基于delf-3d的深水航道工程横沙东滩流场数值模拟

基于delf-3d的深水航道工程横沙东滩流场数值模拟

1长江口航道工程影响流场长江河口以其复杂的水下地形和强烈的潮汐流相互作用，影响因素丰富而闻名。这些特点给该地区的流场数值模拟带来很大的困难,已有不少学者对此做过深入的研究。但是近期长江口工程众多,特别是深水航道工程(一期)和待建的两期工程及促淤工程。将影响长江口的流场。为了掌握一期工程(包括完善段)建成后北槽内及促淤成陆工程后横沙东滩的流场结构的变化,尤其是工程前后水位、流速和流量的变化的比较,为待建工程提供科学依据。2计算模型Delft-3D水动力学数学模型的特点是采用正交曲线网格、计算稳定、精度高、能处理潮间带及滩槽交换的复杂地形。2.1基本方程正交曲线坐标系中的水流运动基本方程∂ζ∂t+1√Gξξ√Gηη∂[(d+ζ)u√Gηη]∂ξ+1√Gξξ√Gηη∂[(d+ζ)v√Gξξ]∂η=Q∂u∂t+u√Gξξ∂u∂ζ+v√Gηη∂u∂η+uv√Gξξ√Gηη∂√Gξξ∂η-v2√Gξξ√Gηη∂√Gηη∂ξ-fv=-1ρ√GξξΡξ-gu√u2+v2C2(d+ζ)+Fζ+FSξ+Μξ∂v∂t+u√Gξξ∂v∂ζ+v√Gηη∂v∂η+uv√Gξξ√Gηη∂√Gξξ∂η-u2√Gξξ√Gηη∂√Gηη∂ξ+fu=-1ρ√GηηΡη-gv√u2v2C2(d+ζ)+Fη+FSη+Μμ式中:ξ、η—平面曲线坐标;ζ—水位;d—静止水深;√Gξξ—ξ方向的坐标变换系数;√Gηη—η方向的坐标变换系数;u—ξ方向的流速;v—η方向的流速;ρ—水的密度;Pξ—ξ方向压强梯度;Pη—η方向压强梯度;f—科氏力系数;Fξ—ξ方向的紊动矩通量;Fη—η方向紊动矩通量;C—谢才系数。输运方程:∂[(d+ζ)C]∂t+1√Gξξ√Gηη{∂[(d+ζ)u√GηηC]∂ξ+∂[(d+ζ)v√GξξC]∂η}=(d+ζ)√Gξξ√Gηη{∂∂ξ[Dh√Gηη√Gξξ∂C∂ξ]+∂∂η[Dh√Gξξ√Gηη∂C∂η]}+(d+ζ)S式中:C—物质浓度,即为盐度,S—源汇项。2.2数值方法(1)计算网格的交错化Delft-3D数值求解基于有限差分法。在1套曲线计算网格上离散二维和三维的浅水方程。计算网格要求是正交的,基本方程中引入的坐标变换系数√Gξξ和√Gηη也要在计算网格内离散。为了离散三维浅水方程,将水位点(压力点)定义在网格的中心,流速分量垂直于该分量所在的网格面,即为交错C网格(Staggeredgrid)。这样可以避免水位值的空间震荡。(2)半步在方向用隐格式ADI法实质上是把时间步长△t分成2个半步长,前半步在ξ方向用隐格式,η方向用显格式,后半步在η方向用隐格式,在ξ方向用显格式。这样可以把较大的系数矩阵化为2个三角形系数矩阵,可用追赶法求解。2.3计算结果选取计算区域为西至徐六泾,北至吕泗港,东至绿华山,南至崎头角和后门山,杭州湾内以澉浦和陶家路为边界。计算区域东西长160km,南北长220km,总网格数为131×169。同时为了研究北槽深水航道整治建筑物的影响,我们对北槽、横沙东潍及其周围区域建立嵌套网格,网格数为174×185,最小计算网格为660m×80m。具体范围见图1。3结果和讨论(验证站点见图2)。3.1工程内部水位变化工程对水位的影响趋势在洪季和枯季一致。以洪季为例,每小时记录1次水位值,取10d平均值(包含大、小潮),一期工程前后水位变化见图3。可看出一期工程后对北港上段影响不大,北港中段到横沙东滩附近水位略有增加;在横沙岛东侧直到横沙东滩,由于北导堤落潮时的阻水作用,水位增加3~5cm;南港水位普遍增加2~3cm;进入南北槽分流口后,工程使北槽阻力增大,所以北槽上段水位增加3~4cm,中段至一期工程出口水位增加2cm,而丁坝周边水位降低l~2cm;南槽内阻力没有大的变化,而且江亚北槽和九段沙串沟被封堵,落潮流无法越堤,使江亚北槽水位降低3~5cm,其余部分降低2cm左右,由于南北槽的水位变化的差异,形成指向南槽的水面横比降,对于流速和流量的变化影响巨大。口外水位没有变化。促淤工程前后平均水位变化见图3(b)。护滩潜堤和北导堤组成的半封闭区域水位壅高8~10cm;潜堤和东侧堤东侧分别有lcm的减水。对促淤区以外的水域影响不大。3.2水流场特征结果分析一期工程后涨落和急流流场见图4,下面分别就落潮和涨潮的情况加以说明和分析一期工程的影响。落潮时:落急时北槽内水流均归顺主槽。北槽分流口处流速普遍减小,在洪季大潮落潮时减幅最大,为由1.4m/s减为1.0m/s;北槽工程段内流速增大,枯季大潮落潮时增幅最大,由工程前的1.2m/s增加到1.4m/s;选择北槽中处作为工程段内代表观测点,工程前后实测流速对比见图5,可知工程后落潮流速增大,与计算相吻合。丁坝回流区内流速降为0.l~0.2m/s;工程出口处流速变化不大。南槽分流口处流速增加40%;南槽中段落潮时在洪枯季显示出不同的特性,洪季流速减小15%,枯季流速增大30%。可看出南槽和北槽在枯季落潮时流速都增大,但其原因完全不同,北槽内是因为丁坝束流作用引起的,而南槽内则是因为工程造成的水面比降引起的。九段沙串沟和江亚北槽因为落潮流被南导堤阻拦,流速变小50%以上。其中北导堤北侧部分由于沿堤流的产生,流速平均由0.6m/s增加到0.9m/s,这将导致横沙东滩串沟的流速增大。涨潮时:北槽分流口变化不大;而北槽工程段内流速均略有减小,平均减小0.08m/s。实测如图5,可见工程后涨潮流速变化不大,工程出口直至口外流速均增加15%,这是因为涨潮时要进入北槽的水流受阻造成的。南槽变化最明显的是九段沙南侧部分,流速普遍增加20%。洪季大潮涨潮时流速从1.0m/s变化到1.5m/s。总之,工程后涨潮流可以漫堤,对航道流速变化影响不大。促淤工程中护滩潜堤的建成,使横沙东滩附近流速大幅度减小(除堤头绕堤流外),计算结果见图6。涨潮时,影响范围为潜堤东侧10km至成陆区,导致此区域流速减小为0.5m/s,潜堤处的流速突变为涨潮时的越堤流;落潮时,流速减小范围延伸到潜堤东侧15km处,总体在0.4m/s以下,并且没有越堤流;无论涨落潮时成陆区内流速都为零。同时计算结果显示北导堤北侧的沿堤流在促淤工程后就不存在了,即在促淤的同时有利于北导堤的维护。促淤工程对北槽航道内落急流速影响不大,因为落潮时水流归槽,而涨急时护滩潜堤和东侧堤阻挡了北槽内的越堤流与北港的水量交换,流速有8%~10%的增幅。3.3冲淤演变因子流量(潮流与径流总和)的变化是影响冲淤演变的关键因子,如图2所示,北槽3个断面N1、N2、N3,南槽2个断面S1、S2的流量变化见表1。(1)增长期2002年7月涨潮时:工程前N3流量比N2大100%~150%,即有大量过N3断面的水流流入北港而不进入北槽。工程后N3涨潮流量减小,导致这一差别有所减小,即北槽涨潮时,虽然由N3进入北槽的涨潮流量减小,同时涨潮流仍能越过北导堤进入北港,但是很大一部分与北港交换水量因工程而受阻,所以N2除枯季小潮的涨潮流量有所减小外,其他时间涨潮流量减小幅度不大。因为横沙通道涨潮流量增加,分去了过N2流量的一部分,所以工程后N1涨潮流量略有减小;S1涨潮流量无大变化;S2涨潮流量在洪季略有增加,枯季没有变化。落潮时:一期工程后N3断面流量的减幅大于涨潮时的减幅,既落潮时原本北港进入北槽的水流被大幅阻拦,致使N2和N3流量趋于一致,即水流完全归顺主槽。N1的流量有10%~18%的减小,这是因为工程进一步加大了南北槽的水面比降(见水位分析部分);横沙通道落潮流量的增加补充了在N1处减少的流量,保持N2的落潮流量基本不变。相应的S1流量增大,而S2略有减小。可以看出落潮时N1和N3的流量减小幅度较大,直接导致这2处的泥沙落淤,且N1处落潮流速减小较大,所以N1处在工程后有所淤积,同时N2处流速增大,究其原因是此段流量在工程前后没有变化,而丁坝束水作用使通过水流流速变大,这样北槽的中段达到整治目的,冲刷明显。当然导致淤积的原因非常复杂,根据1996年9~10月洪季长江口测量资料分析,北槽大、中、小潮的滞流点位置均在横沙东滩串沟以下的区域内摆动。同时根据1997年3月枯季的测量资料分析,北槽大潮滞流点位置与洪季一致,中、小潮时则位于横沙通道附近,与淤积地点相符合。所以分流口处的淤积原因有待进一步分析。(2)落潮期内水流流量增加促淤工程对N2和N3起到了不同的作用,N2北侧的成陆区使得落潮时不再有水流进入N2断面,所以流量减小,同时涨潮时水流更加归顺导堤,流量增加;N3北侧促淤区水位壅高,使落潮流量增大,涨潮流量减小。3.4特点两断系叶片和s1计算落潮时北槽的分流比,结果见表2。分流比随不同断面有所变化,因为整个北槽与北港、南槽等水量交换频繁。我们取2处比较,N1和S1处称为上断面,N2和S2称为下断面。与实测的分流比表3相比较(表3中上断面指江亚南沙处,下断面指九段沙上沙处)。可以看出分流比有一个稳定的过程,随着河床调整趋于平衡,上断面分流比减小,下断面最后变化不大。而在模拟的计算中工程后流场用的是最新的地形资料,已考虑了河床的演变。对比模拟和实测结果可见计算可以很好地反映实际情况。因为一期工程后上断面的北槽落潮流量减小,所以上断面分流比有所减小;下断面略有增加。同时可看出促淤工程对分流比没有影响。4航道段流场变化(1)一期工程后,水位变化主要集中在南北槽内,北槽水位平均增加2~4cm,南槽水位平均减少1~2cm。促淤工程后,促淤区内水位增加8~10cm。(2)一期工程使北槽分流口处落潮流速变小。北槽航道中段流速增大;出口处流速值基本不变。南槽分