武汉阳逻水道三维流场数值模拟试验研究

刘晓东 黄立文 孙海兰 范耀天

（武汉理工大学航运学院1） 武汉 430063） （江西师范大学城市建设学院2） 南昌 330022）

长江流域中的武汉阳逻水道上起王家屋，下迄周阳港，全长约18km.湖北省武汉市规划在阳逻水道左岸新建一大型港口.由于规划区域码头岸线前端、中段和后部存在矶头，复杂的地形造成该区域的水流态势趋于复杂，而且根据码头规划设计要求，码头中段和后部的矶头需要炸礁而改变原有水道地形，这些都需要定量分析拟建工程河段的水流流态.本研究根据在环境流体动力学模型的基础上，分别建立阳逻水道在拟建工程前后的水流数学模型并进行数值模型，以期为港口建设提供决策支持.

1 长江阳逻水道段水动力数值模型

1.1 控制方程

控制方程基于水平边界拟合曲线坐标系和σ坐标系转换关系如式（1）所示.

根据静水压假设、Boussinesq假设和近似，建立三维水动力模型［1－2］，基本方程如下.

式中：u，v，w（x，y，z，t）分别为边界拟合曲线坐标x，y，z方向上的速度分量；ζ（x，y，t）为水位；z＝h（x，y）为底地形；H＝h＋ζ为实际水深；g为重力加速度；ῶs为水量；K，k为垂直和水平方向的湍流粘滞性系数；pa为大气压力；ρ为水密度；f＝2ωsinφ为科里奥利参数.

为节省运算时间，模型采用忽略二阶水平对流项的标准k－模型［3］求得垂向紊动扩散系数，其中：式中：vT为湍动能扩散系数（即涡粘性系数）；Gb为稳定条件；P为湍动能产生率；Pk为由于平均速度梯度引起的湍动能生成项.

1.2 模型计算边界条件选取

1）水表面边界条件

运动学边界条件为

式中：ψ1（t），ψ2（t）和μ（t）为源汇流量函数.

3）动边界条件 出水浅滩采用动边界处理，即对计算区域内滩地干湿过程，采用水位判别法处理，即当某点水深小于一浅水深ε（如0.2m）时，令该处流速为零，滩地干出；当该处水深大于ε时，参与计算，河水上滩.模型采用曲线网格，可较好地拟合浅滩、岸堤边界，提高计算精度.

1.3 水动力模拟计算范围及计算条件

本研究模型计算范围上边界位于罗家咀附近，下边界位于阳逻长江公路大桥上游，如图1所示，图中AB横断面和CD横断面的实测流速数据可以作为模型的验证和率定，EF横断面在拟建工程的前端160m，该处刚好是1＃泊位前段矶头位置.地形资料来源于长江武汉航道局2010年6月实测地形，模拟计算区域见图1.

图1 模拟计算区域

模型计算初始高程数据采用长江武汉航道局2008年4月和2010年6月实测地形，工程附近水域和陆域地形高程数据利用中交第二航务工程勘察设计院有限公司2009年11月所测1∶1 000地形图和2012年1月所测1∶500地形图进行细化.模拟区域计算所需要的水文条件采样武汉关水文站的观测资料，见表1.

表1 水文条件下上下游边界条件

模型糙率系数综合反映了天然河流计算河段的阻力.因天然河流宽深比较大，故河岸阻力所占比重较小.就形态阻力而言，弯曲河段与顺直均匀河段不同，本次数模河道糙率系数取全区域一致0.22.时间步长：模型计算步长1s.

2 数值模拟实验

2.1 模拟实验方案设计

根据其水文特征值，模型采用恒定流对四种水文条件进行计算，计算时上边界由流量控制，下边界由水位控制，工程前后不同的2种地形结合四种水文条件共组合成8种工况，每种工况对应一种模拟实验方案，模型不考虑水口河对工程的影响.

2.2 模拟实验结果及分析［4－6］

2.2.1 码头前沿线处的水流流态变化趋势

1）水流方向变化曲线 码头前沿线在平面上的方向为298°，所以在流量为446 000m3／s的情况下，1＃泊位端点处的水流流向与码头前沿线的夹角为5°，在1＃矶头的的前端与前沿线形成的夹角最大为16°.在水流流过1＃泊位的中部以后其流向趋于平缓，基本与码头前沿线平行，水流方向变化曲线见图2.

图2 水流方向变化曲线

图3 水流速度变化曲线

2）工程前后水流速度变化曲线 图3中实验结果表明工程前后码头前沿的前方沿航道从上到下的速度变化可归纳为：（1）由于码头1＃泊位存在矶头影响，该区域流速最大值出现在约码头上游端160m处，达到2.4m／s，且工程后略有增加，与主流夹角达到24°；但是矶头下游1＃泊位前沿水流流速趋缓，与码头前沿夹角最大为12°，且工程后略有减少；（2）从枯水期到洪水期流量变化过程中1＃泊位前沿流速由约0.5m／s增大到约2.0m／s，但是流向与码头夹角减小，由约11°减小到约4°.

2.2.2 整个航道的速度变化趋势 按照上述设定的计算条件对拟建工程区域，针对工程前后的两种情况在四种水文条件下总计8个方案分别进行了模型试验.图4、图5分别为工程前后流量为6 828m3／s和44 600m3／s的速度分布图.

图4 工程前后6 828m3／s流量模拟区域表层流场图

图5 工程前后44 600m3／s流量模拟区域表层流场图

通过实验结果表明：工程前和工程后流量从枯水期的6 828m3／s到洪水期的44 600m3／s，整个计算范围内的速度都有所提高，不管是枯水期还是洪水期主流均位于河道左岸一侧，且主流位置基本不变，码头泊位前沿为主流位置所在.在模拟的四种水文条件下，拟建工程不管在枯水期还是洪水期，工程的建设将会引起码头附近局部范围内流场的变化，但变化范围有限，不会对上、下游涉水工程产生明显影响.

3 结 论

1）由于码头前沿泊位存在矶头影响，该区域流速最大值出现在码头上游端约160m处，洪水期达到2.4m／s，且工程后略有增加，枯水期流向与主流夹角达到24°；但是码头前端矶头下游泊位前沿水流流速趋缓，与码头前沿夹角最大为12°，且工程后略有减少，夹角减少到11°.

2）拟建工程的1＃泊位前沿的前方为阳逻节点，上游的来水在经过阳逻节点后形成一个斜向右下方的斜流和向左岸偏转的回流，回流贴近于左侧岸边，且随着流量的增大，回流区域和强度先增大后降低.由于阳逻节点下斜流占主导作用，拟建工程前1＃泊位前沿速度增大而且形成一个向右偏转的挑流，随着流量的增大挑流与码头前沿线的夹角降低，在平滩流量44 600m3／s条件下的水流流向与与码头前沿线的夹角5°左右.

3）工程后，从枯水期到洪水期流量变化过程中码头泊位前沿流速由约0.5m／s增大到约2.0 m／s，但是流向与码头夹角减小，由约11°减小到约4°.

4）由于拟建工程中部的矶头炸礁后，通过实验结果表明码头前沿中部的回流消失，更有利于船舶的靠离泊.

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