_长江福山倒套二维水沙数值模拟

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泥沙模型
3 1 EFDC 模型简介 EFDC 模型是美国环境流体力学模型的缩写。EFDC 在北美的 Chesapeake 湾、 佛罗里达 Everglades 湿 地和欧洲有数十项应用实例。但国内的相关研究相对较少, 主要集中在该模型的水质和水动力模块的 [ 12- 14] 运用 , 而针对该模型的泥沙模块的研究极少。相对于其他泥沙模型, EFDC 模型的泥沙模块主要特 点包括 : ( 1) 高精度的水动力模拟
[ 14]
; ( 2) 代码的公开化、 模块化 , 用户可以根据研究对象的特点选用有
针对性的泥沙模拟经验公式, 或者更改代码, 输入其他公式 ; ( 3) 模型普适性、 全面性, 具有模拟粘性沙及 非粘性沙、 河床分层固结、 粗化、 浮泥层、 河流、 湿地、 湖泊及海湾等; 功能有一维、 二维及三维之分。 3 2 模型方程 EFDC 泥沙及 有毒污染物质 传输模块最早 由美国 VIMS 的 John M. Hamrick 于 1990 年开发 完成。 2001 年 Mike Morton 对代码进行了整理和修正。其水动力模块国内已有不少相关研究 , 更为详细 [ 17] 的说明参见 Hamrick 。本文将对泥沙模块做简要介绍。由于泥沙方程内部的数值弥散较小 , 所以水 平扩散项舍去, 方程为
[ 6] [ 1- 5]
图1
研究区地形及水文测验站网示意图
Fig . 1 Sketch map of the studied area with hydrological survey sites
收稿日期 : 2007 -01 -31 基金项目 : 国家自然科学基金重点项目 : 太湖富营养化控制机理研究 ( 50239030) 作者简介 : 吴挺峰 ( 1981- ) , 男 , 浙江金华人 , 博士 , 主要从事环境水文学方面的研究。
[ 21] 2
推导的经验公式计算而得; 临界沉积应力
2
cd
文献值域范围为 0 06~ 1 1N m , 本文率定值为
2
0 3N/ m ; 水平扩散系数 90m s; 糙率 0 02~ 0 04。 3 4 3 模型的验证 根据 1999 年 9 月 19 日 - 20 日全潮水文泥沙测验成果 , 对水动力模型进行检验 , 边界条件设置同模 型率定。 水动力模块进行三维模拟计算。图 3 为 12 测流垂线平均流速与实测平均流速的对比结果 , 可见 计算流速值随着长江涨落潮流出现正反向有规律的变化 , 计算值与实测流速拟合较好。图 4 为长江汇 丰码头潮位检验结果 , 计算潮位过程线与实测潮位过程拟合较好 , 涨落潮位随着时间呈有规律的变化。 泥沙模块受资料所限 , 采用三维模型二维化处理。误差采用相对误差来表示。由含沙量误差统计 表可知 , 含沙量模拟平均误差 35 7% , 与实测含沙量趋势一致 , 数值吻合较好, 达到规范要求。具体误 差分析见表 1, 从误差表看到, 除 11 点外, 泥沙含量模拟的误差都比较均匀, 基本能控制在 30% 左右。 由图 5 可见计算值与实测值除个别点拟合较差外, 其它点变化趋势较为吻合。
t [13, 15, 16]
( m x m yHS j ) + z
x
( myHuSj ) +
z
y
( m xHvSj ) +
z
( m x m ywSj )
( mx m y w sj Sj ) =
KV E I mx my H z Sj + Qsj + Q sj
I E
式中 Sj 表示第 j 级颗粒的浓度值 ; 式中的源汇项分为内源项 Q sj 和外源项 Qsj , 外源项包括点源及面 源泥沙负荷, 内源项则包括悬浮态有机颗粒降解, 由絮凝作用引起的泥沙颗分的变化等。泥沙传输方程 边界条件 KV - H z Sj - w sj Sj = J j o z 0 1
2009 年 4 月
泥 沙 研 究 Journal of Sediment Research
第2期
长江福山倒套二维水沙数值模拟
吴挺峰 , 胡 艳 , 崔广柏
3 太湖流域管理局 , 上海 200434) 1, 2 3 2 210008;
( 1 中国科学院 南京地理与湖泊研究所 湖泊与环境国家重点实验室 , 江苏 南京 2 河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏 南京
KV S - w sj S j = 0 z H z j
式中 J j o 表示水土界面泥沙通量, 由河床进入水体为正值。 3 3 模型的求解 泥沙方程的数值离散采用分步方 法进行: ( 1) 水平对 流及外源输入项 求解用具有反 扩散能力的 MPDATA 数值解法 ; ( 2) 泥沙沉降项选用全隐的迎风格式求解; ( 3) 水土界面泥沙再悬浮和沉降采用隐格 式; ( 4) 采用隐格式求解垂向湍流扩散项。 3 4 模型的建立 3 4 1 网格生成 本次计算通过三维模型二维化方法对水源地水沙场进行计算。由于 EFDC 模型在水平方向采用曲 线正交网络。因此本文借助于 DELFT3D 对计算区域进行网格剖分。计算区域段河道沿中泓线总长约 25km, 南北宽 10km 左右。最终剖分得 11 445 个正交曲线网格。网格边线最长为 350m, 最短 100m 。 3 4 2 模型率定 使用 1999 年 9 月 25 日 - 26 日军用码头 团结闸实测潮位过程及泥沙资料作为模型的上、 下边界 条件, 并取徐六泾测流平台的流速及泥沙测验值作为率定数据, 见图 1。二维模型所需河床质数据采样 点分布见图 1。 EFDC 水沙模型率定所涉及的主要参数包括: 河道糙率; 泥沙沉降速度 ( 模型自动生成) ; 临界沉积应力( 因为没有实测数据 , 所以该值只能通过率定给出 ) ; 泥沙水平扩散系数。 在 EFDC 模型中用户可以自行定义各级泥沙的沉降速度 , 也可通过 Van Rijn 48
[18]
于 1984 年提出的经
验公式进行估算 Rdj :d 18 = 10 Rdj 1000 m
2 1 + 0 01R dj - 1 : 100 m < dj
w soj g dj 式中
1000 m
1 1: dj > 1000 m
g = g 式中 ,
sj
sj w
- 1
Rdj =
dj v
[ 20]
g dj
图 2 福山倒套 0m 、 - 1m 等高 线变化图 Fig. 2 Change of 0m and - 1m contour lines in Fushan watercourse
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- 1m 等高线不断向倒套深槽推进 , 倒套深槽上段及其上部串沟淤积速度较快。相对而言倒套下部串沟 ( 即倒套深槽中下段 ) 河床较为稳定。 基于以上可知, 目前 , 影响倒套水沙场稳定性的主要是倒套上部串沟 , 因此本文将借助 EFDC 模型 就上部串沟对福山倒套水沙状况的影响进行模拟预测。
为各组颗粒的密度; dj 为各组颗粒的中值粒径, v 为流体动力粘滞性。
[ 19]
表面侵蚀通量和沉降通量分别由 Partheniades J 0 = w rS r =
d r
和 Krone
b
给出
b ce
dm e dt
cd
ce
ce
:
Jo =
Βιβλιοθήκη Baidu
- w sS d 0:
b
cd
b
= - w s T dS d :
b
引江济太自实施以来 , 发挥了巨大的经济效益 , 社会效益以及生态环境效益。但也出现了不少问 题, 针对这些问题学者做了大量的工作 。但有关引江济太水源地的研究鲜有报道。事实上, 引江济 太取水口( 望虞河口 ) 位于长江福山倒套内( 图 1) , 该倒套正处于淤积状态 , 附近有铁黄沙、 狼山沙、 通洲 沙及新开沙等沙洲, 为多汊型感潮河道, 水流及地形极为复杂 , 岸边排污较重 , 水源地存在安全隐患。 鉴于引江济太对太湖流域生态环境的重要作用, 因此有必要对福山倒套进行研究。福山倒套水流滞缓, [ 7] 且正处于淤积期。静水及泥沙淤积作为影响水源地安全的关键问题 , 主要由长江河势特征决定。因 此, 倒套研究的重点应该是长江福山倒套河势和倒套内部水动力、 泥沙条件之间的关系。
210098;
摘要 : 由对历年实测地形资料分析发现 , 福山倒套目前正处于淤积阶段 , 其水沙状况主要受控于上部串沟及下 部串沟来水来 沙。借助 EFDC 模型 中的水 动力 及泥沙 模块 , 对 倒套 水沙状 况进 行数值 模拟 实验 , 结果 表明 : ( 1) 倒套内部水位降低 , 但变化不明显 ; ( 2) 倒套内部流场 流速整体下 降 , 尤 其是倒套口 门处流 速值减 小较大 ; ( 3) 倒套淤积加速 , 但倒套口门段较为稳定。因此 , 适时疏浚上部串沟是维持倒套稳定之关键。 关键词 : 河床演变 ; 福山倒套 ; EFDC 模型 ; 淤积 中图分类号 :TV147 文献标识码 : A 文章编号 : 0468 -155X( 2009) 02 - 0046 - 07
cd
cd
计算所用泥沙中值粒径为 0 016mm; 侵蚀速率
dm e 2 的文献值在 0 005~ 0 1g/ ( s m ) , 该值与河床质 dt
[ 21]
密度有关 , 随河床质密度的增加而增大 , EFDC 根据 1989 年由 Hwang 和 Mehta 推导的经验公式计算而 得; b 为由波和流共同作用在河底所产生的切应力; 河床临界抗剪切应力 ce 值可由 1989 年 Hwang 和 Mehta
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福山倒套位于长江澄通段下段 , 紧靠徐六泾节点。澄通段属于多汊型河段, 河势复杂 , 历来都是研 [ 8- 10] 究的热点 , 但有关福山倒套河势的研究却不多。本文根据大量澄通段实测水下地形资料 , 对福山倒 套的河势构造进行了分析 , 定性研究倒套河床形态特征对自身水动力结构的影响。同时 , 运用实测水文 泥沙数据对美国 EPA 资助开发的 EFDC 模型在长江澄通段适用性进行证明。在此基础上 , 运用 EFDC 三维水沙模型二维化的计算功能, 对福山倒套水沙特征进行了数值模拟, 定量确定影响倒套稳定性的关 键因素, 为引江济太水源地安全及后续水源地研究治理提供参考。
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福山倒套演变分析
福山倒套在 20 世纪 20 年代常阴沙并入南岸后形成 , 目前福山倒套全长约 12km, 现状河势大致分
成三段, 上段为福山港至望虞河口 , 长约 3 4km, 中段为望虞河口至海洋泾, 长约 5 5km, 下段为海洋泾至 深槽口门 , 长约 3 5km 。福山倒套造套的主要水动力因素为涨落潮流, 涨潮时 , 来自徐六泾节点深槽的 水流经下部串沟流入倒套 , 最后通过上部串沟汇入通洲沙西水道 ( 见图 1) ; 落潮时, 反之。因此福山倒 套的上部串沟及下部串沟是维持倒套稳定的关键。 图 2 为 1998 年及 2003 年福山倒套上部串沟 0m 及- 1m 等高线演变。可见倒套上部串沟自 1998 年 至 2003 年期间处于淤积状态。其中 1998 年铁黄沙的 0m 等高线已和沿江岸 分布的 0m 等高线相接,
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水文泥沙特征
福山倒套位于长 江澄通段与徐 六泾节点的交接 位置。该段长 江江面 宽约为 5~ 6km, 最 宽处有
10km 多, 其水文特征受径流和潮流的双重影响, 属于感潮河段, 水流年内变化较大 , 年际变化较为稳定。 大通站是该段长江径流的代表站, 根据该站的 1950 年 - 2002 年径流记录可知 , 该段长江径流多年平均 流量 28 700m / s, 汛期为 40 500m / s, 汛期水量占全年总水量 70 6% 。潮汐为不规则半日潮, 每日两涨两 落, 潮波已明显变形。根据位于澄通段的浒浦验潮站统计结果 : 该段长江多年平均高潮位为 3 74m, 平 均低潮位 1 74m, 平均涨潮历时 4 17h, 平均落潮历时 8 06h, 落潮历时约为涨潮的两倍。福山倒套位于 长江澄通段, 澄通段泥沙主要由上游径流挟带而来 , 含沙量在年内变化的大趋势和大通站相似。大通站 含沙量在年内的变化是汛期大、 枯期小 , 汛期一般在 0 5~ 0 8kg/ m , 枯期一般在 0 1~ 0 3kg m 。根据 1999 年 9 月全潮 ( 分大 , 中, 小三个潮次) 泥沙测验资料可知, 该段长江悬沙中值粒径在 0 005~ 0 022mm [ 11] 之间 , 属于细颗粒粘性沙范畴 ; 受本段多汊型河势的影响, 其河床质中值粒径的变化范围较大 ( 0 003 ~ 0 139mm) , 主汊粒径较粗 , 边滩落淤作用明显 , 颗粒较细( 见图 1) 。