二维数学模型在分汊河道航道整治工程中的应用 |
| 2013-02-28 11:43 作者：王 川 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网文 据《硅谷》杂志2012年第22期刊文称，所选取河段为为长江下游某一河段，实测资料数据显示：该河段常年以来洪峰流量的max数值表现为92600m²/s单位，枯季流量min数值表现为4620m²/s单位，年平均流量表现为28400m²/s单位，年平均径流量指标表现为9120亿m²/s单位，年平均输沙量指标表现4.09亿吨。现结合以上实际情况，以二维数学模型作业方式，研究其在分汊河道航道整治工程中的具体应用情况。
关键词：二维数学模型；分汊河道；航道整治工程；应用；分析
1二维数学模型的构建分析
1.1平面二维数学模型构建过程中有关初始条件及边界条件的确定分析
在当前技术条件支持下，有关平面二维数学模型的构建过程中，初始条件的确定主要包括网格点上水位初值以及流速初值这两方面。而对于边界条件的确定而言，主要指标包括对河道进出口边界指标、岸边界指标以及动边界指标的处理这三方面。对于本文所研究分汊河道航道整治工程而言，应重点关注以下几点问题。
1）初始条件的确定分析：在有关初始条件的确定过程当中，需要形成以下几个方面的指标，具体表达式应当为：
①
②
③
2）边界条件的确定分析：首先，从进口/出口边界条件的确定角度上来说，应当结合对已知条件（即进口位置全断面流量指标）的分析，给定入流单宽流量沿断面位置的横向分布情况进行处理，并针对出口断面位置进行水位指标的给定处理；其次，从岸边界指标的确定角度上来说，考虑到在本文所研究的分汊河道航道整治工程实践作业过程当中，岸边界应当表现为非滑移边界，给定流速指标应当表现为零值状态；最后，本文所研究二维模型中的边界处理方法选取冻结法，结合水位节点处河底高程的具体情况来判定网格单元是否露出水面。在露出水面的情况下，糙率取值正常状态；在未露出水面的情况下，取接近于无穷大的正数。
1.2工程概化处理分析
为最大限度的确保所构建的平面二维数学模型能够有效反应整治工程相对于河道水流的影响趋势，需要作出两个方面的考量，即一方面需要在平面二维数学模型网格划分的过程当中，尽量针对分汊河道航道整治工程所对应的工程局部情况进行更为有效与真实的反应，另一方面则需要通过概化处理的作业方式来确保航道整治工程相对于河道影响反应的有效性与可靠性。在当前技术条件支持下，工程概化处理所需要遵循的最基本原则在于：计算结果应当偏重于安全性，可采取的方法应当在局部地形修正处理以及局部糙率修正处理这两个方面所入手。具体而言，需要重点关注以下几点关键问题。
1）首先，从局部地形修正处理的角度上来说，在平面二维数学模型构建过程中所对应网格尺寸与建筑物尺寸表现倾向于一致性的情况下，应当直接借助于建筑物高度指标的考量实现对相对应网格节点河底高程指标的有效修正。与此同时，在出现网格尺寸指标高于建筑物基本尺寸指标的情况下，需要假定分汊河道航道整治建筑物所对应的阻水面积与河底高程增加所对应的阻水面积保持一致性，按照此种方式，通过对河底高程的换算处理，实现对航道整治工程周边网格节点河底高程指标的修正处理。
2）其次，从局部糙率的修正角度上来说，其主要是指通过增大分汊河道航道整治工程周边二维计算网格节点糙率指标的方式，实现对河道航道整治工程兴建状态下，其相对于河道阻水指标的影响予以真实且有效的反应。在本文所研究的分汊河道航道整治工程研究案例当中，需要针对整治工程中的建筑物阻力指标进行必要的概化处理。在此过程当中，需要对应的局部水头损失系数计算公式基本可以做出如下表现：
该式中代表局部水头损失系数，代表分汊河道航道整治工程前所对应过水断面面积指标，代表分汊河道航道整治工程后所对应过水断面面积指标。
在此基础之上，还应当按照上述公式，针对分汊河道航道整治工程建筑物所对应局部水头损失系数转化成为建筑物的局部糙率指标。具体的表达方式为：
该式中代表分汊河道航道整治工程中整治建筑物外围河道的水深深度。按照此种方式，可以进一步采取合成局部糙率的方式，获取有关整个分汊河道航道整治工程作业区域河道所对应的综合糙率指标。具体的表达方式为：
还有一点需要特别注意的是：对于分汊河道航道整治过程当中所涉及到的护滩带区域而言，需要结合对护滩带表面块石粒径指标以及动床阻力的衡量方式针对平面二维数学模型进行进一步的构建处理。具体的表达方式为：
该式中代表床沙中值粒径指标，代表重力加速度指标，代表经验系数指标（相对于本文所研究的床面比较平整的卵石河床而言，的取值应当为7.3）。
2平面二维数学模型在分汊河道航道整治工程中的应用分析
结合该河段所表现出的演变特征以及上浅区范围内的河势情况，所选取的计算区域干流进口断面应当位于A地上游300m单位位置。整个计算区域总长度为32km，在借助于椭圆形微分方程的基础之上，有关干流进口位置相对于出口位置这一区域范围内共划分有400×250网格，支流进口位置相对应出口位置这一区域范围内共划分有170×50个网格（以上网格平均宽度指标为10m单位）。以水流验证计算为代表，平面二维数学模型计算过程中所选取的地形资料为2012年6月地形特征（计算过程当中剔除洪水影响）。整个河段水位断面的基本结构布置示意图如下图所示（见图1）。
图1河段水位断面基本结构布置示意图
结合以上实际情况，针对水面线验证过程中所获取的计算成果需要按照水文断面数值、实测值、计算值以及差值指标这几个方面进行详细分析，详细的数据对应结果如下表所示（见表1）。通过对以上数据的分析研究，不难发现：在应用平面二维数学模型的过程当中，计算指标与实测指标的差异并不显著，这表明计算指标与实测指标的吻合性较高，能够确保整治工程应用的有效性与可靠性。
表1河段水位断面计算指标与实测指标的对比数据示意表（单位：m）
水文断面 实测指标 计算指标 差额指标
1# 5.249 5.237 -0.012
2# 5.109 5.125 0.016
3# 5.102 5.125 0.023
4# 4.903 4.908 0.005
5# 4.831 4.817 -0.014
6# 4.586 4.589 0.003
3结束语
从分汊河道航道整治工程的实践应用角度上来说，尽管本文所研究对象的河道边界条件相对而言比较复杂（分汊型河道），与此同时，河道沿线还存在有大量的分流口与汇流口。但所构建的二维水流数学模型计算工程前后流厂布置均比较合理，能够确保对河道水流流态反应的可靠性。更为关键的一点在于：建立在离散控制方程基础之上的整个平面二维数学模型模型能够基于对水流运动的模拟方式实现对各个网格节点所对应水流条件的可靠性确定（主要包括水流速度矢量指标以及水位指标等子啊内）。在完成对网格节点数据处理的基础之上，其能够实现对全河段水流条件的定量化及动态化分析。借助于此种方式，能够实现对对航道整治工程相对于整个分汊河道的影响因素予以详细分析，确保分汊河道航道整治工程作业质量的有效性与稳定性，应当引起各方人员的特别关注与重视。 |
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