舞水毛田洲不同開發(fā)方案數(shù)值模擬研究

彭金平

（湖南璋悅建設工程有限公司 湘潭市 411100）

陳志蘭

（湘潭市水利水電勘測設計研究院 湘潭市 411100）

毛田洲位于舞水河下游中方縣中方鎮(zhèn)境內(nèi)，距舞水注入沅江河口相距約22 km，毛田洲地面高程大多在5年一遇洪水位以上，洲灘面積約30.64 hm2（460 畝），內(nèi)側(cè)現(xiàn)有一條已經(jīng)堵塞的啞河。舞水毛田洲河段位于懷化工業(yè)園范圍內(nèi)，懷化地區(qū)屬于山丘區(qū)，可供開發(fā)利用的地少，依據(jù)相關要求，綜合考慮舞水防洪需求，對毛田洲的開發(fā)初步擬定了兩種方案：

（1）在毛田洲邊灘臨舞水側(cè)預留適當寬度邊灘，然后修建防洪堤形成閉合的防洪保護圈。

（2）將毛田洲內(nèi)側(cè)啞河進行疏浚，把毛田洲邊灘作為一個洲子進行開發(fā)。現(xiàn)采用Mike21 模型對洲灘兩種方案開發(fā)前后的水力要素進行分析，比較毛田洲不同開發(fā)方案對河道防洪的影響，對兩種開發(fā)方案進行綜合評價。

1 Mike21 模型介紹

采用丹麥水力研究所開發(fā)的Mike21 二維水流模型，對洲灘不同開發(fā)方案實施前后的河道進行數(shù)值模擬，以研究洲灘不同開發(fā)方案對該河段防洪影響分析。目前，該模型發(fā)展得比較成熟，計算精度較高，在國內(nèi)外水利領域得到了廣泛應用。

1.1 模型計算原理

Mike21 從水流連續(xù)性方程及水流運動方程出發(fā)，對河道水流進行模擬計算。

水流連續(xù)方程：

水流運動方程：

式中 z——水位；

p、q——x、y 方向單寬流量；

h——水深；

s——源、匯項；

six、siy——源、匯項在x、y 方向的分量；

c——謝才阻力系數(shù)；

Ω——科氏力；

E——渦粘擴散系數(shù)，根據(jù)Smagorinsky 公式確定。

式中 V——x、y 方向垂線平均流速；

△——網(wǎng)格間距；

Cs——計算參數(shù)，0.25＜Cs＜1.0。

計算區(qū)域采用正方形網(wǎng)格剖分，控制方程離散時，變量在矩形網(wǎng)格上采用交錯布置，水位被定義在網(wǎng)格節(jié)點上，單寬流量被定義在各自方向的相鄰網(wǎng)格節(jié)點的中部，見圖1 網(wǎng)格離散圖。數(shù)值計算方法采用ADI 法。

圖1 網(wǎng)格離散圖

模型邊界條件為上邊界給定流量，下邊界給定水位。對于計算區(qū)域中存在隨水位漲落而變化的動邊界處理方法，采用“干濕處理技術”。當計算區(qū)域水深小于0.05 m 時，該區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格節(jié)點不參與動量方程計算，當水深大于0.05 m 時，該計算區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點重新參與動量方程計算。

1.2 模型計算范圍

模型計算范圍選取舞水毛田洲河段上下游總計約2.52 km。地形資料采用2010年12月實測的1/1000 地形圖。

1.3 模型糙率

模型糙率是一個綜合阻力系數(shù)，它反映計算河段的河床河岸阻力、河道形態(tài)變化、水流阻力以及河道地形離散概化等各種河道水力因素的綜合影響。根據(jù)以往工作積累的經(jīng)驗，舞水毛田洲河槽糙率取（0.022～0.032），邊灘部分取（0.035～0.050）。

1.4 模型邊界條件

此次計算主要采用芷江水文站的資料進行分析計算，確定來流量； 毛田洲所在位置為牌樓電站庫區(qū)，故水位采用牌樓水電站的成果，確定水位。在懷化工業(yè)園50年一遇防洪標準下，上游來流量7 610 m3/s，下游水位206.93 m。

1.5 計算工情條件

此次主要是針對毛田洲不同開發(fā)方案對河道防洪的影響，故分為工程前、方案一及方案二后三種計算工情，三種工情的數(shù)字概化地形見圖2。

圖2 三種工情的數(shù)字概化地形

2 模型計算結(jié)果

沿河道總共布設6 個點對邊灘開發(fā)前后水位及流速等水力要素進行監(jiān)測。6 個監(jiān)測點位置見圖3。監(jiān)測點的結(jié)果見附表。

毛田洲邊灘為舞水河高洪水期的洪泛區(qū)，兩種開發(fā)方案均在一定程度上侵占了河道的行洪斷面，兩種開發(fā)方案監(jiān)測點在工程后水位都有所壅高，流速有所增大。

兩種開發(fā)方案均在P5 點水位壅高值最大，其中方案一工程前后水位變化最大壅高值0.24 cm，方案二工程前后水位最大壅高值0.26 cm；兩種方案均在監(jiān)測點P5 流速增加值最大，其中方案一工程前后流速增加最大值1.49 m/s，方案二工程前后流速增加最大值1.52 m/s。

圖3 監(jiān)測點位置圖

附表 監(jiān)測點水力要素結(jié)果表

綜合比較不同開發(fā)方案，均占用了河道的行洪斷面，水位流速都增大，對防洪產(chǎn)生不利影響。根據(jù)數(shù)學模型計算成果，在設計洪水條件下，方案一相對工程前水位壅高變化范圍在（0.01～0.24）m，流速變化范圍在（0.01～1.49）m/s，水位壅高及流速變化均在邊灘舞水主河槽P4 監(jiān)測點處取得最大值，方案一對防洪產(chǎn)生的不利影響相對較小。

經(jīng)初步估算，方案一開發(fā)成本大致需花費1 953萬元，方案二開發(fā)成本大致需花費3 621 萬元，方案一開發(fā)成本相對較低，方案二開發(fā)成本高，且開發(fā)后灘頭處當沖、灘尾處產(chǎn)生渦旋、回流等不利影響。另外方案一工程后可供開發(fā)利用土地340 畝，方案二工程后可供開發(fā)利用土地310 畝，方案一工程后可供開發(fā)利用地多于方案二。

綜上，毛田洲兩種開發(fā)方案均會對防洪產(chǎn)生不利影響，但方案一產(chǎn)生的不利影響相對較小，另外方案一相比經(jīng)濟合理，且可供開發(fā)利用地較多，故方案一優(yōu)于方案二。

[1] 余文疇，盧金友.長江河道演變與治理[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[2] 張小峰，劉興年.河流動力學[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[3] 白赟，楊香云，吳懷河.壽光市羊口鎮(zhèn)小清河左岸灘地開發(fā)方案中水流影響之數(shù)值模擬研究與應用[J].山東農(nóng)業(yè)大學學報（自然科學版），2009，40（3）：425-428.