乌龙江峡兜卡口阻力特性及壅水效应分析

胡朝阳， 王新强， 梁 越

(福建省水利水电勘测设计研究院， 福建 福州 350001)

1 研究背景

天然河道局部突然缩窄形成卡口，由于卡口突变的平面形态和纵剖面形态对水流造成特殊影响而产生壅水作用，因而其增大了来流的阻力，造成水流不顺，并且改变了河道水流的泥沙运动特征及河床冲淤状况，进而影响河道行洪、通航等条件[1-8]。开展卡口阻力特性及壅水效应研究对河床演变治理、河道防洪、航道整治等有着重要的实际意义。

闽江下游在淮安头分为南、北两支，北支称北港，南支称南港，亦称乌龙江。乌龙江自淮安至白岩潭长约35 km，全河道除峡兜段属于颈束地形具有冲刷和侵蚀作用外，其余河段均属于河漫滩型河流，乌龙江河道平面形态见图1。峡兜卡口左岸为清凉山、右岸为金牛山，卡口内已建设有乌龙江大桥、乌龙江大桥复线桥、福厦高铁乌龙江特大桥，还有正在建设和规划的桥梁各1座。近年来，乌龙江洪水分流比逐渐增大，与北港洪水分流比由“7∶3”变化为“8∶2”，且还有进一步增大态势，增加了乌龙江防洪压力，而峡兜卡口新增桥梁势必进一步增大其阻水效应[9-11]，影响河道行洪安全，故有必要明确峡兜卡口的阻力特性及其对乌龙江洪水位及行洪能力的影响，而目前相关研究还未见报道。开展河道卡口阻力特性及壅水效应的研究一般采用河工模型试验、原型实测资料分析及数值模拟等方法[6-7]，数值模拟技术由于其便利和经济性在河道水动力模拟领域得到广泛应用，基于非结构网格的平面二维数学模型能够准确刻画卡口河段突变的平面及纵剖面形态，也能够对涉河工程结构进行准确模拟[12-14]。为此，本文采用基于非结构网格的二维水流数学模型计算了不同流量级下乌龙江峡兜卡口水面线、水面比降及流速分布特征，对产生壅水的临界流量及作用范围、壅水高度进行了分析，其成果可为乌龙江防洪治理、航道整治等提供技术参考。

图1 乌龙江河道平面形态图

2 乌龙江峡兜形态特征

2.1 河宽特征

乌龙江左岸防洪堤基本建设完成，右岸从乌龙江进口至大樟溪入汇口防洪堤已建成，大樟溪以下河道右岸基本处于天然状态。统计乌龙江进口至白岩潭沿程河宽如图2所示，由图2可见，从乌龙江进口至湾边沿程河宽较均匀，河宽在2 000 m左右，湾边以下河宽逐渐增加，至峡兜上游已宽至约5 120 m，在峡兜卡口处急剧缩窄至约480 m，河宽相差10倍余，其后河道又逐渐展宽，至道庆洲处达约3 300 m。

图2 乌龙江河道宽度沿程变化图

2.2 纵剖面特征

根据2016实测河道地形资料统计乌龙江深泓纵剖面如图3所示。可见乌龙江进口至湾边河段深泓高程相对较高，深泓高程在-5 m左右，湾边以下深泓高程降至-10 m左右，至峡兜卡口深泓高程突降至-37.5 m，与上游河床深泓落差超过20 m，峡兜卡口以下河床深泓又逐渐抬高。

图3 乌龙江河道深泓纵剖面图

3 数学模型与计算方案

3.1 模型基本情况

3.1.1 模型控制方程及求解方法 采用基于非结构网格的MIKE21 FM模型，该模型较为成熟，在流域及城市水安全、水环境、水资源及水生态等方面有成功应用[15]。模型控制方程为基于3向不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，具体方程参见文献[16]，对该控制方程在空间上采用有限体积法进行离散，在时间上采用显性欧拉法进行离散。

3.1.2 模型参数 模型计算河段上迄闽江下游干流竹岐水文站断面(下文简称竹岐站)，下至白岩潭断面。二维计算网格采用非结构三角形网格形式以适应计算区域复杂的河道边界条件，在峡兜卡口附近通过局部加密网格刻画已建3座桥梁桥墩，暂不考虑在建和规划桥梁，模型网格节点数32 731个，网格单元数62 197个，网格最小边长约1 m，模型计算范围和网格见图4。模型边界条件包括干流竹岐站进口流量边界、大樟溪支流进口流量边界、模型下游出口水位边界，岸边界为非滑移边界，给定其流速为零。

3.2 模型验证

采用实测水文资料进行模型的验证。洪水验证资料为闽江下游2010年6月16日3:00-6月20日16:00洪水期间(洪峰流量29 300 m3/s)北港文山里、解放大桥水文站及乌龙江峡南水文站实测水位资料，潮位及流速验证采用2015年3月7日12:00-3月8日14:00侯官、解放大桥、白岩潭3个断面实测水文资料，验证时河道地形采用相应或相近年份实测资料，模型水位、流速验证成果如图5、6所示。2010年洪水北港实测洪峰分流比为20.23%，计算的北港洪峰分流比为20.47%，从验证成果来看，模型能够较为准确地反映模拟范围水流运动情况。

3.3 计算方案

模型上边界为竹岐站水文站不同洪水流量以及相应大樟溪流量，下边界为白岩潭站同频率潮位。模型计算方案如表1所示。表1中乌龙江流量为数学模型计算的其进口断面分流量，峡兜卡口流量为乌龙江进口断面分流量与大樟溪入汇流量之和。

表1 洪水计算方案

图4 模型计算范围与网格示意图

图5 洪水水位模型验证

图6 潮位和潮流流速模型验证

4 峡兜阻力特性与壅水效应分析

4.1 阻力特性分析

卡口阻力会导致河道水流能量损失，并反映到河道流速和沿程水面比降的变化上，可以通过乌龙江河道流速和水面比降变化来分析峡兜卡口阻力特性。竹岐站不同流量下乌龙江河道断面平均流速沿程分布如图7所示，图8为几个典型断面平均流速与流量的关系曲线。由图7可知，乌龙江河道断面平均流速随着流量增加而增大，在竹岐站流量小于22 300 m3/s，即相应峡兜流量小于19 320 m3/s时，乌龙江河道断面平均流速最大值位于河道上段橘园洲断面附近，在竹岐流量超过22 300 m3/s，即峡兜流量大于19 320 m3/s后，断面平均最大流速位于峡兜卡口断面；从典型断面流速随流量增加而增大的速率来看(图8)，可发现峡兜卡口断面平均流速随流量增加而增大的速率要明显大于河道其他断面，这也表明由于峡兜卡口断面狭窄，其断面面积随流量增加而增大的速率要小于乌龙江河道其他断面，在流量较小时，其阻力效应尚不显著，流速也无明显变化，流量增大后阻力效应开始显现，使得其断面流速迅速增大。

不同流量下乌龙江河道水面比降沿程分布如图9所示。由图9可知，乌龙江河道沿程水面比降随流量增加而增大，峡兜卡口上下游河道沿程水面比降分布相对均匀，峡兜卡口是乌龙江河道水面比降最大的位置。统计不同流量下乌龙江河道平均水面比降和峡兜卡口局部比降见表2、图10，由图10、表2可知，随着流量逐渐增大，峡兜卡口局部比降增加速度要显著高于河道平均水面比降增长速度。

表2 竹岐站不同流量下乌龙江河道平均水面比降和峡兜卡口局部比降

4.2 壅水效应分析

4.2.1 壅水临界流量 竹岐站不同流量下乌龙江河道水面线分布如图11所示。由图11可知，在峡兜卡口流量小于19 320 m3/s、相应竹岐流量小于22 300 m3/s时，峡兜卡口上下游水面线过渡较为平顺，在峡兜流量超过19 320 m3/s、相应竹岐站流量超过22 300 m3/s后，峡兜卡口上游开始出现较明显的局部水位抬升现象。综合上文乌龙江河道断面平均流速和水面比降变化特征，初步认为峡兜卡口流量为19 320 m3/s、即竹岐站流量为22 300 m3/s时，峡兜卡口开始发挥壅水作用。

图7 竹岐站不同流量下乌龙江河道断面平均流速沿程分布

图8 乌龙江典型断面平均流速与流量关系曲线

4.2.2 壅水高度及作用范围 峡兜卡口壅水高度计算参考长江科学院关于长江铜锣峡壅水计算方法[17]，具体为：首先假定峡兜卡口在没有壅水效应时，其不同工况下的水面比降与峡兜卡口壅水作用存在下乌龙江全河段同流量下的水面比降一致，据此推算峡兜卡口无壅水效应下的水面线，其与有壅水效应下的水面线之差即为峡兜卡口的壅水高度值。壅水范围为峡兜卡口以上至壅水高度减小为0的距离。据此计算得到的峡兜卡口壅水高度与范围见表3。

图9 竹岐站不同流量下乌龙江河道水面比降沿程分布

图10 乌龙江河道平均水面比降和峡兜卡口局部比降与流量关系曲线

从表3中可以看出，峡兜卡口壅水高度和范围随流量的增加而增大，在竹岐站流量为38 300 m3/s(200年一遇)、35 600 m3/s(100年一遇)、32 800 m3/s(50年一遇)时，峡兜卡口壅水高度分别为0.13、0.10、0.07 m，壅水影响范围可分别至峡兜卡口上游1.99、1.88、1.69 km。

表3 不同流量下峡兜壅水高度与范围

图11 竹岐站不同流量下乌龙江河道水面线分布

5 结 论

(1)峡兜卡口河宽与上游河道相差10余倍，深泓与上游河床落差超过20 m，其独特的平面与纵剖面形态特征对乌龙江水流运动造成影响，其阻力特性和壅水效应与流量密切相关。

(2)峡兜卡口为乌龙江河道水面比降最大的位置，在竹岐站流量超过22 300 m3/s后为乌龙江河道断面平均流速最大的位置。随着流量逐渐增大，峡兜卡口断面平均流速随流量增加而增大的速率要明显大于河道其他断面，局部比降增加速度要显著高于河道平均水面比降增长速度。

(3)初步认为峡兜卡口发挥壅水作用的临界流量为19 320 m3/s、相应竹岐站流量为22 300 m3/s(5年一遇)，在竹岐站流量为38 300 m3/s(200年一遇)、35 600 m3/s(100年一遇)、32 800 m3/s(50年一遇)时，峡兜壅水高度分别为0.13 、0.10 、0.07 m，壅水影响范围可分别至峡兜上游1.99 、1.88 、1.69 km。