不均匀斑状糙率分布下河道水流数值模拟.pdf

2023年第4期水科学与工程技术9不均匀斑状糙率分布下河道水流数值模拟周志华1,余明辉2（1.天津市水利科学研究院，天津3 0 0 0 6 1;2.武汉大学水利水电学院，武汉43 0 0 7 2）摘要：针对行洪河道滩地陆生（水生)植物不均匀分布特点，提出河道水生植物斑状综合糙率赋值方法，运用该方法结合二维水动力数值模拟，计算分析独流减河生态工程实施前后河道行洪能力的变化，验证该方法可行性。结果表明：水生态修复工程建设会雍高河道洪水位，导致河道行洪能力降低，其影响程度和生态修复工程覆盖面积相关，对上游影响比下游大。独流减河设计洪水条件下水位最大雍高值为0.0 6 6 m，发生在河道进口段；流速最大降低0.0 4m/s，发生在沉水植物补种区。关键词：水生植物；斑状糙率；水动力模型；数值模拟中图分类号：TV131D0I:10.19733/ki.1672-9900.2023.04.03Numerical simulation of water flow with uneven patchy distribution of(1.Tianjin Water Conservancy Science Research Institute,Tianjin 300061,China;2.Wuhan University,College of WaterAbstract:According to the characteristics of non-uniform distribution of aquatic plants in floodplain of flood channel,thispaper proposed a method for evaluating the variegated roughness of aquatic plants.Using this method and two-dimensionalhydrodynamic numerical simulation,the variation of flood discharge capacity of the river before and after the implementationof Duliujian River was calculated and analyzed,and the feasibility of this method is verified.The results showed that theconstruction of aquatic ecological restoration project will hold up the flood level of the river channel,resulting in thereduction of the flood carrying capacity of the river channel.The degree of impact was related to the area covered by theecological restoration project,and the impact on the upstream was greater than that on the downstream,Under the designflood conditions of the Duliujian River,the maximum backwater level was 0.066 m,which occurred at the river entrancesection;the maximum flow velocity decreased by 0.04 m/s,which occurred in the submerged plant replanting area.Key words:aquatic plant;variegated roughness;hydrodynamic model;numerical simulation近年来，为改善河湖景观水体水质，我国各省市相继实施大量水生态修复工程，采取较多的措施为恢复河湖水生（陆生)植物、修复建设天然和人工湿地等。水生(陆生)植被一方面可净化水体,在防止水流对河岸侵蚀及维持河床稳定等方面起着重要作用；另一方面，植被增加河床阻力，使水流平均流速减小，降低河道防洪除涝能力。自2 0 世纪初期开始，人们开始关注含植物河道的水动力特性，研究水流和水生植物间相互作用力及水生植物影响下的流场结构,揭示水生植物的阻水特性,并相应开展一系列含植物河道的糙率研究。Ree和Palmer11指出,水流流经柔性植物的渠道实际上是一个动边界问题，水收稿日期 2 0 2 3-0 1-0 9【作者简介 周志华（19 8 0 一），,女（汉族），湖北宜昌人，高级工程师，主要从事防洪减灾、山洪灾害防治等方向研究。E-mail:zzh_文献标识码：BroughnessZHOU Zhihua,YU Minghui?Conservancy and Hydroelectric Power,Wuhan 430072,China)文章编号：16 7 2-9 9 0 0(2 0 2 3)0 4-0 0 0 9-0 4流和植物的柔韧度是决定特定植物对水流阻力时的主要参数。Kouwen2基于大量水槽试验，提出含淹没柔性植物水流的阻力计算关系式。国内含植物水流糙率研究方面起步较晚。吴福生3 发现含刚性植物水流的曼宁糙率系数随淹没深度增大而增大，含柔性植物水流的曼宁糙率系数随淹没深度的增加而减小。姬昌辉4 研究植物布置间距和淹没深度对曼宁糙率系数的影响，根据量纲分析给出简单计算糙率系数的经验公式。唐洪武5 基于动量平衡模型对含淹没刚性植物水流试验数据进行综合分析，得出植物群的阻力系数经验公式。刘彦东6 利用理论分析和数值模拟方法对含柔性植物的河道水流和含刚性10植物的河道水流进行研究，提出植物对河道水流拖力计算的通用公式，并对含柔性沉水植物河道水力特性进行三维数值模拟。朱红钧7.8 采用室内水渠试验开展生态型河道水流特性试验研究，分析其对水流影响和对水体净化效果。由于水生态修复工程的实施，河道的阻力特性、水流结构特征较传统的河工型河道发生很大改变。研究水生态修复工程对河道泄流能力的影响，在河流生态修复、河道整治及防洪除涝等方面具有重大意义。由于行洪河道滩地水生(陆生)植物种类不一，分布不均匀,所以河道综合糙率值很难确定,这在一定程度上加大河道水力计算的难度。对于植物生长区域，若不考虑植株间局部流场，只是计算河道沿程水面曲线和流场变化情况，可将植物区域视为加糙区,结合不同水生(陆生)植物的空间分布,赋予植物特定的糙率值，从而整个河道糙率就类似斑块状，即“斑状糙率”。1水生植物斑状糙率附加1.1等效附加糙率水生植物对河道泄洪的影响主要体现在植物对水流阻力作用,可用植物的等效附加糙率表征，即：实际河道糙率=不含植物的河道糙率+植物等效附加糙率。植物等效附加糙率示意如图1。水流方向植物H()图1植物等效附加糙率示意图对于水生植物等效附加糙率，委托天津大学采用室内试验的方法，选取滩地真实植物（灌木、乔木、芦苇、草），并施加实际河道流速条件开展了无植物组和有植物组共计53 组水槽试验。通过试验研究分区水体中的植物阻力,并将各分区的植物阻力合成，换算得到不同植物、不同淹没水深条件下表征等效床面阻力的等效床面糙率9 。水生植物阻水试验情况此处不详述。结果表明，植物阻水效果由大到小依次为芦苇 灌木 草 乔木，试验水槽布置、灌木组布置及量测断面分布情况分别如图2，图3。灌木组等效附加糙率计算结果如表1。进水试验段尾门泄水槽图2 试验水槽布置示意图周志华，等：不均匀斑状糙率分布下河道水流数值模拟控制断面无植物组灌木组综合等效附加流速/(m/s)水深/cm400.63020600.44020600.34020根据河道中植物淹没状态，按照植物近壁面层和上部流速较均匀层等效切应力叠加，按照式(1)计算得到总的等效附加糙率n。22H,1/3u,nn=(1+H2u式中n为相应水流条件下的综合等效附加糙率;H为近壁面植物层高度；H2为流速分布较均匀植物层高度；u为平均流速；ui为植物层近壁面部分平均流速；2 为流速分布较均匀植物层平均流速；ni为近壁面植物层单位等效附加糙率；n2为流速分布较均匀水流方向植物层单位等效附加糙率。HH(a)Drop等效附加糙率几稳水栅2023年第4期11#110#19#18#17#16#15#14#13#12#第丰株灌木第四株润木第三株灌木纳二株灌木第一株鼠木5-55-245-1年流速测量投断面下游斜坡段L100180图3 灌木组布置及量测断面分布情况表1灌木组等效附加糙率计算结果试验平均糙率0.0190.0220.0280.0240.0260.0320.0270.0300.040H/3u2n21+H,H.王Drop11#水面线测量断面水流方向?试验段21021012001.2典型行洪河道等效附加糙率独流减河位于天津市南部，是大清河系洪水的主要人海尾间。近年来，河道实施了生态堤岸和宽河槽湿地改造工程。其中生态堤岸工程沿河道两岸全程绿化,宽度10 0 3 0 0 m不等，滩地临水处栽植千屈菜、芦苇、香蒲等挺水植物，滩地至堤坡脚栽植火炬树，堤坡以毛白杨、刺槐等乔木为主进行绿化,打造了6 7 km连续景观生态走廊。湿地改造工程位于宽河槽十里横河以西范围，总面积3 0.7 4km,由近自然表流湿地和兼氧稳定塘组成，近自然表流湿地植物以现有挺水植物为主,芦苇为绝对优势种,兼氧稳定塘植物配置以沉水植物为主，包括狐尾藻、金鱼藻、齿眼子菜、黑藻和草。通过对独流减河设计洪水条件下沿程淹没情况和水流特征计算，本次沿河道横断面对水体分块，对每一块含植物水体进行水槽试验，研究各分块植物对水流的作用,最后将各分块作用合成，得到相应水流条件下的不同植物等效附加糙率。上游斜玻段210L210糙率0.0490.0560.0650.0520.0590.0720.0570.0640.0811/2222u180100单位：cm糙率0.0300.0340.0370.0280.0330.0400.0300.0340.041(1)出口2023年第4期由于水生植物沿河道平面分布不均匀，呈现斑状特征，因此水流条件相近且种植同种植物的区域可选用相同的等效附加糙率，在无植物河道糙率的基础上增加植物等效附加糙率,即斑状糙率附加。2二维水动力数值模拟搭建平面二维水流模型，运用斑状糙率法，分别计算独流减河生态修复工程实施前后水面线和流速分布，分析生态工程对行洪的影响。2.1平面二维水动力模型基本方程a(hu)(hu)=0z+ot(hu)+(hu)(huw)+gh十yatxuuPuhx2y2=0a(hu),(huw),(hu2)+gh+atT，wyP从式中z为水位;t为时间;h为水深;u,分别为,y方向的垂线平均流速；g为重力加速度；C为谢才系数;,为紊动黏性系数;Tux，T a u y 分别为x,y方向的水面风应力分量，可用式(5）、式(6)计算：Tu=CopaWcosTun=Co paW2sin式中Co为风应力拖曳系数;pa为大气密度;W为风速，一般取水面以上10 m处的风速值;为风向与x坐标的夹角。2.2求解方法平面二维数学模型采用有限体积法，该方法优点能很好地保证水动力模型中水量和动量守恒，通量求解采用自动迎风格式及采用交错网格存储变量，即主网格点上布置水位等标量，而将流速变量布置在主网格点交界面上，以解决水位波动问题。采用贴体坐标网格法划分离散单元。2.3边界条件及网格划分(1)地形条件。根据现有地形资料,对于河道较为顺直河段,1km插值一个断面，河道宽阔段每隔500m插值一个断面，同时剔除河道左右堤岸外的地形点，以减少网格捕捉地形点高程时对河道内侧地形点高程的影响,共输入117 40 个地形高程点。周志华，等：不均匀斑状糙率分布下河道水流数值模拟(2)ayuV/u?+u2+gxzu?+u2+gxdydy2=011(2)网格划分。以地形资料中给出的河流两岸边界作为计算边界范围，结合给出的特征桩号断面位置，将计算域生成正交网格，共计生成7 3 0 3 5个网格，网格模型如图4。同时独流减河在计算河段内有12座跨河大桥，由于桥墩存在阻水情况，因此将桥墩阻水面积转化为不过水网格单元，根据桥墩直径与每个网格尺寸的大小关系，将桥墩直径较小的不过水网格作为单格，桥墩直径较大的不过水网格作为双格。不过C2水网格设置如不过水网格设置(单格）不过水网格设置(双格)图5。图5不过水网格设置(3)(3）边界条件。上游边界为进洪闸设计流量3600m/s，下边界为工农兵防潮闸上设计水位。xC2进口图4独流减河二维模型网格(4)计算参数。针对河道滩地现状水生(陆生)植(4)物情况并结合室内水槽试验结果，分别赋予每个网格相应的综合等效糙率,形成斑状糙率分布。2.4模型验证对独流减河生态修复工程实施前设计工况进行模型验证，河道沿程水面线验证部分结果如表2。各(5)位置计算水位与设计值绝对误差均小于0.0 2 m,N-S(6)效率系数为0.9 9 8,E值无限接近于1,该模型可信度高。从计算流速分布图和流场图看，河道流场分布均匀，河道流态平顺过度，河槽流速相对较大，河滩流速相对较小，即现状图6 生态工程实施前河道流场分布表2 模型验证水面线结果桩号位置0+382进洪闸下2+174津涞公路桥9+609西琉城桥12+229京沪高铁桥28+406团泊大桥33+255津汕高速公路桥43+255西千米桥46+266黄万铁路桥61+835东千米桥65+006吹灰管线桥设计水位/m计算水位/m6.296.316.266.286.076.095.996.015.635.635.505.525.265.275.205.184.564.584.334.32偏差/m+0.02+0.02+0.02+0.020.00+0.02+0.01-0.02+0.02+0.0112中生态堤岸绿植和芦苇等水生植物的存在会增加水流阻力，降低流速；水流遇桥墩产生绕流；湿地放宽段水流流速大幅度降低。生态工程实施前河道流场分布如图6。由上述结果可看出，河道设计水位与计算水位吻合情况良好，河道流态平顺过渡，河槽流速相对较大，河滩流速相对较小，计算结果能反映水动力一般规律。建立的二维水动力数学模型能用于计算生态修复工程设施建设前后水面线和流速分布，分析生态工程对防洪除涝影响。3生态工程实施后对河道行洪影响3.1计算方案针对独流减河水生态修复工程，运用斑状糙率附加法和二维水流模拟模型，分别计算工程实施前后河道水面线和流速分布，分析河道行洪能力变化情况。计算区域进口流量3 6 0 0 m/s。生态工程实施后的附加糙率值运用天津大学试验成果。工况1：生态修复工程前，即沿河道两岸没有布设生态堤岸工程，宽河槽湿地保持现有“挺水植物区”。工况2：生态修复工程后，即沿河道两岸布设生态堤岸工程，宽河槽湿地保持现有“挺水植物区”+“沉水植物补种区”。3.2计算结果3.2.1水位变化工况2 水位高于工况1，即水生态修复工程的实施，包括修筑生态堤岸，增设沉水植物会雍高河道洪水位,水位最大雍高为0.0 6 6 m，发生在计算范围内河道最上游断面。到河道末端出口工农兵防潮闸位置，水位差逐级降低为0。两种工况水面线对比如图7。76u/43-10图7两种工况下独流减河水面线对比3.2.2流速变化工况1宽河槽湿地范围内流速在0.15m/s以内，其余河段主槽流速为0.51 0.8 5m/s,滩地流速0.1m/s左右。工况2 下河道桩号0+0 0 0 43+0 0 0 和6 2+0 0 0 67+000河段主槽和滩地流速比工况1流速降低周志华，等：不均匀斑状糙率分布下河道水流数值模拟水电科学研究院，2 0 0 9.4姬昌辉，洪大林，丁瑞，等.含淹没植被明渠水位及糙率变化试验研究J.水利学报,2 0 0 7,3 8（11：13 47-13 53.5唐洪武,闫静,肖洋,等.含植物河道曼宁阻力系数的研究J.水利学报,2 0 0 7,3 8(11)：13 47-13 53.1030距离/km2023年第4期0.010.02m/s,宽河槽湿地范围内，工程后靠右岸部分区域较工程前流速提高0.0 2 0.0 3 m/s,左岸沉水植物补种区域流速降低0.0 4m/s左右，整体变化不大。综上，实施生态修复工程后，会阻碍河道泄洪，降低河道流速，其影响程度和生态修复工程的覆盖面积呈正相关关系，对上游影响比下游大。4结语(1)将实际河道糙率分为不含植物河道糙率和植物等效附加糙率两部分。通过水槽试验研究分块植物对水流的作用,然后将各分块作用合成，得到相应水流条件下的植物等效附加糙率。(2)结合室内水槽试验结果，通过等效切应力叠加，得到独流减河行洪水深相应流速条件下植物等效附加糙率，相同流速条件下n芦n 灌木n章n乔木。由于水生植物沿河道平面分布呈现斑状特征，因此水流条件相近且种植同种植物的区域可选用相同的等效附加糙率，即斑状糙率附加。(3)利用平面二维水动力模型,对独流减河生态工程实施前后的河道进行数值模拟。结果表明：水生态修复工程建设会雍高河道洪水位，也会导致流速相应降低，其影响程度和生态修复工程覆盖面积相关，对上游影响比下游大。设计洪水条件下，河道水位最大雍高值0.0 6 6 m，发生在河道进口段；流速降低最大0.0 4m/s，发生在沉水植物补种区。参考文献：1jReew O,Palmer V J.Flow of Water in Channels Protectedby Vegetative Lining R.Tech.Bull.967.U.S.Dept.ofAgreulture Soil Conservation Service.Washington.D.C.1949.2Kouwen N,Li R M,Simons D B.Flow resistance in vegetativeroughness on floodplains J.ASCE,1981,24(3):684-698.3吴福生.含植物明渠水动力特征研究D.南京：南京水利50706刘彦东.植物对河道水流特性的影响研究D.天津：天津大学，2 0 14.7朱红钧.凤眼莲生态型河道水流特性试验研究D.南京：河海大学,2 0 0 7.8朱红钧.生态河道种植圈对对水流水力特征的影响J.水利水运工程学报，2 0 0 7(1)：3 1-3 5.9高学平，吕建璋,孙博闻，等.含植物河道等效床面阻力试验研究J.水利学报,2 0 2 1,52(9):10 2 4-10 3 5.（责任编辑：王艳肖）