黃河寧夏沙坡頭樞紐至白馬鄉段航道整治工程數值模擬研究—以棗林灣灘為例

齊魯尚，沈壽亮，丁少偉

（華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京2 100141）

1 航道整治概況

寧夏中衛段航道整治工程位于坡頭樞紐至中寧縣白馬鄉段河段，按其河道特性，可分為兩段，上段為沙坡頭至中寧棗園河段，下段為中寧棗園至中寧縣白馬鄉三道湖村河段。沙坡頭壩下至棗園河段河寬500～1500m，河道內心灘發育，汊河較多，水流分散，屬分汊型河道。中寧棗園至中寧縣白馬鄉三道湖村約15km，河道比降較緩，汊流叢生，心灘變化不定，河勢較不穩定。為改善該河段的通航條件，保障船舶航行安全，針對黃河寧夏中衛沙坡頭樞紐至中寧縣白馬鄉段航道不同河段采取疏浚和丁壩結合的方案進行整治[1]。

本文對黃河寧夏中衛沙坡頭樞紐至中寧縣白馬鄉段建立二維水動力模型，研究不同水文條件下航道整治工程實施前后的水動力條件變化情況，以棗林灣灘為例分析水位、流速、比降、分流比等指標，為工程方案的比選、優化提供技術支撐。

2 平面二維數學模型

2.1 基本方程

控制方程由Navier-Stokes 方程在垂直方向上積分簡化后得到的二維非恒定淺水方程組：

式中，h 為水深；u 和v 分別為x 和y 方向流速；g為重力加速度；zb為床面高程；為水密度；和是表面切應力的x 和y 方向分量；和表示底部切應力的x 和y 方向分量；為渦粘系數；f 為科氏力系數。

2.2 數值解法

采用無結構網格進行區域的空間離散，控制方程的離散采用有限體積法。控制方程離散時，速度分量位于單元中心，跨邊界通量垂直于單元邊。時間積分方法采用二階龍格庫塔格式。考慮方程通式如下：

則時間積分公式如下：

2.3 模型建立

（1）計算范圍。模型上邊界位于沙坡頭樞紐，下邊界位于白馬鄉，研究區域總長約90km。相鄰網格節點最大間距為40m，最小間距為10m，模型的節點數為102547，網格數為186717。

（2）計算參數。工程河段糙率取0.016～0.05；紊動粘性系數取0.01m2/s；計算時間步長取5s。

（3）模型驗證。采用2017 年3 月28 日～4 月1日工程河段實測17 個斷面的水位、流速作為驗證資料。水位驗證如圖1 所示，計算與實測水位基本一致，誤差在±10cm 以內，滿足《水運工程模擬試驗技術規范》[3]的要求。

圖1 2017 年3 月29 日～4 月1 日水位驗證

流速驗證如圖2 所示，實測與計算流速誤差基本在10%以內，滿足《水運工程模擬試驗技術規范》的要求。

3 計算工況及結果分析

根據《黃河寧夏沙坡頭樞紐至中寧段航運建設工程水文測量與分析報告》[2]，選擇設計最低通航水位（Q=363m3/s）、整治水位（Q=850m3/s）、中水位（Q=2000m3/s）及設計最高通航水位（Q=4580m3/s）時工程河段的流量、水位作為計算邊界。沿航槽設置了若干監測斷面和監測點，局部測點布置見圖3。各工況下水位見表1。

表1 各工況下水位匯總表

圖3 棗林灣灘測點和斷面布置圖

圖4 棗林灣灘航道整治布置圖

3.1 整治前水動力特性

Q=363m3/s 時棗林灣1#灘右汊淺段水深不足1.0m，比降為0.6～1.0‰，深槽流速約1.5～2.5m/s；棗林灣2#灘左右汊分流比分別為47.2%和52.8%，右汊為主汊，但存在淺段，且水深約0.8m，航深明顯不足；黃河宮灘左汊為主汊，分流比為90%，灘槽分明、主支汊明顯，但左汊內局部流速、比降較大。

Q=850m3/s 時棗林灣1#灘險邊緣被淹沒，過流面積增大，支汊分流比增加；2#灘險灘面高程較低，右汊分流比增至53.3%，左汊分流比為46.7%；該水位下航槽流速1.8～3.4m/s之間，彎頂段水流流速超過3.0m/s。黃河宮灘沙洲段左汊分流比減少至75%，進入右汊的流量增加，航槽內局部流速超過3.0m/s。

Q=2000m3/s 時河段流速顯著增加，棗林灣彎頂段、2#灘下游匯流段及黃河宮灘左汊流速已普遍超過3.5m/s，通航困難。

3.2 整治方案

棗林灣彎道轉彎半徑約1000m，在彎道上游2.5～1.5km 和下游約2km 處分別有兩處心灘出淺，1#灘長約630m，寬約80m，右汊為主槽，但存在約1km淺區；2#灘長約280m，寬180m，位于河道中央，右汊分流比略大，但存在約500m 的淺區。

棗林灣灘航道選線為右汊，擬疏浚2 處礙航淺灘，以滿足通航要求。2 處挖槽總長約1.5km，挖深0.5～0.7m；對河段內水流較急、流態較紊亂的部位，進行切邊、填槽以減緩水流，改善流態，其切邊有3 處（1-3#切灘）、填槽有2 處（1-2#填槽）。

3.3 整治后水動力特性

Q=363m3/s 時航道疏浚段水位略有降低，其余段水位變化不明顯，全航段水深均滿足設計水深要求。疏浚工程實施后，水流歸槽，棗林灣2#灘右汊分流比略有增大，航道內流速最大增幅約0.3m/s，有利于航槽的維持。黃河宮灘左汊分流比略有減小，航槽水流條件有所改善，局部河槽比降有所減緩，有利于改善通航水流條件。

Q=850m3/s 時航道流速整體處于2.0～3.5m/s 之間，棗林灣彎頂段流速基本接近3.0m/s，橫流為0.32m/s，需要注意航行安全；棗林灣2#灘右汊分流比增加7.1%，流速在2.0m/s 左右，橫流較小；黃河宮灘左汊分流比減小2%，流態平穩，局部彎道處橫流較大。

Q=2000m3/s 時棗林灣彎頂段水流流速超過3.5m/s，局部區域橫流達0.52m/s；黃河宮灘主槽局部流速超過3.5m/s，最大橫流0.5～0.6m/s，船舶操縱困難，需謹慎通航。

4 結論

（1）基于Navier-Stokes 淺水方程建立工程河段二維水流數學模型，采用工程河段實測水位、流速等數據進行驗證。結果表明：計算水位、流速與實測值基本吻合，精度符合《水運工程模擬試驗技術規范》的要求。

（2）計算分析了設計最低通航水位（Q=363m3/s）、整治水位（Q=850m3/s），中水位（Q=2000m3/s）及設計最高通航水位（Q=4580m3/s）四種工況條件下棗林灣灘河段工程前后水動力情況，對整治方案提出優化建議。