瓯飞一期围垦工程龙口二维数值模拟研究

刘 云，林登荣，王 斌，包中进

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2．温州市水利投资开发有限公司，浙江 温州 325000)



瓯飞一期围垦工程龙口二维数值模拟研究

刘 云1，林登荣2，王 斌1，包中进1

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2．温州市水利投资开发有限公司，浙江 温州 325000)

通过大范围平面二维数学模型研究瓯飞一期围垦工程围区4个龙口附近的涨落潮水动力因素，分析龙口附近的大范围流场及流速分布，通过不同龙口宽度、深度等比较，提出合适的龙口规模，并为施工期龙口保护和龙口合龙提供依据。

围垦工程；龙口；平面二维数学模型；水动力

1 问题的提出

温州瓯飞一期围垦工程位于瓯飞滩高滩区域，南、北边界分别是飞云江及瓯江河口边界的外延线，围垦面积约0.89万hm2(13.3万亩)。由于本工程围区面积较大，单一龙口施工和堵口难度很大，因此采用隔堤将围区分为4片，设置4个龙口进行度汛[1]，其中1#围区0.24万hm2(3.57万亩)，2#围区0.20万hm2(3.07万亩)，3#围区0.27万hm2(4.07万亩)，4#围区0.17万hm2(2.57万亩)(见图)1。

在围垦工程中，龙口处水力参数是工程界最为关心的问题，这些水力参数是制定截流施工方案的依据。龙口水力计算常规方法是将外海潮位和库容曲线组合，利用水量平衡原理由宽顶堰公式计算，计算公式中的相关系数，一般均采用经验方法确定[2-3]。可见传统的方法计算龙口水力参数相对比较粗糙，而且计算结果仅为单一流量或龙口流速，对于龙口两侧及戗堤沿线的流速分布、流速过程等均缺乏研究，因此建立龙口附近平面二维数学模型来详细研究龙口处水力参数(如流速、上下游水位落差及龙口处流态分布) 就显得非常重要。但常规研究均是对单一龙口进行研究[4-6]，本文则是通过大范围平面二维数学模型研究瓯飞一期围垦工程围区4个龙口附近的涨落潮水动力因素，分析龙口附近的大范围流场及流速分布，通过不同龙口宽度、深度等比较，提出合适的龙口规模，为龙口防护提供相应的水力参数。

2 平面二维水流数学模型

2.1 模型简介

平面二维数学模型采用浙江省水利河口研究院自主开发的基于三角形网格的有限体积模式，该模型具有网格布置灵活、局部加密方便、适用性强、能够模拟水闸等泄水建筑物等特点，已成功应用于钱塘江、瓯江口以及舟山等沿海地区的围垦和防洪排涝工程研究中，取得了一定的成果[7]。

(1)

(2)

(3)

2.2 模型建立

数学模型计算域的选取主要考虑2个方面，即计算域包含研究的对象并且工程对边界的影响足够小，另外边界条件容易取得。本模型计算的上边界选在瓯江的圩仁、楠溪江的上塘、飞云江的赵山渡、鳌江的麻步，下边界取在基本不受工程影响的三门—福建霞浦一线(含乐清湾与三门湾)，计算范围总面积约61 027 km2。网格布置充分利用了三角形网格的优点，按照关键水域网格密、其他水域疏的原则剖分。计算域内的网格布设考虑了水流、地形梯度的差异，对工程附近的计算网格作进一步加密，计算区域共布有25 705个计算节点和46 930个三角形单元，计算范围及网格布置见图2。

图1 龙口布置示意图

对于流场的计算，岸边界采用可滑不可入条件。

各边界采用水文资料控制，无临时测站的外海水边界利用全球潮汐模型(TPXO6)求得，该模型通过10个分潮推算天文潮位，包含8个主要分潮M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2、Q1，以及2个长周期分潮Mf和Mn，基本能够构造出外海深水处真实的天文潮过程。

(4)

式中：ζ0为边界处的潮位(m)；ζp为边界处静压水位(m)；i=1～10，分别对应上述分潮；Ai、αi分别为分潮在3条边界处的振幅(m)和迟角(rad)；ωi为分潮的角频率(rad/s)。

图2 网格布置图

2.3 模型验证

水文测验：于2013年4月对温州海域进行了全面的水文测量。在温州湾布设25条垂线，其中在温州湾北部 (洞头列岛)布设6条垂线1#-3#、8#-10#；在温州湾中部布设7条垂线11#-13#、16#-18#、22#；在温州湾南部布设3条垂线19#-21#；在瓯江布设4条垂线4#-7#；在飞云江布设2条垂线14#-15#；在鳌江布设3条垂线23#-25#。进行大、中、小潮3个航次同步测验，每航次完成2个完整潮期，时间约27 h；各垂线观测项目包括水深、潮流(流速、流向)、含沙量、盐度、悬沙及底质颗分等。

潮位观测：本次水文测验共布设10个潮位站进行连续同步1个月潮位观测。其中石塘、坎门、凤凰山、霞关、福建闾峡为短期潮位站，洞头、鳌江、龙湾、瑞安、温州为长期潮位站。水文测点布置见图3，潮位测点布置见图4。因篇幅原因，给出工程区附近部分验证成果见图5、6。

由图5、6可见，无论潮位过程还是高、低潮位值，计算与实测均符合良好，高、低潮位出现的时间，也与实测值吻合较好。无论流速过程还是涨落潮流速特征值，计算与实测基本吻合。流向的模拟值与实测值亦较为一致，说明模型计算的精度是比较高的。

图3 2013年4月水文测点布置图

图4 2013年4月潮位测点布置图

图5 潮位验证图

图6 大潮流速验证图

3 龙口度汛水力计算

龙口研究主要是通过大范围平面二维数学模型研究4个龙口附近的涨落潮水动力因素，分析龙口库内外的潮水位变化过程、龙口附近的大范围流场及流速分布等，并通过不同龙口宽度、深度等比较，提出优化方案，为龙口防护提供相应的水力参数，为下阶段合龙创造有利条件。

龙口型式采用“宽浅式”龙口。根据龙口水力条件，为减小龙口流速防止冲刷和简化保护措施，目前浙江省大中型围垦工程和堵港工程的度汛龙口型式均采用“宽浅式”，即龙口宽度尽可能宽一些，底槛高程适当抬高，控制涨落潮流速在4.5 m/s左右。为防水流冲刷龙口，本工程龙口基础处理采用塑料排水插板法，厚约1.00 m，龙口段基础处理后需采用块重 300 kg 以上的大块石对龙口底槛进行护底，要求护底厚1.00 m 左右；由于龙口处涂面高程为-3.00 m，考虑度汛保护底槛高程抬高约2.00 m，因此龙口度汛水力计算取龙口最低底槛高程为-1.00 m，各龙口考虑5个口门尺寸及3个底槛高程组合，模型计算暂不考虑水闸泄流，各片围区龙口度汛水力计算成果见表1～3。

表1 1#、2#围区龙口度汛流速成果表 m/s

注：表中序号1底槛高程为-1.00 m；序号2底槛高程为-0.50 m；序号3底槛高程为0.00 m。括号内数据为龙口宽度。表2同。

表2 3#、4#围区龙口度汛流速成果表 m/s

表3 龙口宽度优化表

3.1 龙口底槛高层

从各龙口流速成果表可以看出，龙口宽度越小，底槛高程越高，流速越大。当底槛高程增加0.50 m时，龙口宽度需增加100～200 m，才能满足4.50 m/s流速要求，考虑到龙口宽度越大后期龙口合龙立堵工程量越大，且立堵水力条件与平堵水力条件相比较差，施工难度较高，因此选定龙口底槛高程为-1.00 m。

3.2 龙口宽度

在选定龙口底槛高程为-1.00 m的条件下，控制涨落潮流速在4.50 m/s左右，在20 a一遇度汛潮型下，1#龙口宽度1 000 m时，最大流速为4.41 m/s；2#龙口宽度900 m时，最大流速为4.40 m/s；3#龙口宽度1 600 m时，最大流速为4.32 m/s；4#龙口宽度600 m时，最大流速为4.46 m/s。

根据以上结果，在选定龙口底槛高程为-1.00 m的条件下，龙口宽度可进行进一步优化，计算方案见表3。

根据表3，推荐方案为：4片围区各布置1个龙口，1#龙口宽1 000 m、底槛高程-1.00 m；2#龙口宽900 m、底槛高程-1.00 m；3#龙口宽1 550 m、底槛高程-1.00 m；4#龙口宽600 m、底槛高程-1.00 m，龙口总宽度为4 050 m。

3.3 龙口流速分布

不管龙口宽度大小，龙口处的流速分布性质大致相似。以1#龙口为例，龙口涨潮流场见图7，落潮流场见图8，涨潮流速分布见图9，落潮流速分布见图10。由图7～10可以看出，涨落潮时龙口外缘流速较均匀，龙口水流集中，龙口附近形成一股楔形水流且龙口两侧出现回流区；龙口在不同底槛高程、不同口门宽度条件下，由于围堤的阻挡，口门外水体交换较快，口门内水体交换较慢，口门处的流速总体上表现为涨潮时流速较大、落潮时流速较小的变化规律；龙口流速随龙口缩小、底槛高程增加而增大。

图7 涨潮流场图

图8 落潮流场图

图9 涨潮流速分布图

图10 落潮流速分布图

3.4 库内外潮位情况

水位差指在同一时刻库内、外的潮位之差, 反映龙口受水压程度；库内最低水位指库内在退潮时所能达到的最低水位, 反映库内纳潮能力。表4统计了推荐龙口规模下各围区潮位要素。由表4可以看出，1#、3#围区规模较大，纳潮能力较强，库内最低水位均为-0.52 m；2#、4#围区规模较小，围区最低水位为-0.33，-0.25 m，且1#、3#龙口最大水位差小于2#、4#龙口最大水位差。

表4 龙口计算潮位要素表

4 结 语

(1)根据计算，4片围区各布置1个龙口，最后推荐龙口总宽度为4 050 m。其中1#龙口宽1 000 m、底槛高程-1.00 m；2#龙口宽900 m、底槛高程-1.00 m；3#龙口宽1 550 m、底槛高程-1.00 m；4#龙口宽600 m、底槛高程-1.00 m。

(2)涨落潮时龙口外缘流速较均匀，龙口水流集中，龙口附近形成一股楔形水流且龙口两侧出现回流区；龙口在不同底槛高程、不同口门宽度条件下，由于围堤的阻挡，口门外水体交换较快，口门内水体交换较慢，口门处的流速总体上表现为涨潮时流速较大、落潮时流速较小的变化规律；龙口流速随龙口缩小、底槛高程增加而增大。

(3)由库内外潮位可以看出，1#、3#围区规模较大，纳潮能力较强，库内最低水位均为-0.52 m；2#、4#围区规模较小，围区最低水位为-0.33，-0.25 m，且1#、3#龙口最大水位差小于2#、4#龙口最大水位差。

[1]吴蕾，王灵敏，卢晓燕，等. 浙江省温州市瓯飞一期围垦工程初步设计报告[R].杭州：浙江省水利水电勘测设计院, 2012．

[2]李炜．水力计算手册[M].北京:中国水利水电出版社,2006:73-76.

[3]福建省水利水电厅. 福建省围垦工程设计技术规程[R].福州：福建省水利水电厅，1992.

[4]季永兴，卢永金，姚华生.浦东国际机场围海大堤龙口水力数学模型研究[J].水利水电科技进展，2000，20(6)：36-38.

[5]史宏达，孙传余，刘 栋.围海造地工程龙口流场的数值模拟研究[J].中国水运,2010，10 (2)：89-90.

[6]谢军，楼启为，熊志强.青草沙水库围堤合龙施工二维潮流数值模拟[J].水利水运工程学报, 2010(4):51-57.

[7]应超，王珊珊. 温州浅滩二期南堤工程海床演变、水动力条件、冲淤专题研究[R].杭州：浙江省水利河口研究院，2014.

(责任编辑 姚小槐)

Two Dimensional Numerical Simulation Study on the Closure Gap of Oufei Reclamation Project-Phase Ⅰ

LIU Yun1,LIN Deng-rong2,WANG Bin1,BAO Zhong-jin1

(1.Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, Zhejiang，China； 2.Wenzhou Water Conservancy Investment and Development Co., Ltd.Wenzhou 325000,Zhejiang,China)

Through a large scale plane two-dimensional mathematical model, this paper studied the hydrodynamic factors of tide fluctuations at four closure gaps near reclamation area of Oufei reclamation project-Phase Ⅰ, and analyzed the wide range flow field and velocity distribution near the closure gap. By comparing different widths, depths, etc. of the closure gap, it put forward an appropriate closure gap scale, providing the basis for closure gap protection and closure during its construction period.

reclamation project; closure gap; plane two-dimensional mathematical model; hydrodynamics

2015-10-11

浙江省水利科技计划项目(RA1402)；浙江省科研院所专项(2012F20030)。

刘 云(1985-)，女，工程师，硕士，从事水工水力学研究工作。 E-mail:rainbowly920@sina.com

TV131.4

A

1008-701X(2016)01-0043-05

10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.01.015