武漢陽邏水道三維流場數值模擬試驗研究

劉曉東 黃立文 孫海蘭 范耀天

（武漢理工大學航運學院1） 武漢 430063） （江西師范大學城市建設學院2） 南昌 330022）

長江流域中的武漢陽邏水道上起王家屋，下迄周陽港，全長約18km.湖北省武漢市規劃在陽邏水道左岸新建一大型港口.由于規劃區域碼頭岸線前端、中段和后部存在磯頭，復雜的地形造成該區域的水流態勢趨于復雜，而且根據碼頭規劃設計要求，碼頭中段和后部的磯頭需要炸礁而改變原有水道地形，這些都需要定量分析擬建工程河段的水流流態.本研究根據在環境流體動力學模型的基礎上，分別建立陽邏水道在擬建工程前后的水流數學模型并進行數值模型，以期為港口建設提供決策支持.

1 長江陽邏水道段水動力數值模型

1.1 控制方程

控制方程基于水平邊界擬合曲線坐標系和σ坐標系轉換關系如式（1）所示.

根據靜水壓假設、Boussinesq假設和近似，建立三維水動力模型［1－2］，基本方程如下.

式中：u，v，w（x，y，z，t）分別為邊界擬合曲線坐標x，y，z方向上的速度分量；ζ（x，y，t）為水位；z＝h（x，y）為底地形；H＝h＋ζ為實際水深；g為重力加速度；?s為水量；K，k為垂直和水平方向的湍流粘滯性系數；pa為大氣壓力；ρ為水密度；f＝2ωsinφ為科里奧利參數.

為節省運算時間，模型采用忽略二階水平對流項的標準k－模型［3］求得垂向紊動擴散系數，其中：式中：vT為湍動能擴散系數（即渦粘性系數）；Gb為穩定條件；P為湍動能產生率；Pk為由于平均速度梯度引起的湍動能生成項.

1.2 模型計算邊界條件選取

1）水表面邊界條件

運動學邊界條件為

式中：ψ1（t），ψ2（t）和μ（t）為源匯流量函數.

3）動邊界條件 出水淺灘采用動邊界處理，即對計算區域內灘地干濕過程，采用水位判別法處理，即當某點水深小于一淺水深ε（如0.2m）時，令該處流速為零，灘地干出；當該處水深大于ε時，參與計算，河水上灘.模型采用曲線網格，可較好地擬合淺灘、岸堤邊界，提高計算精度.

1.3 水動力模擬計算范圍及計算條件

本研究模型計算范圍上邊界位于羅家咀附近，下邊界位于陽邏長江公路大橋上游，如圖1所示，圖中AB橫斷面和CD橫斷面的實測流速數據可以作為模型的驗證和率定，EF橫斷面在擬建工程的前端160m，該處剛好是1＃泊位前段磯頭位置.地形資料來源于長江武漢航道局2010年6月實測地形，模擬計算區域見圖1.

圖1 模擬計算區域

模型計算初始高程數據采用長江武漢航道局2008年4月和2010年6月實測地形，工程附近水域和陸域地形高程數據利用中交第二航務工程勘察設計院有限公司2009年11月所測1∶1 000地形圖和2012年1月所測1∶500地形圖進行細化.模擬區域計算所需要的水文條件采樣武漢關水文站的觀測資料，見表1.

表1 水文條件下上下游邊界條件

模型糙率系數綜合反映了天然河流計算河段的阻力.因天然河流寬深比較大，故河岸阻力所占比重較小.就形態阻力而言，彎曲河段與順直均勻河段不同，本次數模河道糙率系數取全區域一致0.22.時間步長：模型計算步長1s.

2 數值模擬實驗

2.1 模擬實驗方案設計

根據其水文特征值，模型采用恒定流對四種水文條件進行計算，計算時上邊界由流量控制，下邊界由水位控制，工程前后不同的2種地形結合四種水文條件共組合成8種工況，每種工況對應一種模擬實驗方案，模型不考慮水口河對工程的影響.

2.2 模擬實驗結果及分析［4－6］

2.2.1 碼頭前沿線處的水流流態變化趨勢

1）水流方向變化曲線 碼頭前沿線在平面上的方向為298°，所以在流量為446 000m3／s的情況下，1＃泊位端點處的水流流向與碼頭前沿線的夾角為5°，在1＃磯頭的的前端與前沿線形成的夾角最大為16°.在水流流過1＃泊位的中部以后其流向趨于平緩，基本與碼頭前沿線平行，水流方向變化曲線見圖2.

圖2 水流方向變化曲線

圖3 水流速度變化曲線

2）工程前后水流速度變化曲線 圖3中實驗結果表明工程前后碼頭前沿的前方沿航道從上到下的速度變化可歸納為：（1）由于碼頭1＃泊位存在磯頭影響，該區域流速最大值出現在約碼頭上游端160m處，達到2.4m／s，且工程后略有增加，與主流夾角達到24°；但是磯頭下游1＃泊位前沿水流流速趨緩，與碼頭前沿夾角最大為12°，且工程后略有減少；（2）從枯水期到洪水期流量變化過程中1＃泊位前沿流速由約0.5m／s增大到約2.0m／s，但是流向與碼頭夾角減小，由約11°減小到約4°.

2.2.2 整個航道的速度變化趨勢 按照上述設定的計算條件對擬建工程區域，針對工程前后的兩種情況在四種水文條件下總計8個方案分別進行了模型試驗.圖4、圖5分別為工程前后流量為6 828m3／s和44 600m3／s的速度分布圖.

圖4 工程前后6 828m3／s流量模擬區域表層流場圖

圖5 工程前后44 600m3／s流量模擬區域表層流場圖

通過實驗結果表明：工程前和工程后流量從枯水期的6 828m3／s到洪水期的44 600m3／s，整個計算范圍內的速度都有所提高，不管是枯水期還是洪水期主流均位于河道左岸一側，且主流位置基本不變，碼頭泊位前沿為主流位置所在.在模擬的四種水文條件下，擬建工程不管在枯水期還是洪水期，工程的建設將會引起碼頭附近局部范圍內流場的變化，但變化范圍有限，不會對上、下游涉水工程產生明顯影響.

3 結 論

1）由于碼頭前沿泊位存在磯頭影響，該區域流速最大值出現在碼頭上游端約160m處，洪水期達到2.4m／s，且工程后略有增加，枯水期流向與主流夾角達到24°；但是碼頭前端磯頭下游泊位前沿水流流速趨緩，與碼頭前沿夾角最大為12°，且工程后略有減少，夾角減少到11°.

2）擬建工程的1＃泊位前沿的前方為陽邏節點，上游的來水在經過陽邏節點后形成一個斜向右下方的斜流和向左岸偏轉的回流，回流貼近于左側岸邊，且隨著流量的增大，回流區域和強度先增大后降低.由于陽邏節點下斜流占主導作用，擬建工程前1＃泊位前沿速度增大而且形成一個向右偏轉的挑流，隨著流量的增大挑流與碼頭前沿線的夾角降低，在平灘流量44 600m3／s條件下的水流流向與與碼頭前沿線的夾角5°左右.

3）工程后，從枯水期到洪水期流量變化過程中碼頭泊位前沿流速由約0.5m／s增大到約2.0 m／s，但是流向與碼頭夾角減小，由約11°減小到約4°.

4）由于擬建工程中部的磯頭炸礁后，通過實驗結果表明碼頭前沿中部的回流消失，更有利于船舶的靠離泊.

［1］HAMRICK J M.A three－dimensional environmental fluid dynamics computer code：theoretical and computational aspects［R］.Special Report No.317in Applied Marine Science and Ocean Engineer，1992.

［2］LEHR W J，CEKIRGE H M，FRAGA R J.Empirical studies of the spreading of oil spills［J］.Oil and Petrochemical Pollution，1984（2）：7－12.

［3］STIVER W，MACKAY D.Evaporation rate of spills of hydrocarbons and petroleum mixtures［J］.Environmental Science and Technology，1984，18（11）：834－840.

［4］SHEN H T，YAPA P D.Oil slick transport in rivers［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1988（14）：529－542.

［5］婁安剛，王學昌，孫長青.膠州灣海面溢油軌跡的數值模擬［J］.黃渤海海洋，2001，19（1）：1－8.

［6］俞濟清，魏 敏，黃立文.中國舟山港溢油模擬信息系統研制［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2002，26（4）：39－41.