弯曲河道对水流流态影响数值模拟 Numerical simulation of flow pattern in meandering rivers.pdfVIP

水 利 学 报 2013年9月 SHUILI XUEBAO 第44卷 第9期 文章编号：0559-9350（2013）09-1050-08 弯曲河道对水流流态影响数值模拟 史 莹 ，江春波 ，陈正兵 ，王英奎1 1 1 2 （1. 清华大学 水利水电工程系，水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084； 2. 长江勘探规划设计研究院，湖北 武汉 430010） 摘要：蜿蜒型河流是冲积平原常见的河型之一。针对具体河流的特定自然条件，需要对不同河道形态下的河道特 性做出预测，以便选择和调整相应方案。采用集水动力模块、泥沙输运模块、污染物运移模块和水质预测模块为 一体的环境流体动力学模型，利用计算机进行数值模拟，对京郊某弯曲河道3种河道形态在 50年一遇洪水过程 下进行数值模拟，在此基础上对3种工况下河道的水流特性进行分析，发现工况一弯道处凸岸流速先增加后减 小，凹岸流速先减小后增大，凹岸水位明显高于凸岸水位；工况二两岸流速分布较为对称，叉道起到分洪滞洪作 用；工况三两岸水流摆动现象不如工况一明显，衬砌工程量较小，并提出相应河道保护措施。 关键词：数值模拟；EFDC模型；弯曲河道；河道保护 中图分类号：TV143 文献标识码：A 1 研究背景 蜿蜒型河流多由一系列的连续畸弯组成，是冲积平原上最常见的河型之一，但同时也带来泄洪 ［1-5］ 不畅、航道碍航、浅滩众多和河岸崩塌等一系列问题 。因此，弯曲河道形态对河道水流流态的影 响研究是十分有意义和有必要的。由于具体河流的地理地质条件和自然条件不同，需要对不同弯曲 形态下的河道特性做出预测。此时，数值模拟就成为一种方便可靠的工具。20世纪70年代以来，随 着计算机性能的不断提高，以计算水动力学、泥沙运动力学与河床演变学等学科为基础的水流泥沙 ［6-9］ 数学模型得到了很大发展，它是预解决实际工程问题的重要手段 。 环境流体动力学模型（EnvironmentalFluidDynamicsCode，以下简称EFDC）最早是由美国弗吉尼 亚州海洋研究所Hamrick等根据多个数学模型集成开发研制的综合模型，集水动力模块、泥沙输运模 块、污染物运移模块和水质预测模块一体，可以用于包括河流、湖泊、水库、湿地和近岸海域一 ［10-14］ 维、二维和三维物理、化学过程的模拟，已在国内外有多例应用 。 本文结合北京平谷新城区规划，通过EFDC（EnvironmentalFluidDynamicCode）对研究区域的河段 水流进行数值模拟，同时从河流演变和治理的角度对不同规划方案下的河道演变趋势进行分析。 2 计算模型 2.1 理论模型 EFDC的水动力部分采用平面上曲线正交的坐标系以及sigma扩展垂向的坐标系，采 ［15］ 用静水压力假定和Boussinesq近似，其水动力控制方程表达式如下 ： ∂ m m H ∂ m H u ∂ m Hv ∂ m m w ( x y ) ( y ) ( x ) ( x y ) + + + = 0 （1） ∂t ∂x ∂y ∂z 收稿日期：2013-04-15 基金项目：国家自然科学基金资助项目；清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室基金（2013-KY-3） 作者简介：史莹（1988-