摩阻系数。FVCOM模型根据粗糙高度计算河底摩阻系数，通过对粗糙高度和最小摩阻系数进行针对性的调整，可控制模型的河底摩阻系数，经过对模型的调试，最终选取的粗糙高度为0. 001 m，最小底摩阻系数为0. 0025。

d）垂向分层。本次计算采用三维模型计算，垂向上采用σ分层，每层在深度上垂向平均，一共分为15层。

1. 5模型验证

由于河流弯道处为重要关注区域，所以在研究区域河流弯道处自上游至下游选取了8 个验证点A1—A8对模拟结果在水深以及相应沿水深方向的流速进行验证。验证点的位置见图1。水深和流速数据来源于2023年10月实测数据，每个验证点的水深和流速信息均是在某一时刻测得。

1. 5. 1水深验证

水深验证结果见表1。其中站点A7的水深模拟偏差最大，但误差也仅为3. 01%；站点A4水深偏差最小，误差0. 57%。站点A1—A8模拟水深的平均偏差为1. 90%，纳什系数为0. 92。由此可见，实测水深与数值模拟结果十分吻合。

1. 5. 2流速验证

图3 给出了实测与模拟流速对比。由图3 可知，验证点A6 的模拟误差稍大，其最大误差为10. 3%，模拟与实测之间的平均误差为5. 1%，说明模拟值展现出了良好的拟合效果，流速模拟结果基本能正确反映流速沿着河流水深的变化趋势，流速模拟结果与实测数据高度吻合。

1. 5. 3误差分析

数值模拟产生误差的主要原因有：①在数据模拟中，网格边长较大，影响模型计算精度；②FVCOM模型计算中，速度信息储存在网格中心，水位信息储存在网格节点，无法与实测点位置完全吻合，使得模拟值和实测值存在一定误差；③ ADCP（Acoustic Doppler Current" Profiler）测量的不同断面地形之间的平均距离为170 m，间隔较大，插值后得到的地形与实际地形有出入。从上述看，虽然模拟值和实测值存在一定误差，但是模型仍然能较为准确地模拟实际工程中的水动力情况，展现较好的可信度，该模型可用于北江航道英德段丁坝群水动力模拟。

2丁坝群对水动力特性的影响探究

从图1直接可以看出，研究区域范围内丁坝数量众多，结构复杂，丁坝群分布类型主要为双侧和单侧丁坝群。在研究区域的中间段，有2个将近90°的急弯。在此急弯段，水势快、急、猛，冲刷力强。此急弯段具有连续转弯的水流特性，航道连转两急弯水流对堤岸的顶冲能力强，且流线蜿蜒散乱，此段极大地影响通航安全。因此为了探究弯道中丁坝群对水动力以及航道的影响，采用上述率定验证通过的数学模型，设置了2个情景工况：①现状工况，考虑当前研究区域有丁坝现状情况；②无丁坝工况，假设去除研究区域中所有丁坝的情况。

当枯水季来临，上游来水量逐渐减少，导致水位降低，行宽缩减，航道条件恶化。在10月至翌年3月，英德段流量变化范围为210～460 m³/s，因此采用2023年10月某时刻实测流量420 m³/s下进行模拟计算，此时对应的下游边界水位为23. 68 m。其余设置条件与1. 4节一致。为保证航道水力特性和丁坝局部水动力达到稳定状态，本次工况模拟时间设定为20 h。选取急弯处5个断面S1—S5开展分析，具体位置见图1。

2. 1水位对比

丁坝具有壅高水位的作用，图4是现状工况和无丁坝工况，从S1断面到下边界区间16 km航道水位分布。

由图4可知，在有丁坝区域中，现状工况的水位始终高于无丁坝工况；水流经过无丁坝区域时，丁坝对水流产生的雍高效果会消失，此后现状工况的水位与无丁坝工况几乎重合。在水位分布上，有丁坝区域中2种工况的水位沿着河道越来越接近，在S1断面处水位相差约0. 2 m，直至在有丁坝区域末尾处水位相同，这说明越接近上游，丁坝对水位的壅高效果越明显；越接近下游，丁坝对水位的壅高效果逐渐减弱，规律与前人研究结果一致［18-19］。现状工况下航道落差相较于无丁坝工况较大，航道落差是影响通航水流比降条件的重要因素。GB50139—2014《内河航道通航标准》对内河航道落差规定其局部落差不大于600 mm，该值大于现状工况的局部落差，因此在有丁坝条件下，比降的变化不会对通航安全造成影响。

2. 2流速对比

2. 2. 1横向流速分布对比

当水流流经丁坝时，其流态特征会发生改变，横断面流速分布也会随之调整。因此研究航道断面的流速变化规律，对于分析丁坝群对航道的水流冲刷特性具有重要意义［20］。为了获得各断面上的水流流态，以及流速分布对通航安全的影响，分别选取S1—S5断面中的第1层、第5层、第10层（即σ1、σ5、σ10）中的流速进行分析，见图5。

从图5可以看出，对于现状断面的流速分布，S1和S2为左岸低右岸高，其余断面为左岸高右岸低。这主要是因为S1和S2所在断面附近丁坝群建于左岸，其余断面的丁坝群建于右岸。由于河道流速沿着水深方向逐渐减小，因此σ1的缓流区最大，第σ10层缓流区最小，不同层面的流态分布大致一致，因此以下各工况流速分析以σ1为例。

在丁坝群所在侧，S1—S5现状工况的近岸流速相较于无丁坝工况分别减少了51. 6%、44. 6%、47. 3%、58. 0%、90. 3%，这说明丁坝能显著调节航道附近流速分布，降低所在侧的流速，实现对岸坡的有效保护。

现状工况的最大主流流速均大于无丁坝工况，相较于无丁坝工况，现状工况S1—S5的最大主流流速分别增加了121. 8%、101. 7%、110. 9%、66. 6%、77. 6%。因此在丁坝作用下，河道主流流速显著增大，有利于减少泥沙沉降和淤积，加深深泓线，有利于通航［21］。

与无丁坝工况相比，现状工况中S2—S5丁坝对岸的流速分别增加了129. 0%、75. 0%、170. 6%、73. 3%，流速增大会增加河道对岸岸线冲刷后退的风险［22］。丁坝长度不小于1/3河宽时为长丁坝，因此S2—S5断面附近均为长丁坝［23］。长丁坝在缩窄河床能力上效果显著，但由于其深入河道，对水流影响较大，增强对局部区域的冲刷，提高航道出现安全风险的几率，且出现险情后难以抢护［6］。

2. 2. 2水平流速分布对比

由图5可知，河道流速沿水深方向逐渐减小，同一工况下不同分层的流速大小不同，但是流态分布基本一致，因此水平流速分析仅采取表层流速进行分析，选取单侧丁坝典型区域B1和双侧丁坝典型区域B2进行分析，B1、B2所在位置见图1，其流场分布特征见图6。

由图6a、6b对比可知，在现状工况下，水流经过单侧丁坝时，由于丁坝的作用，河床束窄度增大，河道主流区宽度变窄，主流区流速明显增大，位置向右岸靠拢。在丁坝之间，产生了较大的回流区，且坝田区均产生了顺时针方向的漩涡，漩涡区的流速均在下游坝头前附近达到最大，随着水流顺时针向上游转动，漩涡区流速逐渐减小，且在越靠近漩涡边缘流速越大，越靠近漩涡中心流速越小。

由图6c、6d对比可知，在现状工况下，当水流经过双侧丁坝时，由于两岸丁坝的缩窄作用，坝间两岸流速减小，主流区流速瞬间增大，主流区位置在河道中间。同时，在两岸的坝田区产生了回流区和漩涡，其特性与单侧丁坝坝田区一致。

对比图6，在丁坝保护范围内，现状工况的流速均小于无丁坝工况的流速；在主流区域范围内，现状工况的流速均大于无丁坝工况的流速，这与2. 2. 1小节结果一致。

2. 3小节主流线特征分布

主流线，又称水流动力轴线，是指水流流程各断面内最大垂线平均流速的连线［24］。本文为三维计算，则将主流线进行分层，即各断面每层的最大流速的连线定义为该层的主流线。主流线的特征分为横向特征和水平特征，横向特征表示为同一河道横断面不同水深分层的主流线沿着水深方向上的摆动幅度（简称“摆幅”），可以概括成游荡摆动（简称“游摆”）和稳定不变；水平特征表示为一条主流线在空间上沿程的几何形态，可以概括为曲折和顺直。

2. 3. 1横向特征分布

主流线横向特征的游摆程度采用沿程区间横断面主流位置标准差的平均值T来衡量，按式（1）计算：

为了更直观地展示不同σ层中主流线的摆动情况，做出2种工况下S1—S5中主流线沿不同分层所在的位置，见图7。

由图7可知，S3和S5的主流线沿着水深方向均未发生改变，其余断面的主流线位置均发生了改变，且现状工况的改变幅度小于无丁坝工况。按照定义对主流线游摆程度和摆幅进行计算和评价，结果见表2。

主流线的游摆程度越大，则横向上主流线的游荡摆动越频繁，河势越不稳定。由图7和表2进行分析发现：①S3和S5所在位置的主流线顺直稳定，且不随水深的改变而改变，对通航安全没有影响；②S1和S2附近的最大摆幅均达到最大，为通航过程中最不安全区域，S4游摆程度较小，但散乱的主流线同样不利于船舶操控，因此船舶航行至该区域时，务必保持谨慎，确保航行安全；③现状工况的主流线比较稳定，断面S1、S2、S4的游摆程度T 分别减少了41. 6%、36. 5%和21. 0%，最大摆幅分别减少了50. 2%、48. 9%和46. 1%。这说明在横向上，丁坝具有明显的集中主流、稳定河势的作用，与前人的研究结果一致［25］。

2. 3. 2水平特征分布

主流线水平特征的曲折程度采用S1-S5沿程区间主流位置标准差的平均值E 来衡量，E 按式（3）进行计算：

式中：y_i，j为某区间中第i 断面第j 时刻主流线所在位置的y 方向坐标，坐标方向见图2；j 取第20 h时刻；为断面数量；m 为选取时刻的个数，这里m=1。

由式（3）计算得到在现状工况中，主流线的曲折程度为784. 2m；在无丁坝工况中，主流线的曲折程度为774. 5m。主流线的曲折程度越大，则主流线在水平方向上形态越曲折，通航安全性越差［5］。他人研究表明，丁坝会使得主流线发生突变［26］，而在S1—S5的研究区间，丁坝群分布复杂，丁坝的布置对水流具有控导作用，因此在不同布置形式丁坝的影响下，河道的主流线发生了较大的改变。船舶航行时沿水流方向稳定性较好而横向稳定性较差，故航道内存在横向或斜向水流时，船舶受侧向水流的干扰而偏离正常航线，极易造成事故［6］。因此船只在经过不同布置形式的丁坝时，要注意主流线发生突变情况，防止出现触坝和搁浅回流区等危险。

2. 4水流动力轴线弯曲半径分布

现状工况和无丁坝工况的地形和水流特征存在差异，会造成河势与水流动力轴线行进方向发生变动，进而导致水流动力轴线弯曲半径发生变化［24］。

张植堂等［27］理论推导了水流动力轴线弯曲半径R₀计算公式如下：

式中：g为重力加速度；R为河湾半径，采用2023年天地影像图测得；Q为河段流量，m³/s；J_ø为水动力轴线处的水面纵比降；ϕ为河道的弯曲度或河湾中心角（弧度）；A为相应的过水断面面积，㎡。

计算得到2种工况下各断面的水流动力轴线弯曲半径与河湾半径对比见图8。

由图8可知，现状工况和无丁坝工况的水流动力轴线弯曲半径均小于河湾半径，且无丁坝工况的水流动力轴线弯曲半径更接近河湾半径。相较于无丁坝工况，现状工况水流动力轴线弯曲半径分别减少了36. 7%、21. 5%、14. 0%、17. 0%、32. 0%。河湾半径比水流动力轴线的弯曲半径大得越多，表示出流方向变化的随机性越大；河湾半径与水流动力轴线的弯曲半径越接近，水流对河湾工程产生的冲击就会越小，进而使水流越平稳，阻力损失越小［28］。前人研究表明［29］，当丁坝布置在凹岸时，能够有效改善水流动力轴线弯曲半径，但由于研究区域中丁坝多布置在凸岸，不仅增大了对河湾的冲击，而且使得航道的出流方向变化更大，这与2. 2. 2小节分析结果一致。

S1、S5的水流动力轴线弯曲半径和河湾半径差距最大，说明这2个断面水平方向上水流越不稳定。在此两个断面附近，要更加注意通航安全，防止触坝、触岸等事故发生。

3结论及展望

3. 1结论

a）北江航道丁坝壅高了水位，越接近下游，丁坝对水位的壅高效果逐渐减弱。

b）通过对比航道流速特征分布可知，在靠近丁坝的一侧流速低于对岸，丁坝起到了束窄水流、保护河岸的作用。

c）丁坝能有效增大航道的主流流速，有助于减少泥沙沉降，增大对河床底部的冲刷，有利于通航；但是北江航道的长丁坝虽然能一定程度上延长丁坝岸滩的掩护长度，增大主流流速，但是也同样加剧了对岸的冲刷，使得对岸航道容易遭到破坏、出现险情。因此实际工程中，建议增强对丁坝对岸岸坡的防护，或者在长丁坝对岸增设短丁坝保护对岸，削弱长丁坝带来的负面影响。

d）在横向上，丁坝具有明显的集中主流、降低游摆程度、稳定河势的作用。在水平上，丁坝的布置对水流具有控导作用，在急弯航道中，单侧丁坝多布置在凸岸，使得河道的主流线在水平方向容易发生较大改变。相较于无丁坝情况，北江航道的丁坝使得主流线更加曲折。为了使主流线在水平方向上更加顺直，可适当减少凸岸丁坝的长度，减少弯道处的主流线的曲折程度。

e）丁坝的布置使得弯道的水流动力轴线弯曲半径变小，增大了对河湾的冲击，航道的出流方向变化更大。可在水流动力轴线弯曲半径变化较大处比如断面S1和S5处的长丁坝对岸设置短丁坝，增强丁坝对水流的控导作用，调控航道出流方向。

3. 2展望

a）本文仅考虑枯水期情况，且来流条件为恒定流。实际天然航道中上游来流量随时间不断变化，在今后的研究中，可以考虑天然来流量条件下进一步研究。

b）影响航道通航安全的因素除了本研究内容外，还有泥沙影响、工程地质条件等，未来应加强对这些影响因素的深入研究。