（农业水土工程专业论文）黑龙江干流抚远江段江道整治工程数学模型分析研究.pdf

摘要 摘要 针对江道演变复杂，工程布局及控导工程结构尺寸难以计算的抚远2 8 公里长江段的 防护整治工程，按天然情况和1 0 个不同整治方案利用河流泥沙准二维数学模型、河流泥 沙平面二维数学模型和河道三维水流数学模型结合进行三维整体的数值模拟。并引进水 气两相流的v o f 模型，与k - 模型结合的方法进行计算模拟。数值求解采用s i m p l e 算法的改进形式s i m p l e c 算法。网格划分则采用了非结构化混合网格以增强对复杂边界 的自适应性。模型透过验证计算表明，模拟精度较高，为工程措施的科学决策提供了重 要依据。经对多个整治方案的模拟计算与分析，表明漏水口子河道整治采用分流鱼嘴工 程和南汉固床工程相结合的整治工程措施是合理可行的，通过模型计算研究还提出了南 汉固床工程采用复式断面形式的改进方案建议，该方案保证了南汉枯期通航和不断流 而且对南汉及抚远镇的保护具有正面作用。 本研究是三维数学模型对较长河段水流、泥沙、河床运动模拟计算分析的一次尝试， 其对今后进一步深入研究和应用三维模型解决工程实际问题，完善模拟方法、提高模拟 水平，真正发挥数学模型其省时、省力、灵活方便和模拟细腻等在研究水沙运动规律和 河床变形等方面研究中优势具有重要的意义。 关键词：黑龙江干流抚远江段江道整治数学模型 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 et a s ko ft h es t u d yl st or e s e a r c hm o d e lt e s ta v a i l a b l ef o rs o m ek e yr i v e r sw i t hc o r e p l i c a t e dr i v e r r a 9 1 r u e s a n dl a r g el a n da i e a sl r i v e l v e d ，c o n f o r m i n gt ot h ei n s t r u c t i o ns g i v e nb yp r i m em i n i s t e rz h u r o n 鼬ia f t e rh e a r i n gt h er e p o r t so i lh e i l o n g j i a n gp r o v i n c i a lb o r d e rr i v e r sp r o t e c t i o np r o j e c t sd u r i n g h i s1 n s p e c t i o ni nh e i l o n g j i a n gp r o v i n c ei n j u l y2 0 0 2 t h eg e n e r a la s s i g n m e n t sm o d eb yt h es t a t e c o u n c i lo ne a r l y s t a g et a s k so fc o n t r o l l i n gt h eb o r d e rr i v e r sw i t hs e v e r et e r r i t o r i a ls o l l1 0 $ s c s a n d t h ee x a m i n a t i o nv i e w s g i v e nb y t h em i n i s t r y o fw a t e rr e s o u r c e sa b o u tt h e p r o p o s a ，o r t h e n e a r - t e r m k e y p r o t e c t i o nw o r k so nb o r d e rr i v e r sw i t hs e v e r et e r r i t o r i a ls o i t l o s s e si n h e i l o n 酊i a n gp r o v i n c e 1 o r d e rt op r o v i d ec r e d i b l eb a s i sf o re n g i n e e r i n gd e s i g nt h ef i n d i n g so ft h e s t u d y w h i c h w e r eo b t a i n e d t h r o u g ha n a l o g u e c a t c u l a t i o na n d a n a l y s l s b a s e do ns e d i m e n t m a t h e m a t i c a lm e d e l sa v a l l a b l ef o rf u y u a nr e a c ho fh e l l e n g j i a n gm a l nr i v e r w i l ip r o v i d es c i e n t i t i c b a s i sf o rt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h er e g u l a t i o na n d p r o t e c t i o nw o r k sf o rt h eb o r d e rr i v e r s w i t hs e v e r et e r r i t o r i a ls o i ll o s s e s t h es t u d i e so nm o d e ms e d i m e n tm a t h e m a t i c a lm o d e l sb e g a nl a t e rt h a nt h e s eo nt h em o d e l so fo t h e r s u b j e c t sf o ra b o u tt e nt ot w e n t yy e a r s 。a tp r e s e n t ，t h r o u g hm o r et h a nt h i r t yy e a r so fe f f o r t sm a d eb y h y d r o l o g i c a ls p e c i a l i s t s ，b o t ht h eo n e - d j m e n s i o n a lm o d e la n dt h et w o d i m e n s i o n a lm o d e 】h a db e e n a p p l i e d i nt h ec a s e so fr i v e rb e dd e f o r m a t i o nn e a rh y d r a u l i cs t r u c t u r eo rr i v e rw o r k r i v e rb e d d e f o r m a t i o nc a u s e db y s h a p i n gs e d i m e n a l l u v i u md i ss i p a t i o ng r o w t ha n dm o v e m e n ti nn a m r a l r i v e r s ，m a i nb r a n c h sd e v e l o p m e n ta n dv a r i a t i o ni nab r a n c h i n gr i v e r c r o s sf l o o dp l a i nm o v e m e n t d o w n s t r e a m ，r i v e tb e n ds c o u ra n ds i l t i n g ，s h a l l o ws h o a le v o l u t i o n ，r i v e rd i s c h a r g ea n df l e n df o r e c a s t a n df l o o dr o u t i n gl nr e t a r d i n gb a s i na t e i nf a c tt h em o v e m e n t so ff l o wa n ds e d i m e n ta l w a y sv a r y a l o n g w i t ht h r e e s p a c e d i r e c t i o n s i n c l u d i n gr o u t e ，d e p t h a n dw i d t h w h i c h b e l c h g t o t h r e e d i m e n s i o n a lq u e s t i o n st h r e e d i m e n s i o n 蛆m o d e li ss e l d o ma p p l i e dl l o wd u et oi t sc o m p l i c a t i o n a n dr e q u i r e m e n t so nc a c u l a t i o nm e a n s a 【m l n g a tt h e2 8 k ml o n gr i v e r r e g u l a t i o na n dp r o t e c t i o nw o r k so nf u y u a nr e a c hw h e r et h er i v e r e v o l u t i o n sa f e c o m p l i c a t e d a n dt h ed i m e n s i o n so fc o n t r o lw o r k sa r ed i f f i c u l tt oc a l a u l a t e t h i s d ls s e r t a t i o ni st os t u d yt h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a la n a l o g u en o to n l yu n d e rn a t u r a lc o n d i t i o n sb u t a l s ou n d e rt e nr e g a l a t i o ns c h e m e s ，u s i n gt h er i v e rs e d i m e n tq u a s i t w o d i m e n s i o n a lm o d e la s s o c i a t e d w i t ht h er i v e rs e d i m e mp l a n et w o d i m e n s i o n a lm o d e la n dt h er i v e rt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e la tt h e s a m et i m e ，t h em e t h o dc o m b i n gt h ev o fm o d e lo fw a t e ra n dg a sc n r r e n t sa n dt h ek em o d e li sa l s o i n t r o d u c e di n t ot h ec a l c u l a t i o na n da n a l o g u e t h es i m p l e cm e t h o d w h i c hw a si r e p r o r e db a s e do n t h es i m p l em e t h o d ，1 sa d o p t e dt of i n dt h en u m e r i c a lv a t u ea n s w e r s ，a n dt h en o n s t r u c t u r e dm i x e d g r i di sa d o p t e df o rg r i dp a r t i t i o nt oe n h a n c ei t ss e l f - a d a p l a b i l i t yt oc o m p l i c a t e db o r d e rc o n d o n s t h r o u g hc h e c k i n gc o m p u t a t i o n s 1 tw a ss h o w nt h a tt h ea n a l o g u ea c c u r a c yo ft h em o d e lw a sq u i t e h i g h w h i c hc a np r o v i d ei m p o r t a n tb a s i s f o rs c i e n t i f i c d e c i s i o n m a k i n g o ne n g i n e e r i n gm e a s u r e s t h r o u g ha d a l e g u ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fm a n yr e g u l a t i o ns c h e m e s i tw a ss h o w nt h a tc o m b i n i n g t h ed i v e r s i o nw e i rw o r k sw i t h 吐1 eb e df i x i n gw o r k sa tt h es o l i t hb r a n c hi sr e a s o n a b l ea n df e a s i b l ei n t h ei m p l e m e n t a t i o no fl o u s h u i k o u z lr i v e tr e g u l a t i o nw o r k si na d d i t i o n i ti ss u g g e s t e dt h a tt h eb e d f i x i n gw e r k sa tt h es o u t hb r a n c hs h o u l da d o p t t h ei m p r o v e dc o m p o u n ds e c t i o ns c h e m e t h ei m p r o v e d s c h e m ec a ne n s u r et h es o u t hb r a n c ht ob eo p e nt on a v i g a t i o na n dt h ef i e wh e r en o tt ob eb r o k e ni n l o ww a t e rs e a s o n s a n dicw i l lh a v ea c t i v ee f f e c to np r o t e c t i n gt h es o u 山b r a n c ha n df u y u a l lt o w n t h i ss t u d yl s a a t t e m p to fa p p l y i n gt h r e e d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e l i na n a l o g u ec a l c u l a t i o n a n da n a l y s l so ff i e w s e d i m e n ta n dr i v e r b e dm o v e m e n t s1 nal o n gr i v e rr e a c h i t1 sv c r yl m p o r t a n tf o r t h ef n l u r e t h o r o u g hr e s e a r c h ，a n d h a s g r e a ts i g n i f i c a n t e f o r p r o m o t i n g t h e a p p l i c a t i o n o ft h e t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lt or e s o l v ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m s ，i m p r o v i n ga n a l o g u em e a n sa n d l e v e l a n dg i v i n gr e a lp l a yt om a t h e m a t i c a lm o d e l si ns t u d i e so nt h ef l o wa n ds e d i m e n tm o v e m e n t l a w e a n d 山er i v e r b e dd e f o r m a t i o nf o ri t s a d v a n t a g e ss u c h a s s a v i n gt i m ea n d1 a b o r a d a p t a b i l i t y , c o n v e n i e n c ea n dm i n u t ea n a l o g u ee t c k e y w o r d s ：h e i l o n g j i a n gm a i nr i v e r f u y u a nr e a c h r i v e rr e g u l a t i o n 、m a t h e m a t i c a lm o d e l 黑龙江干流抚远江段江道整治工程数学模型分析研究 黑龙江干流抚远江段江道整治工程 数学模型分析研究 1 引言 1 1 问题的提出及研究意义 河流对于国民经济即有有利的一面，也有不利的一面。兴利除害，对河流进行综合 治理和开发，是关系到国计民生的重大问题。特别是我国河流众多，洪水灾害严重，不 得不修建大量的治河防洪、防护工程。而_ 可流中的泥沙运动及河床演变与治河防洪、防 护工程直接相关。如在河道上修建水库、水电站等水利枢纽，以及在河道、港湾中疏浚 茏槽、护岸固床等都将打破天然河流水沙条件与河床的相对平衡，使河床发生冲刷或淤 积水流运动状态发生变化，河床形态进行重新调整。这些水沙运动和河床变形的变化 对水工建筑物的安全和效益有很大的影响，而且对整个河道的河势变化及演变，乃至周 围人类生存环境都有一定的影响。另外我国国境界河岸线长，国土流失也较为严重，国 土防护治理工程任务相当繁重，工程的成败直接关系到领土完整和国家尊严。因此，在 修建水工建筑物或对河道进行整治时，对可能发生的泥沙运动过程和河床变形进行定性 和定量预测的正确与否对工程的决策和建设的成效往往起到关键作用。以往大部分是采 取河工模型实验需要耗费大量人力物力，周期也较长。随着现代高速计算机的发展， 2 0 世纪7 0 年代以后在计算水利学的基础上，河流泥沙工程领域数学模型发展起来，并 以其省时、省力和灵活方便等优势在研究水沙运动规律和河床变形等方面研究中起着愈 来愈重要的作用。 黑龙江省国境线水界长2 7 9 0 公里，包括黑龙江、乌苏里江、松阿察河、瑚布图河、 兴凯湖等国境界河( 湖) ，流经黑龙江省的漠河县、黑河市、同江市、抚远县、江滨农场、 兴凯湖农场等3 1 个市( 县) 和国营农场。这些地区位于大小兴安岭和三江平原，是我国 重要林业基地、重点农业开发区、商品粮基地和对外开放地区。 黑龙江、乌苏里江江道演变十分复杂。两江在我国侧受大流顶冲、弯道和风浪冲 刷、流冰撞击等破坏的岸线长，低滩、岛屿分布广泛洲岛、汉道变动频繁，洪水漫滩、 背汉串沟发展剧烈，易造成主流改道、江岸坍塌，大量国土流失，同时也危及沿江人民 生命财产安全。为保护国土，稳定国境线，保障当地经济发展，国家和地方政府对边境 东北农业大学工程硕士专业学位论文 河流的防护工程十分重视，建国以来相继修建了一些防护工程，但防护工程标准低，大 部分工程年久失修，至今国土流失现象未得到控制。对河势复杂和己形成国土流失严重 河段，如不及时采取必要的防护措施加以控制，任其进一步发展，势必造成大面积国土 的严重流失，不利于边境地区和平稳定和国民经济的可持续发展。 遵照朱镕基总理2 0 0 2 年7 月视察黑龙江省，听取黑龙江国境界河防护工程汇报时的 指示精神，黑龙江省水利水电勘测设计研究院选择冲刷严重、国土流失面积大、保护对 象重要、价值大效益好的典型河段编制了黑龙江省国境界河国土流失严重河段近期重 点防护工程项目建议书，并已经水利部审查批准。在审批意见中要求，对河势复杂、涉 及国土面积大的重点江段应进行模型试验研究为工程设计提供可靠依据。通过本数学 模型计算研究将为黑龙江干流抚远江段国土流失严重地段的整治防护工程设计和实施提 供科学依据。 1 2 研究现状及动态 现代泥沙数学模型较其他许多学科的数学模型晚起步1 0 - 2 0 年的时间，其主要原囚 是：首先人类对泥沙问题的严重性认识不足，由此决定其在国民经济发展中的地位不高； 其次是泥沙数学模型的发展必须建立在水流数学模型的基础上，所以其发展必然滞后于 水流模型的发展且受到水流模型发展的制约：另外由于泥沙问题本身的复杂性，使得泥 沙数学模型的发展受到很大的约束。2 0 世纪7 0 年代后期以来，许多国家在发展冲积河 流数学模型方面作了大量工作。一维数学模型是最简单，也是发展最早、最完善的模型， 它主要用于研究长时间内河段的水流及河床变形情况。一维数学模型是以断面平均的河 床、水流及泥沙因素作为研究对象，用于研究长时期长河段的水沙及河床变形情况，只 能给出各河段的平均冲淤情况。但在大量的水利工程中，需要对河床细部变形进行了解， 这就需要二维甚至三维模型进行研究。目前，平面二维数学模型在水工河工建筑物附近 河床变形，自然河流泥沙成型堆积体消长、运动所引起的河床变形：分叉河段主支叉的 发展变化；交错边滩的向下游运行：弯道冲淤；浅滩演变；河道流量及洪水预报：滞洪 区洪水演进等都有不少应用。在二维数学模型中一般将河道水流运动描述为自由表面明 渠水流；重力是水流流动的主要驱动力，水流内部及水流与固体边界的摩阻力为水流能 量的主要耗散力；水流流动沿垂线按均匀分布考虑，不考虑实际存在的对数或指数等形 式的垂线流速分布；考虑到水平运动尺度远大于垂线运动尺度，忽略了垂向流速及垂向 加速度：水压力按静压分布对待。在上述描述下对于需要研究水流或河床细部变化的 问题，水沙因素可以沿垂线积分。而实际河道水流泥沙运动都是随着沿程、水深和河宽 三个空间方向变化的，属于三维问题。对于三维数学模型目前应用还很少。只在取水口、 码头或桥墩附近局部范围有所应用。 黑龙江干流抚远江段江道整治工程数学模型分析研究 1 3 研究思路和技术路线 本次研究针对江道演变复杂，工程布局及控导工程结构尺寸难以计算的抚远2 8 公里 长江段的防护整治工程，按天然情况和l o 个不同整治方案利用河流泥沙准二维数学模 型、河流泥沙平面二维数学模型和河道三维水流数学模型结合计算的技术路线，进行三 维整体的数值模拟。并引进在溢洪道、输水洞模拟计算中水气两相流的v o f 模型，与 k - e 模型结合的方法进行计算模拟。数值求解采用s i m p l e 算法的改进形式s d d p l e c 算法。网格划分则采用了非结构化混合网格以增强对复杂边界的自适应性。通过实测资 料对模型进行验证，运用验证后模型，对天然状况和不同工程整治方案进行模拟计算， 经过分析论证推荐和优化设计方案。 东北农业大学工程硕士专业学位论文 2 工程概述和基本资料 2 1 问题的江段概况及基本资料 黑龙江千流抚远江段从东经1 3 4 。1 ，北纬4 8 。1 77 醉江河口起至东经1 3 4 。2 4 7 ，北纬4 8 。2 37 抚远水道上口止，沿主航道江道全长3 8l a ，江段进口段9b ，是三 股水流汇流后形成的独流弯道段，其下至抚远镇山头是一个由俄侧扎别洛夫斯基岛 ( 1 0 5 8h2 ) 和中国侧抚远大夹信于岛( 8 7 4 妇2 ) 组成的交错形汉道段。抚远镇山头 以下95h 为一顺直夹有江心洲滩的河段。 两岸地形地貌除江道下段我侧为高2 6 6 m 8 6 m 山地外皆为低漫滩阶地，滩地平原上 分布泡沟串汉，沿岸植被较茂密俄侧树木基本为天然状态，我国侧多为草地夹树丛。 两岸滩地高程多为4 1 4 4 m 之间，岛面高程多为4 1 4 2 m 。河岸及河床土质多为细砂及 壤土，抗冲性很弱。 此段江道宽一般为1 5 0 0 - - 2 0 0 0 m ，最大宽度3 0 0 0 m 左右保证率p = 9 0 ，枯水位 3 5 7 7 m 时，水深一般在4 5 m 以上多数在8 m 以上，最深1 6 7 m 水流速度在l4 3 1 8 4 m s 。此时水面3 57 7 m 高程距岸滩4 1 4 2 m 高程，尚有6 米多，所以平槽水位时， 江道水深一般在l0m 以上，多数地带水深在14m 左右，最大水深可达23m 左右， 水面宽阔水深流急。 此段江道属于黑龙江干流中游末端。抚远镇距乌苏里江汇入口俄罗斯远东第一大城 市哈巴罗夫斯克( 伯力) 7 1b ，伯力站多年平均流量为8 6 0 0 m3 s ，多年平均年径流 量近2 8 0 0 亿m3 。抚远江段水位特征值如下表： 表2 - 1 设计洪水位( m ) t a b l e2 - ld e s i g nf l o o d 4 黑龙江干流抚远江段江道整治工程数学模型分析研究 表2 - 2 特征水位( m ) t a b l e2 2c h a r a c t e r i s t i em a t e r1 e v e l 畅流期枯水位畅流期最低水位 畅流期平均 水位( m ) 平均值p = 8 0 p - - 9 0 p = 8 0 p = 9 ( 3 3 6 7 43 6 0 03 5 7 73 9 3 03 4 9 23 4 6 2 表2 - 3抚远站水位流量关系 t a b l e2 - 3 胃a t e rl e v e ld is c h a r g er e l a t i o ni n f u y u a nh y d r o m e t r i c a ls t a r i o n 抚远水位 ( m ) 3 5 2 13 6 2 63 77 63 8 0 63 9 0 64 0 0 6 流量m 3 s 4 6 4 0 07 i 0 0 0l 1 8 0 0 01 2 9 0 0 01 6 5 0 002 0 3 0 0 0 河岸低滩及岛屿经常处于洪水淹没之中，2 0 年一遇洪水岛面淹没水深可达i 2 多。 本河段河床质组成： 抚远镇江段d l o = 0 1 3 5 m m d 5 。= 0 2 4 r a md 9 口- 0 3 7 r a m 抚远水道口门 dl o = o 1 0 m md s o = o ，1 6 m m d 9 。- o 2 3 m m 多年平均含沙量l o o g m 3 ，多年平均输沙量2 3 7 0 x1 0 4 吨。 2 2 江道演变及存在问题 此江段全长3 8j 皿，首部进口为一单槽弯道河型，后部出流为一单槽顺直河型，中 部为一分水分沙十分复杂的交错汉道河型。首部单槽弯道演变特点主要表现为俄罗斯侧 夸道凹岸冲刷后退，中国侧凸岸边滩增长前伸，这种冲刷后退和淤积前伸速度和分布又 取决于弯道进口三股汉流流量分配及出流方向，三流汇合后决定单槽弯道高中低水位时 顶冲点和主流线位置。中俄勘界后已把八岔二道江岛和三道江岛( 2 7 0 6b 口2 ) 划入中国侧， 主航道已从岛北侧通过，此汉主江还在进一步发展中，主江出流直冲大滩段弯道凸岸上部， 汇合八岔来流后折向弯道凹岸，这种进口河势变化将引起中国侧大滩凸岸滩地切割和使 俄罗斯侧凹岸顶冲点下移。这种顶冲点下移及凹岸冲刷后退积累将使主流直冲俄罗斯扎 别洛夫斯基岛北汉道，促其发展，减少交错汉道第一次分流南汉主航道流量。从套绘的 1 9 5 7 年和1 9 8 8 年地形图，醉江河口大滩一带中国侧岸冲刷后退5 0 0 m ，平均每年后退 1 61 4 m ，大滩凸岸边滩前伸1 5 0 m ，俄罗斯侧凹岸岸线成弧形冲刷后退，冲刷最大3 5 0 m ， 己把一片桦树林冲入江中。 东北农业大学工程硕士专业学位论文 此段江道中部为一交错型汉道，包括俄罗斯例扎别洛夫斯基岛( 中三义岛) 和中国 侧大夹信子岛，二岛以北汉道长度1 8 7 k m ，二岛以南汉道长度1 8 2 k m ，沿主航道长 1 95 k m ，以南汉为主，南北汉长比为1 0 3 。南汉比北汉短5 0 0 m ，又加上段弯道出流导向 南汉，所以南汉为主流，南汉中国侧岸线冲刷后退套绘1 9 5 7 年和1 9 8 8 年地形图为1 5 0 0 2 0 0 m 。主流沿南汉流到大夹信子岛前又形成二汉分流大夹信子岛北汉( 现主航道) 长 1 2 5 k m ，南汉长1 0 8 k m ，以南汉为主汉长比为1 1 6 ，南汉l l = | p , 汉短17 0 0 m ，而且主流直 冲南汉，南汉发展已近成为主流，大夹信子岛头对比1 9 5 7 年和l 9 8 8 年地形图己后退 6 0 0 m ，两岛之间主航道已多次淤积碍航，7 7 号航标到8 2 号航标段弯曲狭浅，靠中俄协 议挖泥维持，如不挖泥维持主航道，两岛之间航道将淤积堵塞使中俄二岛连成一片，主 航道将改在中国侧大夹信子岛南汉，大夹信子岛8 7 4 k m 2 及水域2 2 k m 2 合计近3 i k m 。多国 土将成为争议地区。中部汉道这种发展不公造成大片国土流失，而且由于大夹信子岛南 汉发展使抚远镇江段主流由原来流向顶冲中国侧江岸形成4 m 以上水深的码头区变为主 流，现在流向顶冲俄罗斯侧玛莱金岛，使抚远镇城区以下7 k m 深水区变成浅滩区，枯水 期形成长5 k m ，最大宽1 5 k m 浅水区，水深不足1 m ，大部分已露出水面无法停靠船只， 这种趋势在进一步发展，将使黑龙江千流中俄界江末端最重要的对俄水运交通枢纽处于 报废状态，严重影响对俄远东最大城市伯力的口岸作用。其目前发展态势所造成的危害 及损失将是十分严重的，甚至是不可挽回的。 2 3 整治工程的必要性及整治和防护方式总体布局 这段江道演变涉及两岛三汉交错存在的相互影响，俄侧汉道有发展条件，但由于 植被好、树木茂密，坍岸树木深八堆积自我防护发展很慢，我国一侧汉道渐成主流的趋 势难以逆转，若任其发展，现有主航道淤堵后将会导致岛面水域近3 l k m 2 的国土流失， 并使抚远水运枢纽报废，不及时整治和防护严峻恶化的趋势将难以逆转。因此实施该段 江道防护与整治工程是十分必要和非常紧迫的。 整治和防护工程总体布局是：首先控制太夹信子岛南汉发展，再适当调整增加现有 二岛之间主航道流量，并保护我侧岸线不后退。1 、在太夹信子岛内汉进口浅滩及生德口 门岛位置修建固床工程及二端护头护岸 2 、在大夹信子岛头利用主航道挖泥及岛头冲刷 留下的滩块修建1 1 7 0 m 分流鱼嘴，以减少进入内汉流量增加航道流量维持现有航道通航 条件；3 、联接鱼嘴根部在大夹信子岛外侧向上延伸修建2 1 2 0 m 护岸，防止岛岸冲刷；4 、 在漏水口子弯道下部修建6 1 4 0 m 护岸，固定弯道水流转向段使岸线不后退。上述四项工 程形成堵、截、护、导一个工程整体。其中主要工程是内汉固床和分流鱼嘴工程，这些 工程兴建后可制止主流进一步发展，在大江第二次分流中适当调整增加主航道流量，维 持主航道现状，等待俄罗斯扎别洛夫斯基岛第一次大江分流中俄侧内汉发展。扎别洛夫 斯基岛北汉长1 l5 k m ，南汉主江长1 3 o k m ，北汉短1 5 0 0 m ，现在进口上游弯道顶冲点距 汉道口2 5 0 0 1 5 0 0 m 左右，根据弯道水流特性顶冲点低水上提、高水下挫，主流线低水 培岸高水居中，低水项冲点在分汉口门上2 5 0 0 m 左右，高水顶冲点下挫在分汉口门上 黑龙江干流抚远江段江道整治工程数学模型分析研究 1 5 0 0 m 左右，随着分汉口门以上俄侧岸线冲刷后退+ 大流顶冲点将逐步移向分流口，那时 大流项冲背汉短顺，俄侧内汉必将发展，虽然内汉自然抗冲性好，但不加人工控制条件 下必将发展，而且是大江单槽弯道出口分流，长远趋势俄内汉所占流量加大后，两岛北 汉出流逐渐增大，主流冲向抚远镇江段，抚远镇以下江段由淤积区变为冲刷区，逐步恢 复水运枢纽港口条件。如果在这个过程中在已淤积滩面上做好规划，预先修建好港口码 头规划岸线上的相应建筑物，并采用挖填结合人工造地方式能形成几平方公里城区多功 能用地，对抚远镇发展非常有益。因此因势利导可变害为利。 2 4 整治工程的目标 通过固床堵汉、鱼嘴分流、弯道护岸导流岛端护岸防冲刷后退四项工程堵、截、 导、护联合作用，除控制背汉进一步发展外并通过鱼嘴固床工程优化组合适当调整现 状下流量分配，使俄侧大夹信子岛北侧主航道流量分配在畅流期平均水位时不小于6 0 ，使大夹信子岛北汉出流对抚远镇港区段有明显冲刷作用尽快恢复抚远港运行发展 的水域条件和船舶停靠要求。加大俄侧扎别洛夫斯基岛和中国大夹信子岛之间汉道分流 量维持改善航道条件不用清淤挖泥。有利加速扎别洛夫斯基岛北侧汉道发展，减弱大夹 信子岛前主流流量，增强北汉主航道流量进一步使主流靠近抚远镇江段，经抚远镇江 段弯道导流使抚远水道分流口处于背流淤积区。 2 5 模拟计算方案和要求 1 天然情况下江段流量分配及演变规律计算。给出平槽水位4 0 0 6 m ，畅流期平均水 位3 9 3 0 m ，畅流期平均枯水位3 6 7 4 m ，畅流期p = 9 0 枯水位3 5 7 7 m ，四级水位时各汉 道流量分配值及全河段流速场( 水流平面图) 。 2 大夹信子岛南汉固床的合理顶高程对分流的控制作用的分析计算。进行畅流期平 均枯水位畅流期平均枯水位以上0 5 m 、1 o m ，畅流期平均枯水位以下0 5 m ，1 ，o m 五 组固床顶高程情况下对各汉道流量分配调整作用研究。 3 大夹信子岛鱼嘴工程不同方向，不同长度，不同高程的调整分流作用的分析计算， 选取优化合理的工程布局方案。以现有设计方案布置为基础调整布置( 长度、方向、顶 高程) 。 4 对优选的固床方案和鱼嘴方案组合进行数学模型计算，推荐优化合理方案。 东北农业大学工程硕士专业学位论文 3 河流泥沙数学模型 针对本项目研究的复杂性和多方案比选的要求，拟采用河流泥沙准二维( 长河段长 时间系列整体计算) 数学模型、河流泥沙平面二维数学模型和河道三维水流数学模型结 合的计算技术路线。 3 1 c r s 一1 河流泥沙数学模型 本项研究采用c r s 1 河流泥沙数学模型。模型主要由水流计算、泥沙计算和河床变 形计算三部分组成。基本方程包括水流连续方程、水流运动方程、泥沙连续方程、输沙 公式、悬移质扩散方程、泥沙分选和粗化保护层公式、冲淤量分布公式、弯道水沙及变 形公式和河宽调整程序。将以上微分方程离散为差分方程，采用稳定的求解格式，编制 计算机原程序，就可实现河流泥沙的动床数值模拟。 3 1 1 c r s - 1 河床演变模型基本方程 ( l ) 恒定流计算 水流计算包括水位、流量、能坡和其它水力要素沿程变化。计算采用把流量过程分 级成离散的流量过程，每一时段流量不变，按恒定流计算。由于采用恒定流计算方法， 水流计算实际上是依次计算各时段的水面线。 在静水压力分布和河道底坡很小的情况下，断面的总能头包括位能头和动能头，即： 矿2 h = z + 口( 3 - 1 ) 2 9 式中h 为总能头，z 为水面高程。为能量系数，对无冰盖的天然河流a 值的变化范围为 1 1 5 1 5 0 ，均值为1 3 0 。 对方程( 3 1 ) 沿程微分得： d f z + a 堡 塑：! 型：一s( 3 2 ) 出也 式中s 为能坡，由定义等于d h d r 。对于沿程不连续的断面，将上式写成有限差分形式， 则式( 3 - 2 ) 1 变成： 黑龙江干流抚远江段江道整治工程数学模型分析研究 ( ”，习一 z y + l + c r j + t 引= 趾 s ， 式中j 为断面依次由上游到下游的编号，而a x 则为断面j 和j + l 间的距离。 【2 ) 非恒定流计算 连续性方程： 罢+ 罢一g ：o ( 3 _ 4 ) aa 1 动量方程： 譬+ 要f 等 + 鲥s 一粥：o ( 3 - 5 ) a 缸l 爿” 1 式中“为侧向流入水流的流速。 ( 3 ) 河道阻力计算 s 为河段的能坡，通常取为相邻断面能坡的几何平均值，即： s = ( s i s ) “5 ( 3 - 6 ) 在弯曲河道申，式( 3 - 6 ) 中能坡s 包括纵向能坡s7 和横向环流引起的横向能坡s ”， 即： s = s + s ”( 3 - 7 ) 纵向能坡为由边界阻力、水力收缩和放大等产生的单位河道长度的水头损失。 s ：! 圭l 业：s 。+ s 。 ( 3 8 ) 式中h 。为边界阻力损失，h ，为水流收缩或扩散产生的水头损失。断面边界损失可 用水流阻力方程计算。如用m a r m m g 公式计算，则断面能坡s 为： 水流收缩或扩散产生的水头损失为： 耳斗扣+ ，纠 式中k 为能量损失系数。收缩或扩散段的k 分别取为0 0 5 和0 2 ，对突然放大或收缩， 也取0 5 。 方程( 3 - 1 0 ) 中 掣彤 咒 东北农业大学工程硕士专业学位论文 矿：堡 。 爿 g 1 = g + q j x 式中q | 为j 至卜l 断面间单位长度的侧向流量；不存在横向流入时q j = q j 一 对于弯道，横向能坡s ”用下式计算： ，、2 。( 2 0 7 f + 4 6 8 f “l 1 8 3 f “2 ) fh1 l ， f 0 ，5 6 5 + r u )lr ，j 丹 式中f r 为f r o u d 数，f 为阻力系数，h 为水深，r c 为河道中心线处的曲率半径。 和弯道有关的解析关系式通常采用河道中心线处的弯曲半径耻来表示河弯的弯曲 率。在弯曲率沿程变化时，这类公式通常仅能适于弯曲半径确定的充分发展的环流。在 大部分河流中，横向环流有沿程加剧和衰减的特点。为了描述这种沿程变化，有必要引 入水流中线曲率概念。水流中线曲率定义为流量中心线的水流曲率。用水流中线曲率半 径来代替河道中线曲率半径r c 后，那些本来用于充分发展的横向环流的公式便可以推 广到发展过渡中的环流。用水流中线曲率半径r f 代替k 后，式( 3 1 1 ) 变为： p - ! ! ：竺! 兰：! ! ：二! ：! ! ：! ( o 5 6 5 + 厂“5 ) k 为卡门常数。 驴詈雕搿5 3 1 2 数值计算方法 万1 b m ( 3 - 1 3 ) ( i ) 水流计算 a 恒定流计算方法 方程( 3 3 1 为渐变流水面线计算提供了计算基础。水面线计算采用标准分步推算法， 这种方法广泛应用在天然河道的计算。根据不同水流情况( 急流或缓流) ，按不同的方向 计算。对缓流，由下游往上游推算：对急流由上游往下游推算。河道几何形状在分段断 面处确定。水流面积和湿周及糙率等水力要素决定于断面的水位。水面高程的计算，接 应取方向依次进行。如由断面j + l 向断面j 推算时，断面j 的水位z j 由已知的水位z j “ 算出。因z j 隐含在方程( 3 - 3 ) 中，z 1 的确定需用试算法确定，概述如下： 黄一步：根据已知的水位，计算断面】+ 1 的过水面积和能坡。 1 0 黑龙江干流抚远江段江道整治工程数学模型分析研究 第二步：假设断面j 的水位值为z j 。 第三步：计算断面j 的过水面积、流速和能坡。 第四步：按式( 3 - 6 ) 1 计算s 。 第五步：将各变量值代入式( 3 - 3 ) 中，如方程两端相等，则假定的z j 成立。否则， 重复第二至第五步直到式( 3 - 3 ) 两边相等。 b 非恒定流计算方法 非恒定流计算以时空网格为基础，采用中心差分格式，并引入加权系数。根据时间 步长依次在各离散点处求解连续性方程和动量方程，得出不同时间各断面的流量、水位 和流速等， ( 2 ) 泥沙计算 数学模型泥沙计算包括以下几个方面： 1 泥沙连续性方程及其数值解： 2 输沙率公式选择： 3 床沙级配计算； 4 推移质和悬移质分界粒径： 5 悬移质不平衡输移计算。 下面分别叙述 & 泥沙连续性方程及其数值解 在一维数学模型中泥沙连续性方程为： 古屠飞 + 口鲁= 。 式中，：为床沙干密度，a b 为河床在某一基准以上的面积，q 。为输沙率，啾为单位河长 侧向汇入的输沙率。 通过对( 3 - 1 4 ) 式的数值求解，可以得到某一横断面在某一时段a t 的横断面积变化 量a b 本模型床沙干密度y ：采用电力部成都勘测设计院绘制的我国官厅、三门峡等9 个水 库表层淤积沙样干密度y ：( 岫与粒径d 5 0 ( m ) 的关系： r ：净9 8 n 0 0 。1 5 ：8 ( d 5 0 - - u o i ， 限：， 1 0m 4 1 6 6 为椎移质，z 4 1 6 6 为悬移质，于是： 4 1 6 6 k u 按推移质计算： 国4 1 6 6 k u 。按悬移质计算。 e 悬移质不平衡输沙计算 一维恒定渐变流不平衡输移基本微分方程为 拿：一生饵一s i , ) ( 3 - 3 0 ) 黜 q 式中s 为含沙量s ，为分组挟沙力，q 为单宽流量，。为沉速，a 为系数。 假定挟沙力沿程直线变化，韩其为求得方程式( 3 3 0 ) 的解为 型。一坐墨 耻s 一+ ( & 书j e 9 + ( 一s i , ) 盎( 1 叫 嵋 式中l 一计算断面至进口的距离：只。一计算断面分组挟沙力。 式( 3 - 3 1 ) 中不平衡输沙系数a 取值通常应予率定，也可粗略估计为： 明显淤积时：a = 0 2 5 冲淤交替时：a = 0 5 明显冲刷时