基于平面二维数值模拟的长江世业洲分汊河道水流特性研究

吴昌洪，姚 瑶

（广西水利科学研究院，南宁 530023）

长江是我国第一大河流，长江干流宜昌至城陵矶段共有11个分汊河段，城陵矶至徐六径段共有44个分汊河段，分汊河道在长江中下游地位突出[1]。人类活动尤其是大中型水利枢纽的兴建往往会改变河流系统的环境，对于大中型水利枢纽的下游河道，来水来沙条件（来流过程、含沙量、泥沙级配）都将发生改变，导致下游河势的调整和河床再造床的发生[2]。上游河势条件的改变将影响分汊河道的演变，特别是上游来水入流角度的改变，导致主流流向的摆动，引起洲头顶冲点位置和各汊道入流条件的变化，势必影响主、支汊的稳定性，改变分汊河段河床冲淤调整的趋势。

本文选取长江中下游典型分汊河道—镇扬河段世业洲分汊河道为研究对象，通过Delft 3D软件，模拟研究世业洲分汊河道上游单一段入流角度改变后，对世业洲分汊河道水流特性的影响，包括世业洲左汊、右汊分流比，分流区、分汊区、汇流区的断面流速分布。

1 Delft 3D模型简介

Delft 3D主要应用于自由地表水环境的模拟。该软件框架灵活，能模拟二维（水平面或竖直面）和三维的水流（Flow）、波浪（Waves）、泥沙（Sediments）、水动力（Hydrodynamics）、水质（Waq）和生态（Eco），各个过程之间可以相互作用，同时，系统有强大的前后处理功能，实现了与GIS的无缝链接，并可与Matlab环境相结合，支持不同格式的图形、图像和动画仿真等功能。

2 世业洲分汊河段概况

镇扬河段位于江苏镇江和扬州之间，上起三江口，下迄五峰山，河段全长约为74 km，为长江中下游重点治理河段。河段自上而下分为仪征水道（该水道又分为仪征水道上段和世业洲分汊段）、六圩弯道、和畅洲汊道以及大港水道，见图1。

世业洲分汊段，自世业洲汊道泗源沟至瓜洲渡口，长24.7 km，右汊是主汊，长15.8 km，为曲率适度的弯曲河道，平均河宽约1.45 km；左汊为支汊，长13.5 km，呈顺直型，汊内有鹰膀子洲和新冒洲交错依附于两岸，平均河宽约880 m。长江主流出仪征水道上段后，由左向右过渡至世业洲右汊，主流沿高资弯道右岸下行至龙门口附近与左汊支流汇合后，再向左岸过渡至六圩弯道[3]。

图1 镇扬河段

3 验证区域的模拟

先运用Delft 3D模型的二维计算模块对原世业洲分汊河道（即入流角度为0°时）河段进行平面二维数值模拟。

本文仅考虑特定流量级下世业洲分汊河段的水流分布，故采用恒定流模式计算，即入口流量、出口水位不随时间变化。模型采用该河段实测水面线及1#、2#、3#、4#共4个断面的实测流速来验证模型的可靠性。1#、2#、3#、4#断面布置如图2所示。根据实测资料，大通水文站流量为18 300 m3/s，瓜洲渡口水位为1.67 m。故采用18 300 m3/s流量作为入口流量，以瓜州渡口水位1.67 m作为出口水位。河床糙率用曼宁系数n表示，根据镇扬河段实测资料，河床糙率系数n在0.017～0.029之间变化，其平均糙率为0.023[4]。糙率大小通常随河床地形而变化，主槽糙率小，滩地糙率大。计算河段糙率按主槽、滩地（边滩和江心滩）划分，取值范围为0.017～0.029。

模型采用世业洲分汊河段2012年10月的实测地形资料，起点为泗源沟上游4 km处，终点为瓜洲渡口下游2 km处，全长约为30 km。模型采用贴体正交曲线网格，计算区域网格总数共25 600个，其中ξ方向网格总数420个，平均网格大小约为60 m，η方向网格总数80个，分汊区中段网格最大，平均为75 m，上游单一段和下游单一段网格最小，约为25 m。

模拟河段的水下地形由原始的实测点数据在网格节点上进行插值获得。在原始样点数据较多、密度较大的地方，采用平均插值法；在原始数据相对较少的区域采用三角插值法。

世业洲分汊河道左汊分流比实测值与计算值分别为35.6%、35.8%；右汊分流比实测值与计算值分别为64.4%，64.2%。左汊和右汊分流比的计算值与实测值相差均为0.2%，基本符合要求。

图2 世业洲分汊河道水下地形图

图3 、图4为世业洲分汊河段左汊水面线和右汊水面线的计算值与实测值的比较图。从图中可以看出计算结果与实测值相差不大，左汊最大水位差为0.08 m，右汊最大水位差为0.09 m。结果表明：在所给出的边界条件和参数设置下，沿程水面线的计算结果与实测值基本吻合。

图3 左汊水面线图

图4 右汊水面线

图5 ～图8为各断面流速横向分布的计算值与实测值比较。统计分析了各断面流速计算与实测值的误差，1#断面流速最大相差0.08 m/s，2#断面流速最大相差0.1 m/s，3#断面流速最大相差0.05 m/s，4#断面流速最大相差0.12 m/s。从图5～图8可以看出，断面流速横向分布的计算结果与实测值大致相同。

综上水位、分流比、流速验证成果，模型水流运动与原型基本相似，模型设计合理，模型水流要素满足要求，正确模拟了天然河道水流运动形态。因此，在此基础上进行的计算，其成果是可靠的。

图5 1#断面流速横向分布图

图6 2#断面流速横向分布图

图7 3#断面流速横向分布图

图8 4#断面流速横向分布图

4 入流角度对世业洲分汊河道水流特性的影响

上节计算的验证结果表明，用该模型模拟世业洲分汊河道的水力特性是可靠的。假定原世业洲分汊河道的上游单一河道的入流角度为0°，以上游单一河道的中心线为基准，上游单一河道分别向左摆动30°、60°，向右摆动30°、60°。入流角度0°、入流角度左偏30°、入流角度左偏60°、入流角度右偏30°、入流角度右偏60°的地形及断面布置图如图9～13所示。分流区F断面、分汊区L1、L2、L3、R1、R2、R3断面、汇流区H断面布置在地形图上，见图9～13。F断面与L1、R1相距约1 km；左汊以约5.5 km间距分别布置L1、L2、L3断面，右汊以约6.5 km间距分布布置R1、R2、R3断面；H断面与L3、R3相距约2.5 km。

图9 入流角度0°（原分汊河道）地形图

图10 入流角度左偏30°地形图

图11 入流角度左偏60°地形图

图12 入流角度右偏30°地形图

图13 入流角度右偏60°地形图

模型入口流量选取枯水流量、验证流量、多年平均流量、平滩流量及相应的水位（瓜洲渡口水位），如表1所示。

表1 入口流量与出口水位表

模拟上述5种入流角度情况下，网格、糙率等参数设置跟上节一致。

4.1 入流角度对分流比的影响

改变世业洲分汊河道上游单一段的入流角度，主流流向改变，对下游分汊河道的分流比产生了较大的影响。

表2为世业洲分汊河道左、右汊的分流比。在5种不同入流角度下，左汊的分流比均随流量的增加而增大，右汊的分流比均随流量的增加而减小；在4级不同流量条件下，左偏入流角度，左汊分流比均增大，右汊分流比均减小，左偏角度越大，左汊分流比越大，右汊分流比越小；在4级不同流量条件下，右偏入流角度，左汊分流比均减小，右汊分流比均增加，右偏角度越大，左汊分流比越小，右汊分流比越大。

表2 世业洲分汊河道左、右汊分流比

4.2 入流角度对断面流速分布的影响

图14～图17为分流区F断面流速分布图，可看出5种不同入流角度条件下，F断面平均流速均随流量的增大而增大。在4级不同流量条件下，左偏角度越大，流速越小；右侧流速大于0°时右侧流速，左偏角度越大，流速越大。在4级不同流量条件下，右偏角度越大，流速越大；右侧流速小于0°时右侧流速，右偏角度越大，流速越小。

图14 F断面流速分布（14 000 m3/s流量）

图15 F断面流速分布（18 300 m3/s流量）

图16 F断面流速分布（28 500 m3/s流量）

图17 F断面流速分布（46 000 m3/s流量）

图18～图41为分汊区左汊L1、L2、L3，右汊R1、R2、R3断面流速分布图，可看出5种不同入流角度条件下，左汊、右汊各断面平均流速均随流量的增大而增大。

从图18～图29可看出，左汊L1断面、L2断面、L3断面，在4级不同流量条件下，左偏30°、左偏60°时断面平均流速均大于0°时断面平均流速，左偏角度越大，断面平均流速越大；右偏30°、右偏60°时断面平均流速均小于0°时断面平均流速，右偏角度越大，断面平均流速越小。图30～图41可看出，右汊R1断面、R2断面、R3断面，在4级不同流量条件下，左偏30°、左偏60°时断面平均流速均小于0°时的断面平均流速，左偏角度越大，断面平均流速越小；右偏30°、右偏60°时断面平均流速均大于0°时断面平均流速，右偏角度越大，断面平均流速越大。

从图18～图21可看出，L1断面在4级不同流量条件下，左偏30°、左偏60°时，左侧流速增加幅度明显大于右侧流速增加幅度，左偏角度时对左侧流速影响较大，对右侧流速影响较小；右偏30°、右偏60°时，左侧流速减少幅度较大，右侧流速大小变化不大，说明右偏角度时对左侧流速影响较大，对右侧流速影响较小；可见不管左偏，还是右偏角度，均对L1断面的左侧流速影响较大，右侧影响较小。

从图22～图25可看出，L2断面在14 000 m3/s和18 300 m3/s流量下，左偏30°、左偏60°时流速的增加幅度明显大于28 500 m3/s和46 000 m3/s流量下流速的增加幅度，说明左偏角度时，小流量条件下，对断面流速影响较大，大流量条件下，对断面流速影响较小。4级不同流量条件下，右偏30°时断面流速均减少，左侧流速减少幅度大于右侧流速减少幅度。4级不同流量条件下，右偏60°时左侧流速大于右偏30°时的左侧流速而小于0度时左侧流速，说明随着右偏的角度增大，左侧流速有先减少后增大的趋势。

从图26～图29可看出，L3断面在14 000 m3/s和18 300 m3/s流量下，左偏30°、左偏60°时左侧流速的增加幅度明显大于右侧流速增加的幅度，但在28 500 m3/s和46 000 m3/s流量下，左侧流速的增加幅度明显小于右侧流速增加的幅度，说明小流量条件下，左偏角度对左侧流速影响较大，对右侧流速影响较小，大流量条件下，对左侧流速影响较小，对右侧流速影响较大。14 000 m3/s和18 300 m3/s流量下，右偏30°、右偏60°时右侧流速的减少幅度明显大于左侧流速减少的幅度，但在28 500 m3/s和46 000 m3/s流量下，右侧流速的减少幅度明显小于左侧流速减少的幅度，说明小流量条件下，右偏角度对右侧流速影响较大，对左侧流速影响较小，大流量条件下，对左侧流速影响较大，对右侧流速影响较小。

从图30～图33可看出，R1断面在4级不同流量条件下，左偏60°时左侧流速大于左偏30°和0°时的流速，说明左偏角度时，左侧流速有先减少后增大的趋势。

从图34～图37可看出，R2断面在14 000 m3/s和18 300 m3/s流量下，左偏30°、左偏60°时流速增加幅度大于28 500 m3/s和146 000 m3/s流量下流速的增加幅度，说明随着流量的增大，左偏角度对断面流速的影响减弱；4级不同流量条件下，右偏30°、右偏60°时，左侧流速增加幅度小于右侧流速增加幅度，说明右偏角度对左侧流速影响较小，对右侧流速影响较大。

从图38～图41可看出，R3断面在4级不同流量条件下，右偏30°、右偏60°时，左侧流速增加幅度明显大于右侧流速增加幅度，说明右偏角度对左侧流速影响较大，对右侧流速影响较小。4级不同流量条件下，左偏30°、左偏60°时，左侧流速增加幅度明显小于右侧流速增加幅度，说明左偏角度时，对左侧流速影响较小，右侧流速影响较大。

从图42～图45为汇流区H断面流速分布图，可看出5种不同入流角度条件下，H断面平均流速均随流量的增大而增大。在5种不同入流角度条件下，H断面流速分布形成了与分流区F断面相反的情形。在4级不同流量条件下，左偏30°、左偏60°时左侧流速大于0°时左侧流速，左偏角度越大，流速越大；右侧流速小于0°时右侧流速，左偏角度越大，流速越小。在4级不同流量条件下，右偏30°、右偏60°时左侧流速小于0°时左侧流速，右偏角度越大，流速越小；右侧流速大于0°时右侧流速，右偏角度越大，流速越大。

图18 L1断面流速分布（14 000 m3/s流量）

图19 L1断面流速分布（18 300 m3/s流量）

图20 L1断面流速分布（28 500 m3/s流量）

图21 L1断面流速分布（46 000 m3/s流量）

图22 L2断面流速分布（14 000 m3/s流量）

图23 L2断面流速分布（18 300 m3/s流量）

图24 L2断面流速分布（28 500 m3/s流量）

图25 L2断面流速分布（46 000 m3/s流量）

图26 L3断面流速分布（14 000 m3/s流量）

图27 L3断面流速分布（18 300 m3/s流量）

图28 L3断面流速分布（28 500 m3/s流量）

图29 L3断面流速分布（16 000 m3/s流量）

图30 R1断面流速分布（14 000 m3/s流量）

图31 R1断面流速分布（18 300 m3/s流量）

图32 R1断面流速分布（28 500 m3/s流量）

图33 R1断面流速分布（46 000 m3/s流量）

图34 R2断面流速分布（14 000 m3/s 流量）

图35 R2断面流速分布（18 300 m3/s流量）

图36 R2断面流速分布（28 500 m3/s流量）

图37 R2断面流速分布（46 000 m3/s流量）

图38 R3断面流速分布（14 000 m3/s流量）

图39 R3断面流速分布（18 300 m3/s流量）

图40 R3断面流速分布（28 500 m3/s流量）

图41 R3断面流速分布（46 000 m3/s流量）

图42 H断面流速分布（14 000 m3/s流量）

图43 H断面流速分布（18 300 m3/s流量）

图44 H断面流速分布（28 500 m3/s流量）

图45 H断面流速分布（46 000 m3/s流量）

5 结论

本文主要通过运用Delft 3D模拟研究水流以不同入流角度进入世业洲分汊河道，对分汊河道水流特性影响，得到以下结论。

（1）不同入流角度条件下，左汊的分流比均随流量的增加而增大，右汊的分流比均随流量的增加而减小。

（2）各级不同流量条件下，左偏入流角度，左汊分流比均增大，右汊分流比均减小，左偏角度越大，左汊分流比越大，右汊分流比越小；各级不同流量条件下，右偏入流角度，左汊分流比均减小，右汊分流比均增加，右偏角度越大，左汊分流比越小，右汊分流比越大。

（3）不同入流角度条件下，左汊、右汊各断面平均流速均随流量的增大而增大。

（4）对于分流区断面，在各级不同流量下，左偏入流角度，左侧流速减小，左偏角度越大，流速越小；右侧流速增大，左偏角度越大，流速越大。在各级不同流量条件下，右偏入流角度，左侧流速增大，右偏角度越大，流速越大；右侧流速减少，右偏角度越大，流速越小。

（5）对于分汊区左汊断面，各级不同流量条件下，左偏入流角度，左汊断面平均流速增大，左偏角度越大，断面平均流速越大；右偏入流角度，左汊断面平均流速减小，右偏角度越大，断面平均流速越小。对于分汊区右汊断面，各级不同流量条件下，左偏入流角度，右汊断面平均流速减小，左偏角度越大，断面平均流速越小；右偏入流角度，右汊断面平均流速减小，右偏角度越大，断面平均流速越大。

（6）对于汇流区断面，在各级不同流量条件下，左偏入流角度，左侧流速增大，左偏角度越大，流速越大；右侧流速减小，左偏角度越大，流速越小。在各级不同流量条件下，右偏入流角度，左侧流速减小，右偏角度越大，流速越小；右侧流速增大，右偏角度越大，流速越大。与分流区断面流速分布相反。