河曲河道數(shù)值模擬淺析

□張 昊

近于環(huán)形的彎曲河流被稱(chēng)為河曲或蛇曲。水流與河床相互作用結(jié)果使天然河流總是彎彎曲曲。因環(huán)流作用，一岸沖刷，使岸線凹進(jìn)；另一岸淤積，使岸線凸出，俗稱(chēng)“凹沖凸淤”。故凹岸水較深，是深泓位置；凸岸水淺，形成邊灘。環(huán)流也是造成河曲的主要力量：沖向凹岸的下降水流流速快、侵蝕力強(qiáng)，使得凹岸后退，越來(lái)越凹；沖向凹岸的水流折向河底后，沿凸岸一側(cè)上升，上升的過(guò)程中水流速度變慢，攜沙能力降低，泥沙不斷在凸岸一側(cè)下沉堆積，使得凸岸變得越來(lái)越凸。見(jiàn)圖1。

圖1 河曲河道凹岸凸岸

1.軟件簡(jiǎn)介

丹麥水動(dòng)力學(xué)研究所（DHI）開(kāi)發(fā)的 MIKE v2014 版軟件 MIKE 21 屬于平面二維自由表面流模型，采用非正交曲線網(wǎng)格，忽略了垂向水流加速度，以垂向平均的水流因素為研究對(duì)象，模擬計(jì)算海洋、湖泊、河道、蓄滯洪區(qū)的流場(chǎng)、流速、水位的變化。

此次利用MIKE21FM 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬計(jì)算。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型中采用的數(shù)值方法是單元中心的有限體積法?？刂品匠屉x散時(shí)，結(jié)果變量U、V 位于單元中心，跨邊界通量垂直于單元邊。有限體積法中法向通量通過(guò)在沿外法向建立單元水力模型并求解一維黎曼問(wèn)題而得到。

2.實(shí)例分析

取漳河某段河道作為研究河段，采用mike21fm 軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。該河段上下游全長(zhǎng)約87km，上游邊界條件為20 年一遇，取恒定流量4800m3/s，下游邊界處有水文站，邊界條件取用水位—流量關(guān)系控制，對(duì)模型網(wǎng)格尺度取用最大網(wǎng)格面積不超過(guò)1000m2，最大網(wǎng)格面積不超過(guò)500m2，最大網(wǎng)格尺度不超過(guò)100m2，最大網(wǎng)格面積不超過(guò)50m2的4 種網(wǎng)格尺度進(jìn)行模擬研究分析，最大網(wǎng)格剖分個(gè)數(shù)189413 個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量98675 個(gè)。

通過(guò)對(duì)不同網(wǎng)格尺度模擬分析發(fā)現(xiàn)，前3 種網(wǎng)格尺度彎道處橫向流速并沒(méi)有完全呈現(xiàn)凹岸流速大于凸岸的趨勢(shì)。隨著局部網(wǎng)格尺度的進(jìn)一步減小和地形概化精度更趨細(xì)致（尤其是河道主槽內(nèi)地形的處理），流速漸趨于合理。由此可見(jiàn)，對(duì)于河曲河道的數(shù)值模擬概化，尤其應(yīng)該注意彎道附近網(wǎng)格尺度的取用及地形的精細(xì)化處理（其中河道主槽位置對(duì)流速分布變化影響最大），可避免流速分布出現(xiàn)不合理現(xiàn)象。

在插值算法的選擇上，建議優(yōu)先選用自然臨近插值算法，對(duì)節(jié)點(diǎn)附近真實(shí)地形數(shù)據(jù)的取用優(yōu)先級(jí)略高于其他插值算法。

一般測(cè)量數(shù)據(jù)主槽內(nèi)點(diǎn)距要疏于灘地，為避免灘地高程數(shù)據(jù)對(duì)主槽網(wǎng)格地形插值的影響，可以考慮采用分區(qū)域插值的方法，從而徹底隔斷灘地地形數(shù)據(jù)對(duì)主槽地形插值的影響。見(jiàn)圖2 和表1。

表1 不同網(wǎng)格尺度凹岸、凸岸典型位置流速比較表

圖2 網(wǎng)格及模擬流速等值線分布示意圖

3.結(jié)語(yǔ)

利用mike 軟件概化河曲河道時(shí)，為充分考慮彎道環(huán)流的影響，在凹岸、凸岸河段應(yīng)尤其注意采用較小網(wǎng)格尺度，同時(shí)對(duì)該區(qū)域上下游地形數(shù)據(jù)需做反復(fù)精細(xì)化處理可避免流速分布出現(xiàn)不合理的現(xiàn)象，在進(jìn)行插值時(shí)，可分區(qū)域單獨(dú)插值并采用不同插值算法，對(duì)凹岸、凸岸河段建議優(yōu)先采用自然臨近插值算法。但是由于網(wǎng)格尺度的減小勢(shì)必會(huì)加大計(jì)算的時(shí)間代價(jià)，對(duì)于研究河段較為順直的區(qū)域可采用矩形網(wǎng)格混以三角網(wǎng)格的方式減少計(jì)算時(shí)間，條件允許時(shí)也可采用gpu 計(jì)算模塊。