基于MIKE3的黄河宁夏四排口河段水动力模拟

刘鑫，李春光,2，兰斌，黄传霁，何金沙

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川750021；2.北方民族大学土木工程学院，宁夏银川750021)

在天然原始河道上修建水利枢纽工程，会极大程度改变河床的边界条件[1-2]，并在一定程度上影响河流的来水来沙条件，打破河流原有的冲淤平衡状态[3-4]，将引发河流剧烈的“再造床”运动，直至河床边界与新的水沙边界条件相适应[5-6]。卢金友等[7]分别从宏观规律、微观机理两方面出发，总结归纳了国内外有关水利枢纽影响作用下的河床冲刷与“再造床”过程方面的研究成果，对研究中泥沙恢复饱和系数、泥沙输移特性、模型沙的选择、床面形态调整等关键参数的研究进展进行了总结分析，并指出了河床变形数值模拟方面进一步的研究重点与面临难题；景何仿等[8]借助ADCP与RTK等仪器获得了水洞沟水库的库底地形，通过建立相应的数学模型，进一步计算了4种预设工况下的库区淤积量与平均淤积厚度，预测了各工况下水库可运行最长年限，其结果可用于指导水洞沟水库的科学运行；杜飞[9]借助量纲分析法和最小二乘拟合法，对试验采集数据进行了多元线性回归分析,在此基础上分别推导了适用于山区河流上、下双丁坝布置下坝后冲刷坑深度的计算公式，归纳总结了双丁坝坝后冲坑深度之间的相互影响关系；枚龙[10]借助DHI MIKE软件研究了船闸灌、泄水所产生的非恒定流，对引航道水流运动规律的影响，其结果可用于指导引航道的清淤维护工作；王建军等[11]利用数值模拟手段研究了韩江中游高陂枢纽至东山枢纽间河段的床面冲淤规律，核查了航道水深情况；梁荣荣[12]借助Delft-3D软件在变曲率河道上考虑液压坝群的影响构建了相应的水动力、河床冲淤模型,在此基础上计算了液压坝对变曲率河段在泄洪过程中床面冲淤、变形规律的影响。潘灵芝等[13]借助Delft-3D软件建立了精度较高的长江口至北槽海域的三维嵌套流场模型，探讨了不同工程阶段的流场分布、演化情况；刘世荡[14]利用数学模型与“概化”水槽试验相结合的研究手段，对丁坝不同布置位置下的流线分布、绕流区范围等水力特性进行了研究分析。

平罗四排口“裁弯取直”工程位于宁夏石嘴山市平罗县，该河道整治工程由一系列丁坝、联坝和导流明渠等水利设施组成[15-16]，引发了河流边界条件的突变，大大复杂了该河段内的水流运动规律。本文通过现场实测与水动力模拟相结合的研究手段，对研究区域内的流场分布与演化规律进行了模拟研究，其结果可为保证工程安全、稳定运行提供理论支撑。

1 黄河四排口河道整治工程概况

黄河四排口河道整治工程位于宁夏平罗县通伏乡通伏村滨河大道东侧，由于原始弯曲河道不断向西摆动、发育，对周边人民群众生命财产安全产生严重威胁，为归顺四排口河势，在河道左岸修建了一系列丁坝、联坝和导流明渠等水流控导工程，其中丁坝群位于原始弯曲河道进口处，由10道与边岸夹角为30°的“下挑式”丁坝组成，坝顶高程由上游18号丁坝的1 100.44 m逐渐递减至下游27号丁坝的1 100.24 m，坝顶宽度10 m；原始河道段平均河宽约为1.43 km，而新开挖坝后引河进口渐变段开口宽度仅135 m，直线段上开口82 m、下开口40 m。

为研究该段河道在“裁弯取直”工程实施后水流运动的发展、演化规律，项目组通过多次的现场考察与实测，最终根据研究区域实际地形与初步的主流演进预测结果，沿着水流运动方向布设了13道(CS1—CS13)典型断面，设置了控制桩号并对初始的断面流速大小与流场分布展开测量，为了研究方便，本文的数据处理均采用相对坐标(若想与北京54坐标系统一起来，需要对横、纵坐标统一加一定值6.38×105、4.29×106m)，详细分布情况见图1。

图1 典型监测断面分布(2018年5月)

2 实测数据的处理与分析

利用多普勒流速剖面仪(ADCP)与载波相位差分接收器(RTK-GIS)等仪器，于2018年07月17日、10月21日、11月25日共计3次对待研究河段进行了现场考察与实地测量，其中所获11月的水文资料见表1。从表1中可以明显看出：水位从CS1进口断面至CS13出口断面基本上表现为沿程递减趋势，即没有发生壅水现象；而床面高程沿水流运动方向变化却较为剧烈，参考水深数据可以发现，断面CS6、CS7处水深高达14.340、13.170 m，这是因为下泄水流受到岸边丁坝群的调整、导向作用，在丁坝群末端形成了一个肉眼可见的巨大回流(CS6、CS7断面的流速亦最大)，使河床受到剧烈的淘刷作用，形成了巨大的冲刷坑。

表1 2018年11月25日实测数据汇总

3 四排口水动力数值计算模型

3.1 数值模式配置

3.1.1计算域及时间步长

模拟研究区域范围为106°35′～106°36′E，38°43′～38°45′N，研究区域内地形等高线分布情况见图2。模型采用水平面上非结构三角形网格、垂向上四边形结构网格的网格剖分形式，所允许剖分三角形网格最大面积不超过200 m2，最小角度不小于26 °，共计得到13 363个网格结点，生成25 264个平面网格单元，垂向分层数为10，总计生成252 640个三维网格单元，得到的网格剖分情况见图3、4。

图2 研究区域地形等高线分布(2018年7月)

图3 丁坝段网格剖分示意

图4 局部网格剖分示意

为协调不同大小网格的CFL数，使其满足模型稳定要求(CFL<1.0)，使用了变时间步长0.01～1.00 s。

3.1.2模型初始条件与边界条件的设置

初始时刻令η0=u0=v0=0，即初始流场静止，随着上游进口处水流的涌入，逐步进行流场的计算与调整，直至ηi=ηi+1、ui=ui+1、vi=vi+1时，认为流场已达到稳定状态；河床边界条件采用：边界流速设定为0的无滑动陆地边界(Land)；进口边界条件采用流量边界(Discharge boundary)；出口边界条件采用水位边界条件(Level boundary)。

3.2 水动力模型的验证

利用2018年7月17日的现场实测水文数据(进口流量：1 447.322 m3/s、出口水位：1 098.902 m、沿程水位h)对所建模型进行“率定”和“验证”，为了方便对比计算结果，在研究区域选择了13个特征断面作为研究断面，研究断面左、右岸的控制桩号与各断面模拟水位、实测水位以及水位误差见表2。

表2 典型监测断面处水位高程计算值与实测值的对比

通过对表2分析可知：沿程水位高程模拟值与实测值较为接近，其绝对误差范围为-0.019～0.038 m，相对误差(水位误差/平均水深)均在1.50%以内。此外为更好展示该工况的模拟结果，随机摘选出2个典型监测断面，绘制了所选取断面垂线平均流速模拟值与实测值的对比，见图5。从图5中可以明显看出，垂线平均流速的模拟值沿着横断面的分布与实测值较为接近，总体趋势较为吻合。同时亦存在局部实测点波动较大，这有可能是因为现场实测时ADCP受到波浪影响引起的。

a)CS7

通过对表2与图5展开分析可知：本次模拟所建数学模型是适用的，进行的网格剖分是可行的，采用的床面糙率大小是适中的，所采用的简化方式是合适的，计算所产生的误差是可以接受的。

4 水动力模拟结果的分析与讨论

由于所研究河段河宽的大小沿水流运动方向变化较大，其中原始河道平均河宽约为1.43 km，而新开挖坝后引河进口渐变段开口宽度仅135 m，直线段上开口82 m、下开口40 m。此外由图6a、6b亦可以看出，该段河道在丁坝布置段急剧收缩，过流断面随之减小，流速急剧增大，形成了一种类似“瓶颈状”的特殊过渡河段，再加上与上游进口河段以布有岸边丁坝(沿水流方向依次是18—27号)的弯曲河道相连，造成局部阻力增大，导致泄流不畅，引发壅水且不利于洪水期泄洪。此外上游来水在岸边丁坝的“挑流”作用下，将上游来流沿丁坝迎水面坝坡挑至河道中央，致使下泄主流方向明显向右岸发生偏转，有效保护了左岸丁坝与坝坡，调整了上游弯道水流的演进方向，而在单个丁坝的背水面则出现了明显的坝后回流，但由于水深有限因此流速不大，不会危及岸边丁坝的稳定性与安全性。

虽然单个丁坝坝后回流尺度较小，但在整个丁坝群的作用下，左岸坝群后出现了极其明显的较大范围的回流现象(以7月实测数据为例进行模拟所得结果，对比工程设计中水整治流量(2 200 m3/s)属中小流量)，形成了一个长半径约128.824 m、短半径约71.939 m的逆时针运动的相对规则的椭圆形旋涡，随着模拟流量增大(与2018年10月实测流量2 681.040 m3/s相比)、水位上升，该坝后回流存在剧烈增大发展的趋势，特别是短半径增长较为明显。同时由图6a可知，在丁坝群末端的右岸位置处，河岸边坡较为陡峭，因此一定程度上形似“淹没丁坝”起到了一定的“挑流”作用，故而亦形成了一个长半径约116.474 m、短半径约39.944 m的顺时针运动的相对规则的椭圆形旋涡(随着流量增大、水位上升、边岸被冲刷，该坝后回流存在缓慢减弱的演化趋势)，但由于该区域整体淹没程度不足，因此旋涡流速较小。而坝后引河区域，河道相对较为顺直，在上游左岸丁坝群与引河入口处右岸“淹没丁坝”的共同作用下，主流在进口偏向右岸后又在“淹没丁坝”作用下涌向河床高程更低的左岸区域，可以想象在该高流速冲刷下，河道左岸必然出现河床冲刷、边岸崩塌后退现象，而右岸流速相对较低，可能在局部地区会发生少量淤积现象。

5 结语

利用所建三维水动力数学模型对黄河宁夏平罗四排口“裁弯取直”河段进行了数值模拟研究，并借助2018年7月17日现场实测地形、水文资料对所建模型进行“率定”和“验证”，验证结果得到以下结论。

a) 沿程水位高程模拟值与实测值较为接近，其绝对误差范围为-0.019～0.038 m，相对误差(水位误差/平均水深)均在1.50 %以内。表明本次模拟所采用的床面糙率大小是适中的，所采用的简化方式是合适的。

b) “裁弯取直”工程的实施，造成了河床边界条件发生突变，导致研究区域水流运动状况十分复杂，在丁坝群末端与引河进口接洽位置处，形成了一个长半径约128.824 m、短半径约71.939 m的逆时针运转的椭圆形旋涡，如果不对其加以治理、控制，必然导致坝后左岸发生大幅度的冲刷现象。