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1、A辑第17卷第3期 水动力学研究与进展 Ser.A,Vol.17,No.32002年6月 JOURNALOFHYDRODYNAMICSJune,2002文章编号:100024874(2002)0320304207平衡纵剖面数值试验X及其对防洪的影响研究邓金运, 李义天(武汉大学水沙科学教育部重点实验室,湖北武汉430072) 摘 要:本文采用一维非恒定流非均匀沙的水沙数学模型,以长江中游螺山汉口河段为背景,进行了概化数值模拟试验,分析了该概化河段平衡纵剖面的变化规律及其与上游来水来沙条件的关系,并和相应的理论公式进行了比较。在此基础上,对水沙条件发生
2、较大变化时的平衡纵比降以及带来的对长江中下游防洪的影响进行了分析。关 键 词:平衡纵剖面;来水来沙;比降;洪水位中图分类号:TV142文献标识码:A1 引言90年代以来,长江中下游地区连续发生大规模的洪涝灾害,荆江、洞庭湖是灾害最严重的区域,洪灾的主要特点是小流量高水位。已有研究在分析造成这种现象的原因时,越来越重视[1]泥沙淤积的作用。由于三口分流分沙的不断减小,进入洞庭湖的沙量减少,相应地进入荆江河段并向下游输移的沙量增加。大量的泥沙在螺山2汉口河段大量淤积,造成目前防洪形势的[2]严峻。河道纵剖面作为河槽的重要组成部分,泥沙的冲淤变化对其有着直接的影响,进而会造成水位的抬
3、升或降低。因此研究该河段的纵剖面变化及其对洪水位的影响对于防洪、航运、水沙灾害机理研究都具有重要的意义。研究水沙运动需要长期的水文、地形资料,现有的理论、公式的应用存在许多不便。如果能合理的去掉次要因素,只保留人们关心的主要因素,将原型近似概化为适当的模型,上述问题将得到解决。在概化模型上,可以使已有的水文学方法、水沙数学模型方法的局限性得到一定程度的克服,从而能使这些相对较成熟的理论和方法能够应用。采用概化模型有时可使问题得到极大的简化而不改变问题的物理本质,某些情况下为一些复杂问题的处理提供新的途径。X收稿日期:2000211222基金项目:国家自然基金委和水利部联合资助重
4、大项目(59890200)作者简介:邓金运(1975～),男,博士。©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.邓金运等:平衡纵剖面数值试验及其对防洪的影响研究3052 一维水沙数学模型的建立[3]一维水沙数学模型所依据的主要方程式的基本公式分别为:水流连续方程:5Q5Z+B=ql(1)5x5t 水流运动方程:25Q5Q5Z+()+gA(+Jf)=qlul(2)5t5xA5x 河床变形方程:5(QS+Bgb)5(AS)′5A++ρ=0(3)5x5t5t 水流挟沙力方程:S3=S3(U,h,ω
5、,⋯)(4) 推移质输沙率公式:gb=gb(U,h,d,⋯)(5) 泥沙连续方程:5(QS)5(AS)+=-αωB(S-S3)(6)5x5t式中x为流程:Q为流量;ql为旁侧单宽入流量;ul为旁侧入流主流流速;z为水位;B为河宽;t为时间;A为过水断面面积;S为含沙量;S3为水流挟沙力;ω为泥沙沉速;α为恢复饱和系数;Jf为能坡。[4]水流方程的求解采用线性化的圣维南方程组。线性化的Preissmann四点偏心隐格式的形式为:f(m)=θ[φ(fj+1+Δfj+1)+(1-φ)(fj-Δfj)]+(1-θ)[φfj+1+(1-φ)fj](7)©1995-2004Tsingh
6、uaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.306水 动 力 学 研 究 与 进 展 2002年第3期n+1n+1nn5fθ(fj+1-fj)fj+1-fj=+(8)5xΔxjΔxj5fφΔfj+1+(1-φ)Δfj=(9)5tΔt式中j表示断面序号;时、空权重因子θ、φ的取值范围为:0.5≤θ、φ≤1.0。通过求解悬移质泥沙连续方程式(6)来求解悬移质的分组含沙量,本文采用李义天的做[4]法,相临时层之间用差分法求解,在同一时间层上求式(6)的分析解。3 概化模型的建立由输沙量法计算可知,螺山2汉口之间一直在淤
7、积,且累积淤积量的增加非常迅速,1954年9到1985年累计淤积了1.8×10t之多。由于缺乏精确的断面资料,对淤积物的分布还没有清[1,2,5]楚的认识,但从螺山一端水位抬高迅速而汉口水位～流量关系基本不变(图1),可以推断淤积物分布是从上游螺山到下游汉口站逐渐递减的,文献[5]也曾设淤积面积由汉口向螺山线性增加。淤积物的这种分布对于此区域的防洪是十分不利的。螺山至汉口河段长200km左右,除在汉口附近有汉江入汇之外沿途无大的支流,可视为单一河段,由于河段淤积迅速,地形资料的收集存在困难,
