内外海水体交换数值模拟研究

乾东岳，王 斐，刘 哲，冯小香，郝品正

（交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

内外海水体交换数值模拟研究

乾东岳，王 斐，刘 哲，冯小香，郝品正

（交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

文章采用隧洞模型耦合二维潮流模型模拟内外海水体交换过程，研究取水管及排水管进出口位置、取水管与排水管个数及分配比例等设计参数对内海潮位的影响。研究结果表明该模型能较好的模拟涵洞在不同流态下的水动力特征，能够体现管道底坡、管道高程等设计参数对内外海水体交换的影响。该模型在实际应用中还应与断面物理模型配合，校核涵洞模型关键参数，以便为工程设计提供更为可靠的数据支撑。

内外海水体交换；数值模拟；涵洞模型；生态岸坡

常用的二维潮流模型将水深及流速等沿垂直方向进行平均[1-7]，从而将三维水流运动简化为二维水流运动进行计算，在模拟大尺度潮流运动时具有一定优势。由于涵洞、闸门等结构物附近水流运动呈现明显的三维特性，因此二维模型无法模拟此类结构物对大尺度潮流运动的影响。对于即涉及大尺度潮流运动，同时还受取、排水管及闸门结构控制的内外海水体交换问题，常用的二维潮流模型无法实现。

1 工程案例

例如某旅游岛工程拟采用防波堤围岛并形成景观型内陆海（如图1）。其中内海面积5.526 km2，设计水深3.20 m，外海海域多年平均潮差2.74 m，多年平均低潮位0.6 m。根据景观设计需求，需采用工程措施将内海潮位控制再一定范围以内，以便为生态岸坡建设提供较好的水文条件。因此拟采用取、排水管控制水体交换，其中取水管为无拍门的双向管道（如图2）；排水管为有拍门的单向管道（如图2），单向阀为空心浮式阀门。取、排水管为混凝土预制管，考虑施工难度和工程经济性管径应小于2 m。由于内海水体完全通过取、排水管与外海联通，普通二维潮流模型无法模拟内外海水体交换过程，因此本文采用涵洞模型耦合二维潮流模型的方法建立内外海水体交换数学模型，模拟内外海水体交换过程，为旅游岛生态岸坡设计提供数据支撑。

图1 拟建旅游岛工程平面布置图Fig.1 Layout of the proposed tourism island project

图2 取、排水管断面布置图Fig.2 Section layout of intake and drain pipe

2 模拟技术路线

2.1 耦合模式

本文模型采用互为边界的耦合模式进行耦合计算。首先根据初始条件计算隧洞模型流量q，然后以源汇项的形式传递给二维模型，进行二维潮流场模拟，并返一维模型与二维模型链接处水位H，并更新时间步。模型计算流程见图3。其中将每个时间步取排水管内水流近似为恒定流计算，时间步长以二维模型时间步长为准，且限制二维模型最大时间步长小于等于1 s。

图3 模型计算流程Fig.3 Model calculation process

2.2 隧洞模型

内、外海排水管管径较大，因此采用《水流计算手册 （第七篇 第一章）》[8]所述隧洞水流的计算方法建立隧洞模型。

（1）隧洞水流流态的判别。由于随着内外潮位变化涵洞内水流流态随时在变化，流态可分为：有压流动、无压流动和半有压流动。其中半有压流又分为头部水流封闭而洞身为无压流和洞身前半部为有压流后半部为无压流的两种半有压流状态。此外，当下游洞口为自由出流时，其洞内流态取决于上游水位、洞身底坡、进口型式、洞身长度等因素，此时流态的变化比较复杂。这里根据取、排水管基本设计参数，仅考虑缓坡条件下的隧洞流态。其中缓坡条件下的流态判别参数如下

式中：H为进口洞前底板起算的上游水位，由于潮流运动为往复流，进口端根据洞内流向判定；a为洞高，采用取、排水管的直径；k1，k2m为判别常数

（2）基本计算公式。隧洞有压流泄流能力按下式计算

隧洞无压流泄流能力根据均匀流基本公式，采用试算法计算水面线。

隧洞半有压泄流能力计算分为半有压长洞与半有压短洞两种情况，半有压短洞泄流能力按下式计算

半有压长洞泄流能力需采用试算法。首先假定Q1,从下游向上游推算水面曲线，求得相应的进口水深hc'，查得相应的淹没系数σs，按式(5)计算得Q′1。若Q1与Q′1一致即为所求结果，若不一致重新假定Q1值，重复上述计算，直至求得结果为止。

最终采用源汇项，将进出口处流量与二维潮流模型耦合。由于篇幅限制，上述计算方法各参数物理意义及取值范围不再详细叙述，详见《水流计算手册 （第七篇 第一章）》。

2.3 二维潮流模型

连续方程

动量方程

式中：u为x方向速度分量；v为y方向速度分量；h为水深；z为水位；vt为紊动粘滞系数；g为重力加速度；U，V代表单宽流量。

3 计算结果分析

本文选取工程海域6月20日～6月27日潮位过程进行模拟及对比分析。为验证耦合模型对水体交换控制工程（取、排水管）设计参数的敏感性，分别对（1）取（排）水管进出口位置，（2）管道个数及分配比例等设计参数进行了敏感性分析。计算工况见表1～表3。

表1 取水管及排水管高程试验计算工况（单位：m）Tab.1 Calculation condition of intake and drainage pipe elevation test

3.1 取水管及排水管进出口位置对内海潮位的影响

以len-1为基本工况，分别选取了降低排水管、降低取水管、排水管向外海倾斜、取水管向内海倾斜、取水管向外海倾斜、取水管内斜排水管外斜以及排水管与取水管向外海倾斜共8个组次的试验（见表1）。计算结果表明：

降低取水管位置后，内海死水位下降，内海潮位整体降低，同时取水管高程降低后，内海取（排）水时长增加，内海潮差增加。降低排水管位置后，由于排水管为单向排水管，仅增加内海排水时长，因此排水管位置降低后，内海高潮位也明显降低，潮差基本不变。

取水管向外海倾斜，取水管局部水头损失增加，排水局部水头损失降低，向外倾斜可以降低内海潮位，不影响内海潮差；反之，取水管向内海倾斜将抬高内海潮位，增加内海潮差；排水管向外海倾斜，管道低坡增加，过流能力提高，可以降低内海低潮位，提高内海高潮位，增加内海潮差。

图4 各方案内海潮位过程Fig.4 Inland sea water process of each case

图5 降低取/排水管位置对内海潮位的影响Fig.5 Effects of pipe location variation on internal tidal level

图6 取水管倾斜方向对内海潮位的影响Fig.6 Effects of intake pipe incline direction on internal tidal level

综上所述，耦合模型能够反映取排水管位置、底坡对内海大尺度潮流场的影响。此外，采用双向取水管与单向排水管的组合，可以在一定范围内控制内海潮差、高潮位以及低潮位，为生态岸坡建设提供更为有利的水文条件。

图7 排水管倾斜方向对内海潮位的影响Fig.7 Effects of drainage pipe incline direction on internal tidal level

表2 管道个数及分配比例试验方案Tab.2 Pipe numbers and allocation proportion

3.2 取水管与排水管个数及分配比例

采用工程海域实测一周时间的实测外海潮位过程进行模拟研究。分别对比取、排水管总个数、以及取水管与排水管分配比例对内海潮位的影响，其中取、排水管均平行布置，管底高程分别为1.4 m、0.6 m，具体试验方案见表2。计算结果表明.

图8 内海平均潮位与排水管占比关系曲线Fig.8 Relation curve between mean tidal level of inland sea and proportion of drainage pipe

图9 取水管个数与内海潮位关系曲线Fig.9 Relation curve between intake pipe numbers and inland sea tidal level

图10 排水管个数与内海潮位关系曲线Fig.10 Relation curve between drainage pipe numbers and inland sea tidal level

取、排水管总量是内海潮差的主要影响因素，总量增加内海潮差随之增加。总量一定的情况下，排水管与总管数之比与内海平均潮位呈线性关系（图8）。排水管一定的情况下，取水管数量与平均潮差、平均高潮位呈正比关系，与平均低潮位成反比关系（图9）；取水管一定的情况下，排水管与平均高潮位呈反比关系，排水管个数对平均潮差影响较小，当排水管个数大于9时，随着排水管个数增加，平均低潮位与取水管个数无关（图10）。

3.3 平均纳潮量与潮段平均总排水流量

为进一步说明取排水管对内海潮位的影响，对各工况内海平均纳潮量和潮段平均总排水流量进行相关性分析。其中纳潮量为涨潮纳潮量与落潮纳潮量的平均值，潮段平均总排水流量为排水期内海排至外海的平均流量。从其关系曲线可以看出（图10），潮段平均总排水流量与纳潮量呈正相关关系，说明通过调节取排水管流量可达到控制内海潮位、潮差的效果。

图11 内海平均纳潮量和潮段平均总排水流量关系曲线Fig.11 Relation curve between average tidal volume and average total drainage of inland sea

4 结论

本文采用隧洞水力学计算方法建立涵洞模型，并与二维潮流数学模型耦合，建立内外海水体交换数学模型。通过该模型对某拟建旅游岛工程内外海水体交换进行数值模拟，得出以下结论：

（1）所建的内外海水体交换数学模型能较好的模拟涵洞在不同流态下的水动力特征，能够体现管道底坡、管道高程等设计参数对内外海水体交换的影响。

（2）通过不同的双向取水管与单向排水管组合可有效调节内海潮差、平均高潮位以及平均低潮位，为生态护岸建设提供有利条件。

（3）所建内外海水体交换数学模型在实际应用中还应与断面物理模型配合，验证涵洞模型参数以便为工程设计提供更为可靠的数据支撑。

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Numerical simulation of water exchange in internal and external ocean

QIAN Dong-yue ,WANG Fei ,LIU Zhe, FENG Xiao-xiang,HAO Pin-zheng
(Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, Key Laboratory of Engineering Sediment, Ministry of Transport, Tianjin 300456, China)

In this paper, the tunnel model was coupled with the 2-d tidal current model to simulate the water body exchange process. The influence of design parameters on internal tidal level was studied, including the import and export position of water pipe and drainage pipe, the number of pipeline, and the distribution proportion. Research results show that the model can better simulate the culvert under different fl ow hydrodynamic features, and it also can present the infl uence of bottom slope of pipeline and pipeline elevation on water body exchange process. In actual application, the model should be coordinated with sectional physical model, and the key parameters of culvert model should be checked in order to provide more reliable data for the engineering design.

water exchange;numerical modeling;culvert model;ecological bank slope

TU 143; O 242.1

A

1005-8443(2017)03-0246-06

2016-12-01；

2016-12-26

乾东岳 (1987-)，男，河南鹤壁人，研究实习员，硕士，主要从事港口航道及海岸工程水流泥沙数值模拟方面研究工作。

Biography:QIAN Dong-yue(1987-),male,assistant engineer.