SKM模型在天然河道的適用性研究

楊 華,廖華勝,李連俠,蔣勝銀,蘆妍婷

(1.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室,四川 成都 610065;2.廣東省水利水電勘測設計研究院,廣東 廣州 510610)

天然河道大多都是由灘地和主槽組成的復式河槽,其斷面形狀多不規則。灘、槽之間的動量交換[1]和邊界阻力分布不均對水流的影響[2]使得天然河道的水流特性問題極為復雜。1991年,Shiono和Knight從黏性流體力學基本方程(N-S方程)出發,在恒定均勻湍流的前提下將方程簡化進而提出SKM模型(Smono&Knightmodel)[3],其控制方程為

式中:ρ為水的密度;g為重力加速度;H為水深;S0為河道縱向底坡;f為摩阻系數;Ud為深度平均流速;s為河道邊坡坡度;y為河道斷面橫向坐標;λ為無量綱渦黏性系數;Γ為二次流影響因子。

SKM模型提出以后,諸多學者利用其對形狀規則的河槽進行試驗和計算驗證。王樹東[4]對特定的復式斷面進行水槽試驗,分別針對不同水深進行流速分布的測量,證明SKM模型能夠較為準確地估算明渠河槽橫斷面的流速分布。Liao等[5-6]對水位流量關系的理論解與單一矩形斷面、對稱兩級復式斷面和非對稱兩級復式斷面水槽試驗數據進行驗證,證明SKM模型能夠較精確地求得河槽水位流量關系,并且能分別給出主、灘槽的流量結果,可以考慮二次流的影響。

在實際工程求解析解的過程中,由于河道斷面并不都是規則的單一或多級復式河槽,其橫斷面邊界凹凸不平,在這種情況下,按斷面形狀規則的河槽來預測的過流能力與實際過流能力產生的誤差較大,并且難以得到較精確的水位 流量關系,而數值方法在處理任意斷面形狀的問題時具有不可代替的優勢。……