龍從作業區河道水流數學模型計算分析

蔣 峰，黃偉軍，覃昌佩，劉 穎

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西 南寧 530029)

龍從作業區河道水流數學模型計算分析

蔣 峰，黃偉軍，覃昌佩，劉 穎

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西 南寧 530029)

文章利用龍從作業區的有關設計資料和工程所在河段的實測地形數據，采用DHI公司的河口海岸模擬軟件MK21的水動力模塊建立相應的數學模型，對碼頭建設前后工程所在區域及前方航道在各設計水位及相應流量下的水流流速、流向等變化進行計算分析，得到各設計工況下碼頭工程建設前和建設后附近水域流速、流向的變化值，為該碼頭工程建設的通航安全論證提供了有力的數據支撐和科學依據，亦為類似工程建設的通航安全論證提供借鑒和參考。

碼頭工程；航道；龍從作業區；河道水流；流速；流向；數學模型

0 引言

通航安全影響論證是開展涉水工程建設前期工作的重要階段，是降低因涉水工程建設影響通航安全的重要措施，是涉水工程獲得立項審批的必備條件[1]。

為確保圓滿完成廣西來賓港武宣港區龍從作業區的通航安全論證報告，須利用較成熟可靠的計算軟件建立相應的數學模型，對工程建設前后各設計工況下工程附近水域的水流流速和流態的變化進行模擬計算，得出相應的計算成果，以判斷工程建設后對該段河道通航安全的影響，為工程的建設提供數據支撐和科學依據。

1 工程概況

武宣港區位于廣西來賓市武宣縣，龍從作業區位于武宣大橋下游約9.8 km，規劃為散貨、件雜貨和集裝箱作業區。擬建的大藤峽水利樞紐位于本工程下游約52.6 km。龍從作業區建設規模為新建6個3 000 t級泊位。碼頭水工結構采用二級平臺碼頭結構型式。一級平臺采用重力式擋墻結構，二級平臺采用高樁梁板式結構，下構為鋼筋混凝土沖孔灌注樁。

2 DHI公司MK21軟件簡介

MK21軟件是由DHI(丹華水利環境技術有限公司)集團研發的可用于水及水環境相關的數學模型的二維模擬工具，可用于模擬河道水流、河口海岸、水資源及水質管理、城市給排水、防洪、海洋工程等多個領域。其中的水動力模塊可用于湖泊、水庫、河流、河口、海岸及海洋的水動力模擬，溫、冷排水及鹽水入侵模擬，并可進行水工結構物的模擬，如橋墩、閘門、圍堰、涵洞及組合結構物等，是目前應用較廣泛和可靠的模擬計算軟件。

3 河道水流數學模型

3.1 數學模型方程及算法

為了較準確模擬河道曲折岸線形態，選用正交曲線坐標系下的平面二維水流數學模型進行研究。模型求解采用非結構網格中心網格有限體積法求解，其優點為計算速度較快，非結構網格可以擬合復雜地形。

3.2 計算范圍、計算模型及網格劃分

(1)計算范圍

根據類似工程經驗，計算范圍確定為工程區域及上下游各1.5 km總長約3 km的河段。

(2)計算模型

利用龍從作業區設計資料和工程河段實測地形數據，采用DHI公司河口海岸模擬軟件MK21水動力模塊分別建立工程河段建設前和建設后的平面二維水流數學模型，上游開邊界采用流量控制，下游開邊界采用水位控制。水位-流量組合控制為短模型的較好控制模式，見圖1～2。

圖1 計算模型地形示意圖(工程建成后)

圖2 計算模型高程點示意圖(工程建成后)

(3)網格劃分

采用Flexible Model網格(三角形網格以及四邊形網格)劃分，碼頭平臺附近對三角形網格進行加密，一級平臺斜坡采用四邊形網格進行劃分。斜坡采用四邊形網格進行劃分。本工程采用二維水流控制方程組，并輔以三角形網格和動邊界處理技術，見圖3。

圖3 計算模型局部網格劃分圖(工程建成后)

3.3 數學模型計算參數及計算工況選取

3.3.1 計算參數選取

(1)動邊界處理

對計算區域內灘地干濕過程，采用水位判別法處理，即當某點水深小于一淺水深hdry(如0.005 m)時，令該處流速為零，灘地干出，當該處水深大于hflood(如0.05 m)時，參與計算，河水上灘。

(2)糙率選取

糙率是水流計算的主要參數之一，反映了水流運動過程中的阻力特性，糙率選取正確與否對計算結果有直接影響。糙率在水流計算中是一個綜合參數，與床面泥沙特性、水深及地形形態均有一定關系。參考類似工程經驗，并結合本工程實際，曼寧值取為0.032。

(3)其它參數

紊動粘性系數，該參數取值在一定范圍內均可以獲得良好結果，與網格步長及當地水流特性有關，采用Smagorinsky公式計算，使其隨網格尺度及水流動力強弱自動調整，避免紊動擴散項過大引起流場失真又能增強模型穩定性。模型主要計算參數見表1。

(4)計算概化處理

目前，水動力模塊數學模型二維計算中對于建筑物的概化處理主要有兩種方法：(1)采用增加建筑物所在位置的糙率，即附加阻力法；(2)直接調整阻水建筑物所在位置的高程，使其超過干濕邊界值，保證其不過水。結合本工程實際情況，對一級平臺重力式碼頭和二級平臺高樁梁板式碼頭的阻水效果均采用附加阻力法的方法進行概化處理，僅當水位超過二級平臺面板時采用直接調整面板所在區域的高程值來實現計算概化。

表1 模型主要計算參數表

3.3.2 計算工況選取

結合本工程實際情況，模型計算共采用3種工況，各計算工況水位及流量等見表2。

表2 計算工況表

3.4 計算過程和計算目的

利用建立的工程建設前和建設后的河道水流數學模型，分別計算3種工況下工程建設前后本工程河段附近水域的水位、流向、流速變化特征及變化值，綜合分析和評價工程對河勢穩定、航道水流及通航安全的影響。

4 計算成果分析

在擬建碼頭工程附近水域上、下游河道200 m范圍內分別選取若干個采樣點，并將各計算工況下各區域各采樣點工程建設前后流速、流向的數值以及變化值進行提取和統計，以便于直觀分析工程建設前后碼頭附近水域流速、流向的變化。計算模型采樣點示意圖見圖4。

圖4 計算模型采樣點示意圖

限于篇幅，本文僅給出設計高水位工況工程建設前后水流流速、流向變化情況，見下頁表3。

(1)碼頭前方航道水域流速變化

在設計高水位工況下，工程建設前后現狀Ⅴ級航道和規劃Ⅱ級航道范圍內的水流流速變化值很小，除個別采樣點流速有少許增加(最大值為+0.02 m/s)外，基本為不變或稍微變小(最大值為-0.1 m/s)。

(2)碼頭附近停泊和回旋水域流速變化

大藤峽建成后，本工程河段變為庫區，水流更加平緩。設計高水位工況下工程建設前后碼頭停泊水域采樣點流速變化值在-0.62～+0.17 m/s，流速變化較小，碼頭工程的建設對碼頭附近和航道水域范圍內水流流速的影響較小。

(3)碼頭前方航道水域流向變化

在各計算工況下，工程建設前后現狀Ⅴ級航道和規劃Ⅱ級航道范圍內的水流流向變化值很小，均位于-2°～1°，絕大部分采樣點的流向基本沒有變化。

表3 工程建設前后水流流速、流向變化表

(4)碼頭附近停泊和回旋水域流向變化

除設計高水位工況下的個別采樣點的流向變化值分別為5°、-11°、5°、-7°之外，其余采樣點的流向變化值均位于-3°～3°。究其原因，是由于計算模型建立時上述4個采樣點位于港池開挖的端點位置，實際開挖的港池與原河床地形相比有一定的突變，導致此處的流向變化值較大。

總的來說，工程建設前后的流向變化均<3°，碼頭工程的建設對碼頭附近和航道水域范圍內的水流流向的影響不大。

5 結語

模型計算成果表明：各計算工況下，工程建設前后碼頭附近停泊水域和回旋水域以及碼頭前方航道水域內的采樣點流速大部分為增加，亦有部分采樣點流速輕微減小，但總體變化值較小；采樣點流向變化主要由碼頭水工建筑物阻水及碼頭前沿港池開挖造成，碼頭附近水域的流向變化較大。總體而言，相同計算工況下各采樣點的流速、流向變化值與距碼頭的距離成反相關，距離越近，流速、流向變化值越大；距離越遠，流速、流向變化值越小，但絕對變化值均屬于較小值。本工程的建設對工程河段的正常和安全通航影響很小，對工程河段河床整體的沖淤和演變趨勢影響甚微。

參考類似工程經驗，計算成果與實際情況基本吻合，可為通航安全論證報告等提供相應的數據支撐和科學依據，亦可為類似工程的建設提供參考和借鑒。

[1]廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院.武宣縣工業投資有限責任公司來賓港武宣港區龍從作業區一期工程通航安全影響論證報告[R].2015.

Calculation and Analysis of Riverway Waterflow Mathematical Model in Longcong Operation Area

JIANG Feng，HUANG Wei-jun，QIN Chang-pei，LIU Ying

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

By using the relevant design document of Longcong Operation Area as well as the actual terrain data of the river segment where the project is located，this article used the hydrodynamics module of DHI Company’s estuarine and coastal simulation software MK21 to establish the corresponding mathematical model，calculated and analyzed the flow velocity，flow direction and other changes of engineering site before and after the dock construction as well as the front waterways at each design water level and under the cor-responding flows，obtained the change values of flow velocity and flow direction of the surrounding waters before and after dock engineering construction under each design condition，which provided the strong data support and scientific basis for the navigation safety verification of this dock engineering construction，also provided the references for navigation safety verification of similar engineering construction.

Dock project；Waterway；Longcong Operation Area；Riverway flow；Flow speed；Flow direction；Mathematical model

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.025

1673-4874(2015)04-0089-04

2015-03-08

蔣 峰，工程師，主要從事水運工程設計工作。