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1、第37卷第3期河海大学学报(自然科学版)Vol.37No.32009年5月JournalofHohaiUniversity(NaturalSciences)May2009DOI:10.3876/j.issn.1000O1980.2009.03.003大通至长江口整体水动力模型1,2113欧剑,马进荣,张行南,张晓艳(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210098;2.浙江水利水电专科学校水利系,浙江杭州310018;3.广东省水利水电科学研究院河港所,广东广州510610)摘要:为更好研究长江大通以下河段的水动力特性,建立了大通至长江口感潮河段的二维水动力数
2、学模型,模拟了径流和潮汐共同作用下的河道水位与流量、河汊分流比及长江口水域的流态.在整体水动力模型的基础上,采用嵌套技术建立了镇扬河段工程区局部数学模型,整体模型为局部模型提供边界条件,局部模型采用精细网格进行工程计算.以高资港区码头工程为例,对工程建设前、后不同水文条件下水位、流场变化进行了数值模拟.计算结果表明,工程建设对河段的水利规划、堤防和行洪安全、河势不会带来明显不利的影响.关键词:水动力模型;平面二维模型;正交曲线网格;嵌套网格;防洪评价;长江口中图分类号:TV131.2文献标识码:A文章编号:1000O1980(2009)03O0258O05洪水是一种非恒定流不连续波运
3、动.自圣维南方程组问世以来,国内外学者对河道洪水波尤其是洪水演[1O3]进数值模拟研究进行了有益的探索.文献[4]建立了珠江三角洲大系统水动力模型,文献[5O8]建立了能适应复杂情况的一二维嵌套的非恒定流模型.目前,天然河道的洪水数值模拟研究及工程应用已取得了长足[9O10]的进展,但对于地形地貌复杂、断面形态沿程变化大、计算河段特别长的情况,模拟难度仍较大.长江大通以下河段受径流、潮流、风暴潮等多方面共同作用,河口段河床冲淤多变,主槽摆动频繁.目前,[11O13]长江口呈三级分汊、四口入海的格局,在近年来外界条件的影响下出现了新的变化特征.研究这些动力机制,对于感潮河段和河口的水流
4、泥沙运移规律、河床变形、防洪减灾、水环境和深水航道的治理等均具有重要意义.为能更准确地模拟该河段水动力特性,针对感潮河段洪水传播特点,本文建立了大通至长江口感潮河段的平面二维水动力数学模型,对贴体正交曲线坐标系下的水流方程,采用ADI法对模型进行了验证计算.与此同时,以镇扬河段高资港区码头工程为研究对象,采用嵌套技术建立了工程区局部数学模型,对工程建设对水动力环境的影响进行了模拟研究.1数学模型1.1基本方程在宽阔水域,水流的流动已具有二维性质,本文研究以平面二维数学模型进行概化求解.在贴体正交曲线坐标系下,其水流基本方程如下:连续方程为5F155+(DuCG)+(DvCN)=0(1
5、)5tCNCG5N5G动量方程为5C25uu5uv5uuvNv5CG+++-=5tCN5NCG5GCNCG5GCNCG5N收稿日期:2008O06O26基金项目:河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放研究基金(2008491211);教育部博士点基金(20060294002);浙江省自然科学基金(Y507710)作者简介:欧剑(1972)),男,湖南衡阳人,副教授,博士研究生,主要从事水文水资源研究.第3期欧剑,等大通至长江口整体水动力模型259g5F15A15Bgu22fv-+EN--2u+v(2)CN5NCN5NCG5GCD5C25vu5vv5vuvGu5CN+++-
6、=5tCN5NCG5GCNCG5NCNCG5Gg5F15B15Agv22-fu-+EG+-2u+v(3)CG5GCN5NCG5GCD155155其中A=(CGu)+(CNv)B=(CGv)-(CNu)CNCG5N5GCNCG5N5G式中:F)))水位;D)))总水深,D=F+h(h为水深);N,G)))正交贴体坐标的纵横向计算网格方向;u,v)))沿N,G的水流速度分量;t)))时间;CN,CG)))拉梅系数;f)))科氏力系数;EN,EG)))水平涡黏扩11/6散系数;C)))谢才系数,C=(h+F);n)))曼宁系数;g)))重力加速度.n1.2模型范围及网格剖分感潮河段的水动力
7、模型须正确反映径流与潮流动力的相互作用,潮汐动力边界与径流边界均应不受彼此动力影响.本文计算,上边界取在大通附近,距离长江口门约620km,长江口外海边界取三面开边界,其中东边界在鸡骨礁与绿华山之间,南边界在卢潮港附近,北边界在连兴港以北约28km一线.外海开边界位置[14]的选定已考虑边界典型潮位等因素,由东中国海模型提供天文潮边界.整体模型网格剖分采用变步长技术,加密区与非加密区空间步长渐变,模型网格数横纵向总数为385@674,徐六泾以下网格步长在1
