四岛型群汊河道二次流特性研究.pdf

2023年第4期水文水资源水科学与工程技术四岛型群汉河道二次流特性研究1纪伟1.2（1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙410 0 14；2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，南京2 10 0 9 8摘要：开展四岛型群汉河道的二次流特性研究是河道整治、取水建筑物设计及污染物混合运移预测等工程建设和水环境保护实施的基础。选取天然河道中四岛型群汉河段，建立四岛型群汉河道物理模型试验系统，在四岛型群汉段布置2 6 个测量断面，详细测量各断面7 个不同水深处的三维水动力参数。通过探讨断面二次流方向、大小与分汉岛相对位置和进人汉道水流流速之间的关系，分析四岛型群汉河道的二次流分布特征。基于各汉道断面测点的横向、纵向流速，计算断面二次流强度值并对四岛型群汉河道各汉道二次流强度的特点进行分析。结果表明：四岛型群汉河道的二次流方向和大小由分汉岛之间的位置关系与进入汉道水流的平面流速分布共同决定，二次流强度较大区域集中在汇流区、分流区及汉道曲率变化较大处。关键词：四岛型群汉河道；分汉岛；二次流分布；二次流强度中图分类号：TV133D0I:10.19733/ki.1672-9900.2023.04.01The characteristics of secondary flow in the multi-anabranch river with(1.Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited,Changsha 410014,China;2.Key Laboratory of IntegratedRegulation and Resource Development on Shallow Lakes,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China)Abstract:The research on the secondary flow characteristics of the multi-anabranch river with four braid bars is the basisfor the engineering construction and the implementation of water environment protection,such as river regulation,waterintake structure design,and prediction of pollutant mixing and transport.The physical model test system of the multi-anabranch river with four braid bars is established by selecting the multi-anabranch reach with four braid bars in thenatural river.26 measuring sections are arranged in the multi-anabranch reach with four braid bars,and the three-dimensional hydrodynamic parameters of 7 different water depths of each section are measured in detail.By discussing therelationship among the direction and size of the secondary flow in the cross section and the relative position of braid barsand the velocity of the flow entering the branch,the distribution characteristics of the secondary flow in the multi-anabranch river with four braid bars are analyzed.Based on the transverse and longitudinal velocity of measuring points onthe cross section of each branch,the secondary flow intensity value of the section is calculated and the characteristics ofthe secondary flow intensity of each branch in the multi-anabranch river with four braid bars are analyzed.The results showthat the direction and size of the secondary flow in the multi-anabranch river with four braid bars are determined by theposition relationship among braid bars and the plane velocity distribution of the flow entering the branch;The areas withhigh secondary flow intensity are concentrated in the confluence area,the distributary area,and the places where thecurvature of the branch changes greatly.Key words:the multi-anabranch river with four braid bars;braid bars;secondary flow distribution;secondary flow intensity对天然河道的水流运动特性开展研究，可为河道整治、河道泥沙输运预测、取水建筑物设计、污染物混合运移预测等提供科学依据。顺直、弯曲、单岛双汉型、四岛型群汉等各种典型天然河道的二次流与水流运动各有特点，目前文献中对顺直、弯曲、单收稿日期 2 0 2 2-11-15【基金项目 国家自然科学基金（面上项目)资助项目(50 9 7 9 0 2 6)【作者简介 纪伟(19 8 0）,男（汉族）,湖南长沙人，高级工程师，主要从事河道水力学与智慧水利研究。E-mail:文献标识码：Bfour braid barsJI Weil2岛双汉型河道的水流运动特性研究较为常见，而作为典型天然河道之一的四岛型群汉河道的二次流与水流运动特性却少有研究见诸文献。关于顺直河道、弯曲河道、单岛双汉型河道二次流和水流运动的研究均有较多的文献报道。对于顺文章编号：16 7 2-9 9 0 0(2 0 2 3)0 4-0 0 0 1-0 42直河道水流的相关研究，例如：基于LDA的测量数据,Nezu等1-2 注意到当宽深比大约小于5时,明渠中心线上最大流速发生在自由表面以下。Shiono和Knight3对顺直明渠紊流中三维流速分布进行数值模拟研究，该数值模拟结果可用来重现垂向平均流速沿横向的分布。对于弯曲河道水流特性的相关研究，刘月琴和万艳春4 根据试验数据，分析弯道水流的紊动特性，得出弯道水流纵向相对紊动强度的数学表达式，对弯道水流纵向、横向及垂向的紊动强度分布特点进行比较。为研究连续弯道中的水流运动，特别是过渡段水流问题,吴华莉等5 对正弦派生曲线、梯形断面的连续弯曲河道开展物理模型试验,发现弯顶中垂线水流横向环流随流量、水深的增大而增大。Blanckaert等6 为研究弯道中二次环流的规律推导出一个非线性数学模型，它能再现下游流速垂向分布和二次环流随曲率增大而衰减的过程。对于单岛双汉型河道水流特性的相关研究,童朝锋7 进行分汉角为3 0 的分汉口三维水流特性试验研究，对表层和底层平面流场的差异性进行分析，同时发现主河道和支汉在横断面上存在两个方向相反的环流。吴迪等8 通过试验研究复式断面Y形交汇河道的水流特性,根据试验结果分析，水流漫滩后,水深变化较大的地方位于滩槽交界面附近，且水面出现大小不一的旋涡。4个分汉岛的存在，使得四岛型群汉河道被分汉岛分割成两级形态各异的多股汉道，其二次流与水流运动特性比顺直、弯曲、单岛双汉型河道更为复杂。然而目前对于四岛型群汉河道二次流特性还缺乏系统研究，本文通过四岛型群汉河道的物理模型试验系统，得到各汉道中关键断面的三维水动力参数，并从二次流分布特征、二次流强度两个方面进行分析讨论,来揭示四岛型群汉河道的二次流特性。1物理模型试验装置与工况为便于研究，对天然四岛型群汉河道分汉岛的形态进行概化，对四岛型群汉河段开展物理模型试验研究。模型试验安排在一个特制的水槽中进行，水槽全长2 5m,可进行1变坡。除了水槽中间段,其余部分保持为宽0.5m、高0.6 m的直槽。试验测量段由主河道、群汉段两部分组成。各汉道的横断面均为矩形，主支汉的纵坡均为0.2%。四岛型群汉河道的物理模型试验系统的平面布置如图1。试验中，水槽流量由进口阀门、电磁流量计及量水堰共同控制，平水头水箱处于一定高度以保证水头恒定。四岛型群汉河道被4个分汉岛M1,M2,M3纪伟：四岛型群汉河道二次流特性研究和M4分割为10 条汉道(B1B10),分汉点为P1,P2,P3,P4。为详细掌握群汉河道二次流特性，在四岛型群汉河道中分别布置2 6 个测量断面（S1S26），图2 为四岛型群汉河道的试验测量断面布置图。试验中各横断面的垂线量测条数根据汉道宽度而有所变化，每条垂线上设置7 个垂向测点，间隔为2 cm。河道水深H0固定为14.5cm，并选取2 种不同的上游来流量,即工况1:9.6 L/s、工况2:4.8 L/s。储水池兑水泵平水头水箱人流电磁流量计孔板格栅玻璃水槽图1四岛型群汉河道物理模型试验系统的平面布置示意图S7BIS4$2上游S1S3B356图2 试验测量断面布置图试验采用美国SonTek公司进口的16 MHz声学多普勒流速计MicroADV测量水流的水动力参数。MicroADV在每个测点以2 5Hz频率采样45s，每点共有112 5个瞬时数据。2四岛型群汉河道二次流分布特征分析四岛型群汉河道的二次流分布非常复杂，每个汉道的断面二次流方向均不同，有些断面存在环流，而有些断面二次流杂乱，不存在环流，与顺直河道、弯曲河道、单岛双汉型河道之间均存在较大差异。选取四岛型群汉河道的断面S7,S8,S18,S19的二次流分布进行分析。流速用主河道断面平均流速V。无量纲化,3 个时均流速分量分别为u=u/Vo、u=u/Vo、w=w/Vo。无量纲化的y,z坐标分别用y（y=y/Bo）、z(z=z/Bo)表示,B。为主河道宽度。两种工况的断面二次流分布如图3。汉道B1位于分汉岛M2与左岸之间,汉道B1有一个向左的偏转角，使得断面S7的平面流速矢量向左偏，所以断面右半部分二次流从右向左流动。断面左半部分平面流速矢量非常小,形成回流区,因此出现一个顺时针环流。位于分汉岛M1与M2之间的汉道B2略向左偏转，从而汉道B2中的平面流速矢量向左偏，造成断面S8的二次流从右向左流动。2023年第4期V型量水堰四岛型群汉河道模型汉品MP分汉岛MAP2P1分汉岛HP3511515B7518S10B451255 B2S8B561S16B8S19B6514S9517B9520P4出流分汉岛M3523S25F26下游S21B10S24下52 2尾门2023年第4期Referencevector0.2 unit0.250.230.150.130.0500.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4断面S7二次流(工况1)0.2510.20.150.10.0500.050.10.150.20.25 0.30.35 0.4 0.450.5断面S8二次流(工况1)0.2510.210.150.10.05号00 0.015 02023 0303 040.45 05 055 06065 07075断面S18二次流(工况1)0.250.20.150.130.050.10.150.20.250.30.350.40.45 0.5断面S19二次流(工况1)图3 四岛型群汉河道的断面二次流分布汉道B7位于分汉岛M4与左岸之间，进入汉道B7的平面水流向左偏转，中层和底层向左偏转的角度较大,表层较小,所以断面S18中层和底层的二次流从右向左流动，表层的二次流很小且从左向右流动,在断面中层与表层之间形成一个顺时针环流。由于位于分汉岛M3与M4之间的汉道B8断面逐渐缩小，迫使平面流速矢量向中心集聚，造成断面S19的右半部分二次流从右向左流动，左半部分二次流从左向右流动，且在中间区域形成一个逆时针环流。3四岛型群汉河道二次流强度分析二次流强度表示为横向流速与纵向流速的比值，用以描述各汉道的二次流强度差异。以全断面的横向流速与纵向流速之比来衡量二次流强度：(1)式中n是断面内布置的测点数。四岛型群汉河道在工况1和工况2 条件下，断面二次流强度分布区间如表1，四岛型群汉河道各纪伟：四岛型群汉河道二次流特性研究汉道断面二次流强度值如表2。四岛型群汉河道的各测量断面中S2、S4、S6、S7、S13、S16、S17 的二次流0.25强度最大，断面S5、S8、S19 的二次流强度最小，断面0.20.150.10.050.050.10.15*0.20.250.30.350.4断面S7二次流(工况2)0.250.20.150.10.05手0.050.10.150.26.2030.30.40450.3断面S8二次流(工况2)0.250.20.15号0.10.050005015020250303504045 05 0506 06507075断面S18二次流(工况2)0.250.20.150.10.0530.10.150.20.25 0.30.35 0.40.450.5断面S19二次流（工况2)3S7、S10、S13 由于位于死水区二次流强度为零。断面S3、S15、S2 0 的二次流强度介于0.2 和0.4之间，断面S11、S12、S2 1、S2 2、S2 3、S2 4的二次流强度介于0.1和0.2 之间。表1断面二次流强度分布区间二次流强度10.40.210.4S2、S4,S6、S3.S10,工况1断面号S7、S9、S13、S16,S17S2、S4.S6、S7S10、S3,S9,S15、工况2断面号S13,S16、S17对于四岛型群表2各汉道的断面二次流强度汉河道的各汉道断断面号工况1工况2S40.85面二次流强度值，在汉道B1S7工况1和工况2 条S11件下，汉道B2二次S5流强度都是沿程增汉道B2S8S10大。汉道B7 的断面S3S15、B8 的断面 S16汉道B3S6S9都是支汉交汇处断S15面，所以二次流强度汉道B7S18较大，而汉道B9二S23S16次流强度沿程减小。汉道B8S19S214结语S17汉道B9S20S22(1)通过分析四S24汉道B10S25岛型群汉河道不同汉道内二次流的分布特征，发现四岛型群汉河道的二次流分布与弯曲河道、单个岛的双汉河道明显不同。四岛型群汉河道的二次流方向和大小由分汉岛之间的位置关系与进人汉道水流的平面流速分布共同决定。(2)通过对四岛型群汉河道的各汉道断面二次流强度的分析可知，二次流强度较大的区域集中在汇流区、分流区及汉道曲率变化较大处。参考文献：1 JNezu I,Rodi W.Experimental study on secondary currents inopen channel flowC.Proc.,21st IAHR Congress,Delft,TheNetherlands,1985(2):114-119.2 JNezu I,Nakagawa H.Turbulent structure of backwardfacingstep flow and coherent vortex shedding from reattachment inopen-channel flows J.Turbulent shear flows 6,Springer,0.1l0.2S11,S12、S15,S18,S14,S21、S5,S8,S19S20S22S23、S24,S25S11,S12,S18,S21、S5,S8,S14、S20S22,S23、S240.750.120.040.080.220.260.540.420.310.210.180.510.070.150.430.310.110.110.1310.1S19,S250.450.660.120.060.080.610.250.840.40.280.10.110.790.080.110.430.360.110.130.094水科学与工程技术2023年第4期基于WEAP模型的河北省水资源供需平衡分析赵霞1,杨柳1*,朱永楠,郝（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京10 0 0 8 3；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京10 0 0 8 3)摘要：采用水资源评价和规划(WEAP)模型，从全省和流域尺度分析了河北省水资源供需平衡关系，在人口预案和节水预案下预测了2 0 3 0 年流域水资源供需变化趋势。结果表明：在不考虑外调水的情况下，2 0 18 年河北省缺水量为17.17 亿m其中农业缺水占9 4.18%；在流域经济、农业、生态水平保持现状基准年不变的基础上，仅考虑人口发展政策情况下，到2 0 3 0年河北省需求量为2 0 6.53 亿m,与2 0 18 年相比增加了14.1%;在提高灌溉水有效利用系数、工业用水重复利用率和降低公共管网渗漏率的情况下，到2 0 3 0 年河北省可节省用水量为2 0 18 用水量的7.9 6%，节水预案可取得显著成效。对该地区进行水资源供需平衡分析研究，能够为水资源综合规划与有效利用、地区可持续发展提供科学依据与实践经验。关键词：水供需平衡；WEAP；节水政策；趋势预测中图分类号：TV213.9文献标识码：BD0I:10.19733/ki.1672-9900.2023.04.02Water resources supply and demand balance in Hebei Province based on(1.School of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology(Bejing),Bejing 100083,China,2.State Key Laboratory of Stimulation and Regulation of Water Cycles in River Basin,China Institute of WaterAbstract:This study used the Water Evaluation and Planning system(WEAP)to evaluate the balance between water resourcessupply and demand in Hebei Province in 2018 at the provincial and watershed scales.Under the population plan and watersaving plan,predicts the trend of water resource supply and demand change.The results showed that:Without considering theexternal water transfer,the water shortage in Hebei Province in 2018 was 1.717 billion m,of which the agricultural watershortage accounted for 94.18%.On the basis of keeping the economy,agriculture and ecology of each city in the basinunchanged in the current base year,and only consider the population development policy,By 2030,the demand in HebeiProvince will be 20.653 billion m,an increase of 14.1%compared with 2018.0n the basis of improving the canal waterutilization coefficient,industrial water reuse rate and reducing the leakage rate of public pipe network,the water consumptionof Hebei Province can be saved by 2030 to 7.96%of the water consumption in 2018,and the water-saving plan can achieveremarkable results.The analysis of water supply and demand balance in this region can provide scientific basis and practicalexperience for comprehensive planning and effective utilization of water resources and regional sustainable development.Key words:water supply and demand balance;WEAP;river basin;forecast河北省是我国水资源匮乏的省份之一，人均水收稿日期 2 0 2 3-0 2-10【基金项目】中央高校基本科研业务费(2 0 2 1YJSDC10）作者简介 赵霞(19 9 8),女(土族),青海人,硕士,主要从事水资源综合管理方向研究。E-mail:hao_XiiiT+New York,1989(6):313-337.3JShiono K,Knight D W.Turbulent open-channel flows withvariable depth across the channel J.Journal of FluidMechanics,1991,222(1):617-646.4 刘月琴,万艳春.弯道水流紊动强度J.华南理工大学学报(自然科学版)，2 0 0 3,3 1:8 9-9 3.5吴华莉,蒋陶,张小峰,申红彬.弯曲型河道水流流速分布及阻力试验J.武汉大学学报(工学版),2 0 11,44(3):2 9 3-2 9 7.萌1,任文颖1文章编号：16 7 2-9 9 0 0(2 0 2 3)0 4-0 0 0 4-0 5WEAP modelZHAO Xia,YANG Liu,ZHU Yongnan,HAO Meng,REN WenyingResources and Hydropower Research,Beijing 100038,China)资源占有量3 0 7 m，亩均水资源占有量2 43 m,仅为+6Blanckaert K,De Vriend,H J.Nonlinear modeling of meanflow redistribution in curved open channels J.WaterResources Research,2003,39(12):ESG61-ESG614.7童朝锋.分汉口水沙运动特征及三维水流数学模型应用研究D.南京：河海大学,2 0 0 5.8吴迪,郭维东,刘卓也.复式断面河道“Y形交汇河口水流水力特性J.水利水电科技进展,2 0 0 7,2 7(3):2 1-2 3.（责任编辑：王艳肖）+