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1、第16卷第6期水科学进展Vol16,No62005年11月ADVANCESINWATERSCIENCENov.,2005长江中下游水沙数值模拟研究122施勇,栾震宇,胡四一(1河海大学,江苏南京210098;2南京水利科学研究院,江苏南京210029)摘要:根据长江中下游水沙运动特征,采用水动力学、河流动力学和数值模拟技术相结合的技术途径,建立了一、二维混合的非恒定流非均匀沙非平衡输沙的数学模拟模型,对长江中下游干流、河网区和洞庭湖水沙运动及其河床变形进行了数值模拟,并在水沙模拟的范围内着重对河网
2、区内水沙动边界的处理、河网汊点分流分沙计算模式、动床阻力和河湖交换模式等问题进行了讨论,提出了解决问题的途径和技术处理方法。为了验证模型的适应性和有效性,采用1981年至1989年10年长江中下游水文资料对所建模型进行了检验,模拟结果较好地反映了长江中下游干流、河网区和洞庭湖水沙输运特征和河道冲淤的宏观效应。关键词:长江中下游;水流泥沙;数值模拟中图分类号:P3335文献标识码:A文章编号:10016791(2005)06084009长江中下游水沙运动的主要特征是水流和泥沙运动复杂。其复杂性主要
3、表现在各区域各环节的水沙运动规律不同和长江中游江湖水沙联通关系复杂:水沙往复运动,长江中游河网区内因不同洪水典型组合而引起横向河道如官垸河段的双向水位差,产生往复流。相应于水流运动,泥沙也表现出复杂的往复输运特征。三口分流分沙计算。随着长江干流洪水涨落变化,三口的分流分沙也发生变化,如果三口水沙分配计算不准确,三口分沙模式欠合理,将难以保证洞庭湖区沙量平衡,从而可能导致长江中游江湖水沙计算失稳。河网汊点分流分沙比计算。随着洪水涨落变化,汊点分流分沙比也随之变化。如果河网区汊点水流分配计算不准确,汊点分沙模式欠合理
4、,将难以保证汊点沙量平衡,从而可能导致汊点分流分沙计算失稳。其具体数值过程为若某一支流的过流量模拟偏小,则该支流流速减缓,泥沙落淤,河床抬高,而河床抬高又使得该支河流过流量进一步减小;与该汊点联结的另一支流的过流量则模拟偏大,河床冲刷,从而过流量计算值进一步增加,进而可能导致模拟计算失稳。河网区动边界。荆江三口分流洪道以及洞庭湖河网区的某些河道,在枯水期河道河底高程或河道中的沙坎高程高于水面,河道不过流;洪水期水位高于河底高程或沙坎,河道过流。随着洪水位的涨落,沙坎时隐时显,形成动边界。动边界模拟涉及沙坎的变形计算,
5、并对整个河网区水沙运动的模拟产生影响。在一维河网计算中若沙坎露出水面则该河段不过流,因而需要改变节点数目和删减河段,势必要改变河网结构,数值处理相当复杂。动床阻力,长江中下游干流和河网区影响河道阻力的因素众多,其规律难以确定。河道阻力不仅与冲积性河流所涉及的河道断面形态、断面沿程变化、河床泥沙粒径大小和分布以及河床冲淤变化等因素密切相关,而且还受洪水涨落率、河道流量大小和下游河道的水位顶托等因素影响,呈现出复杂的时空变化。河道断面冲淤,河道断面冲刷计算现有理论距实际应用还有相当的距离。但河道断面的冲淤变化涉及河道过
6、流断面面积的变化,因此,断面的冲淤计算对河道的行洪能力变化具有重要作用。一般情况采用冲淤量沿横断面湿周内等厚度淤积,冲刷时则限制在稳定河宽范围内。但这种计算模式只能给出断面冲淤变化的宏观效果,不能分辨冲槽淤滩的物理过程。收稿日期:20040901;修订日期:20041102基金项目:水利部科技创新项目(scx200215);水利部国科司资助。作者简介:施勇(1964-),男,江苏南通人,教授级高级工程师,主要从事河流动力学和海洋动力学研究。Email:mrshiyong@263net第6期施勇等:长
7、江中下游水沙数值模拟研究841本文的目的在于以长江中下游防洪系统为对象,根据长江中下游水沙运动特征,尝试建立长江中下游防洪系统一、二维混合非恒定流非均匀沙数学模型,进行长江中下游水沙运动和河床变形的数值模拟,其中一维河[1,2]道、河网水沙算法和二维无结构网格水沙算法参考文献,本文重点在水沙模拟的范围内着重对所建模型中值得注意的上述难题及其解决途径和方法加以讨论。1长江中下游水沙运动规律和水沙运动算法11水沙运动规律长江中下游水沙量年内分配很不均匀,年降水量主要集中在雨季5~10月,约占全年的70%~90%,在汛
8、期5~10月径流量占全年79%。沙量则更集中在汛期,悬移质输沙量占全年954%。在考虑洪水传播时间下,宜昌至大通沿程含沙量过程峰谷对应,流量与含沙量时间过程峰谷一致见图1,说明长江中下游具有水多沙多、水少沙少,沙量随水量增减而增减。荆江河段输沙量沿程递减,荆江河段南岸三口分流分沙也沿程递减。受下荆江载弯工程,江湖关系调整变化和上
