基于一二维耦合模型下S 型分汊河道的防洪安全影响分析

刘志成

（珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东 广州 510611）

近年来柳江流域水利枢纽工程的建设,改变了下游柳江下游的来水和来沙条件,同时人类开发建设高速公路、码头、桥梁可能会加速河道演变[1]。这些条件的变化可能对柳江下游的防洪安全带来影响[2]。本文以柳江特大桥的建设为例,采用一二维耦合的水动力学模型,通过一维模型计算出河道不同断面的水位,为二维流场分析提供水位边界,通过对桥梁建设断面的网格流速分析,得出桥梁建设前后对河道行洪安全的影响。与传统经验公式方法计算出的壅水相比,一二维耦合模型可以精准定位分析河道断面,分析出流速在平面的变化情况[3],得出可能影响安全的区域,可为进一步对周边堤防防护等提供参考。

1 概况

柳江是珠江流域西江的第二大支流,发源于贵州省独山县城,海拔高程约1480 m,东流经三都、融江、从江、至广西三江县老堡口,长366 km,称为都柳江,集雨面积 13790 km2[4]。于三江县老堡口与支流古宜河（又称浔江）汇合后称融江,融江从老堡口南流经融安、融水、至柳城县凤山与龙江会合后始称柳江,柳江从凤山镇南流,于露塘进入柳州市区,接纳浪江、大桥河等支流后,进入柳江县,最后于象州县、来宾市、武宣县的交界处石龙三江口注入西江干流黔江,融江、柳江,长389 km,区间集雨面积44480 km2[5]。柳江自发源地至三江口总长755 km,河道平均坡降0.45‰,总集雨面积58270 km2[6]。柳江属雨源型河流,流域水力资源丰富,沿河灌溉较发达,灌溉面积达23.7 万hm2,是灌溉、发电、航运兼利的河流。但因季节变化明显,夏涨冬枯,汛期较长,这是雨热同季气候在水文上的典型反映。柳江上游沿岸山岭耸立,滩多水急,暴涨暴落现象十分显著,具有山区河流的一般特征。

青洲柳江特大桥推荐方案总体布置为为柳州市鱼峰区青洲中部新建鹿寨-钦州港公路（鹿寨至鱼峰段）青洲柳江特大桥,拟建青洲柳江特大桥推荐方案总体布置为（3×30+1×40+3×30）m 预制T 梁+（256+506+256）m 组合梁双塔斜拉桥+（1×40+13×30）m 预制T 梁,总长1675 m。大桥跨越柳江,依次经过柳江主航道、青洲、龙河洲等滩涂。

2 一二维耦合模型的建立

2.1 MIKE11 模型

2.1.1 基本原理

MIKE11 软件是由丹麦DHI 公司开发的用于河道模拟的常用软件,可以快速建模,分析一维水动力变化,具有精确模拟、可靠性强等特点[5]。MIKE11 的模型利用Saint-Venant（见式（1））的有限差分法进行离散,计算不同点的流量和水位来模拟水流的流动[7]。

式中：R 为水力半径,m；h 为水位,m；A 为过水面积,m2；C为谢齐系数；q 为支流流入或流出,m3/s；Q 为过水流量,m3/s；α为动能校正系数。

2.1.2 模型参数设定与模型率定

研究范围为柳江上边界取至红花水电站坝下,下边界取至桥址下游5 km 处,模型研究范围见图3。断面布置：断面变化不大的地方布置较稀疏,断面变化较大（比如河段的弯曲段）的地方及拟研究的工程段布置较密。共布设65 个断面,模拟河道长度约21 km,断面距离约500 m～1000 m 不等。

一维模型上边界取至红花水电站坝下,洛清江洪水考虑洪水遭遇之后作为点源汇入柳江；下边界采用《大藤峡水利枢纽工程初步设计报告》的回水作为下边界条件。

因模型研究范围内实测水位、流速资料较缺乏,糙率的确定采用经验取值。根据查阅相关资料和现场调查情况,柳江干流主要为卵砾石夹沙河床,计算过程中采用的河床糙率为0.028～0.038,河道边滩糙率较大,主槽糙率取值较小。

因一维模型研究范围内实测水位、流量资料较缺乏,本模型采用《广西主要支流柳江整治工程可行性研究报告》中柳江段的P=2%水面线来进行模型的验证。

图1 模拟范围图

表1 一维模型计算结果与设计值的误差表

2.2 MIKE21 模型

2.2.1 基本原理

MIKE21 是丹麦DHI 公司开发的二维水动力学工程软件包[8]。MIKE21 软件采用三角网格建模,可以自由加密柳江特大桥工程附近的水域,该网格能够很好地模拟复杂边界处或水上结构物周围区域的流场[9]。MIKE21 模型的控制方程组是由一个连续方程和分别定义在x 与y 方向上的两个动量方程组成。在考虑扩散系数和地球柯氏力后,沿着柳江河道的深度方向积分的控制方程组可以简化成质量守恒和动量守恒形式：

水流连续方程：

水流动量方程：

2.2.2 模型参数设定与模型率定

二维水动力数学模型共有2 个上边界,为流量边界,1 个下边界,为水位边界。为准确S 型分汊河道的防洪安全影响,收集到了1985 年、2006 年与2020 年3 个年份的柳江地形。

模型上边界位于拟建工程上游的约3.25 km 处,下边界位于拟建工程下游约5 km 处；工程位置处及河道变化较大的地方网格较密,其它地方则网格相对比较稀疏。最大网格边长约20 m,最小网格边长约1 m。二维模型共布置网格135650 个。二维水动力模型边界上游流量边界、下游水位边界由一维模型计算结果中提取。

图2 柳江分汊河道地形差值图

3 模型计算结果

3.1 水位计算结果

柳江特大桥桥梁工程所引起的水位变化,主要是由布置于河道中的桥墩的阻水作用所引起,壅高值及影响范围随阻水比的增加而增大,同时又与桥梁上游的洪水流量的大小密切相关,来流量越大,壅高值及影响范围也越大。不同年份计算出的桥梁壅水值也在变化,2020 年的壅水比1985 年的壅水高度更多。

从数学模型计算结果（表2）来看,各设计频率下的水位变化趋势相近,桥梁上游水位略有雍高,在20%、0.33%频率洪水条件下,工程后桥址上游水位最大壅高值分别为0.032 m（P=0.33%）（2020 年）。

表2 各频率桥址上游水位雍高最大值

表3 各频率水位雍高影响范围

根据数学模型可知距离工程越远则水位壅高影响越小,在20%、0.33%频率洪水条件下,工程后桥址上游水位雍高值大于0.001 m 的最大范围为桥址上游约1.8 km 处（P=0.33%）（2020 年）,同时2020 年的壅高值大于1985 年的壅高值。

3.2 流速计算结果

在5%设计洪水条件下,1985 年～2020 年,左汊分流比上升,中支、右汊河道分流比均有不同程度的下降。左汊河道深泓高程较低,附近河道左右侧流速分布均匀,左汊带明显存在向中汊河移动的趋势。柳江模拟水流运动时发现,普遍出现中支、右汊萎缩,左汊流速增大的趋向。

柳江流速增加水域与流速减少水域呈带状交错分布,在2020 年地形条件下,河道的流速、流态影响最大。该条件下,桥墩之间水域流速增加,工程河段采样点流速增加最大值为0.51 m/s；桥墩上下游水域流速减小,工程河段采样点流速减小最大值为0.18 m/s。同时也可看到左汊的洪水量在增多。

4 结伦与建议

本文采用了MIKE11 与MIKE21 水动力模型,准确计算了S 型分汊河道下柳江特大桥建设前后的水位与流场的变化,得出了若干结论。

（1）柳江分汊河每个分流口尺寸与进入其中的水量成正比,进入的分汊的水量越多,汊河的生存能力顽强,反之汊河生存能力衰退甚至是消亡。根据数学模拟得知,不同工况下,分汊河道的动力轴线存在移动现象,主流位置随流量增大的方向移动。

（2）对柳江分汊河的左支、中支、右支研究,表现为分汊河道的分流比变化,并与汊河冲淤变化相对应。柳江在发生洪水时,不同汊的水流受弯道离心力的影响,上游来流的主流位于河道中央偏左侧,形成主流贴岸顶冲岸坡。左汊下泄的径流量增加,中汊、右汊洪水量的增加逐渐下移,左汊的分流比随来流量的增大而增大,洪水对险段岸坡的冲刷也日趋严重,表现为显著的 “主长支消”调整规律,且通过地形分析2006 年后中支、右汊均为淤积态势。

（3）柳江发生洪水时,河道的动力轴线倾向于衔接较为平顺的柳江左汊河。一定的流量变幅是分汊河型保持稳定的前提条件,左汊无论洪水占主导地位,水流动力轴线与河床越易于稳定,有利于主汊河道扩张,进而使“主长支消”,主支汊地位更加稳定,中汊和右汊逐渐缩窄,尤其是右岸存在消亡的可能。

（4）由于柳江左汊、中支、右汊挟沙能力的差别,引起冲刷的变化不是偶然的。设左汊、中支、右汊泥沙沉速相同,中支、右汊分流比愈小,挟沙能力差别愈大。这样将会使左汊、中支、右汊冲刷或冲淤发生差别。右汊、中汊淤塞,则河道将逐渐改变性质,枯水位时将转变为单一河道。

（5）拟建柳江特大桥对河道行洪安全有一定壅水,工程后,在设计洪水条件下,工程建设导致的流速变化幅度和范围均较小,在桥位上游65 m 至下游260 m 的范围内,上下游水流流向变化一般在5°以内,河道中心线主流流向变化在3°以内,工程建设导致的流速变化的幅度和范围在局部较大,对现有滩槽格局有影响。需要对柳江两岸沿线岸坡进行进行防护。