3数学模型的验证计算

3.1计算范围、网格剖分及边界条件

数学模型计算范围上游起八十丈水道,下游至章华港闸,模拟河段全长约11km,模型采用无结构三角形网格。边界和工程区域网格加密,网格边长40m,模拟区域共计44119个单元,22427个网格节点,垂向网格共分为10层,采用对数形式分布。上游边界采用流量控制,下游开边界由实测水位流量关系控制,网格剖分及验证断面位置如图3.1-3.4所示。

      

3.1长江莱家铺河道数值模型示意图

3.2 长江莱家铺河道数值模型局部网格示意图

 

3.3航道整治工具:护滩工程示意图

 

3.4航道整治工具:护滩工程三维示意图

 

边界条件初始条件的设置:通常,对水流的计算时,进口边界给出流量过程线,出口边界给定水位-流量过程。在本次计算时,因为本模型所考虑的是恒定来流情况下的模拟,故进口应给定恒定的流量值。验证计算时,进口流量分别为6100 m3/s19000 m3/s,出口的水位—流量过程如下图所示。

3.5 长江莱家铺河道数值模型水位-流量关系示意图

对模型网格与所给边界条件初始条件进行设定,给定计算所需的基本资料,如地形数据、水位初值、糙率数据、消波区系数等,进行数据校验即完成前处理工作。

计算时的控制参数按如图数据控制,计算步长1000,时间步长0.001,时间单位小时,共计算时间1小时。

 

3.6 长江莱家铺河道数值模型控制参数示意图

3.2、断面水深及平均流速验证

数学模型计算区域共有4个实测断面(6#7#7-1#8#),如图3.7所示。各个断面有两个流量级(流量为6100m3/s19000m3/s)的实测数据。

3.7 莱家铺水道实测断面位置图

3.2.1、流量为6100m3/s时断面水深及平均流速验证

6#断面共6个流速沿垂向分布的测点,各测点起点距分别为y=163m307m453m598m745m891m7#断面共6个流速沿垂向分布的测点,起点距分别为y=573m720m870m1014m1161m1308m7-1#断面共7个流速沿垂向分布的测点,各测点起点距分别为y=499m645m793m943m1090m1237m1387m8#断面共5个流速沿垂向分布的测点,各测点起点距分别为y=453m593m736m877m1018m流量为6100 m3/s时,各测点流速沿垂向分布的实测值及数模计算值如图3.8~3.19所示,验证结果表明数学模型的三维流速计算结果与实测资料吻合良好。

3.8  6#断面起点距163垂向流速对比   3.9  6#断面起点距307垂向流速对比

3.10 6#断面起点距453垂向流速对比 3.11 6#断面起点距598垂向流速对比                                          

3.12  7#断面起点距720垂向流速对比     3.13  7#断面起点距870垂向流速对比

 

3.14  7#断面起点距1014垂向流速对比  

 

3.15  8#断面起点距593垂向流速对比   3.16  8#断面起点距736垂向流速对比

 

3.17  8#断面起点距877垂向流速对比  

 

3.18 7-1#断面起点距645垂向流速对比  3.19 7-1#断面起点距1387垂向流速对比

 

注:横坐标表示流速(/),纵坐标表示相对水深位置

 

验证结果表明数学模型的三维流速计算结果与实测资料吻合良好。

 

    6#断面 7#断面,7-1#断面,8#提供了水深、平均流速的实测数据。 6#断面共41个水深测点,6个平均流速测点,其中,平均流速测点起点距分别为y=163m307m453m598m745m891m7#断面共36个水深测点,6个平均流速测点,其中,平均流速测点起点距分别为y=573m720m870m1014m1161m1308m7-1#断面共46个水深测点,7个平均流速测点,其中,平均流速测点起点距分别为y=499m645m793m943m1090m1237m1387m8#断面共32个水深测点,5个平均流速测点,其中,平均流速测点起点距分别为y=453m593m736m877m1018m,各个测量断面水深分布实测值及数模计算值对比和各个测量断面平均流速分布实测值及数模计算值对比。如图3.20~3.27

3.20  6#断面水深变化与实测值对比

3.21  6#断面平均流速变化与实测值对比

3.22  7#断面水深变化与实测值对比

3.23  7#断面平均流速变化与实测值对比

3.24  7-1#断面水深变化与实测值对比

3.25  7-1#断面平均流速变化与实测值对比

3.26  8#断面水深变化与实测值对比

3.27  8#断面平均流速变化与实测值对比

 

6#断面 7#断面,7-1#断面,8#提供了断面平均流量、断面过流面积,断面平均流速的实测数据。各个测量断面平均流量、断面过流面积,断面平均流速的实测数据实测值及数模计算值对比如图3.28-3.30 。图中横坐标代表沿程的断面, 1代表6#断面2代表7#断面,3代表7-1#断面,4代表8#断面

3.28沿程断面流量变化与实测值对比

3.29沿程断面过流面积变化与实测值对比

 

3.30沿程断面平均流速变化与实测值对比

 

如图3.30~3.40家铺在流量19000 m3/s情况下部分节点垂向流速计算与实测对比。

3.30  6#断面起点距326垂向流速对比   3.31  6#断面起点距482垂向流速对比

3.32  6#断面起点距783垂向流速对比      3.33  6#断面起点距936垂向流速对比                                          

3.34  6#断面起点距1112垂向流速对比

3.35  7#断面起点距1093垂向流速对比   3.36  7#断面起点距1093垂向流速对比

3.37  8#断面起点距453垂向流速对比   3.38  8#断面起点距593垂向流速对比

3.39  8#断面起点距877垂向流速对比   3.40  8#断面起点距1018垂向流速对比

 

注:横坐标表示流速(/),纵坐标表示相对水深位置

 

3.2.2、流量为19000m3/s时断面水深及平均流速验证

 

如图3.41~3.46莱家铺流量19000m3/s时各个断面水深和流速数据计算结果与实测数据对比。

3.41  6#断面水深变化与实测值对比

3.42  6#断面平均流速变化与实测值对比

3.43  7#断面水深变化与实测值对比

3.44  7#断面平均流速变化与实测值对比

3.45  8#断面水深变化与实测值对比

3.46  8#断面平均流速变化与实测值对比

 

如图3.47~3.49 沿程的流量,平均流速,断面面积实测值计算结果与实测数据对比。

3.47沿程断面流量变化与实测值对比

 

3.48沿程断面过流面积变化与实测值对比

 

3.49沿程断面平均流速变化与实测值对比

 

由以上计算结果和实测数据的对比验证,可以看出,计算值基本与实测值相符,吻合程度很好,由此可得出,本模型可以正确模拟长江莱家铺水道的水流运动情况。

 

 

4方案分析

4.1 护滩工程实施前后水流形态变化分析

为了保护岸滩,防止水流强度过大,导致水土流失,在长江莱家铺河段修建5处护滩工程,分别代号ABCDE工程,工程的位置描述如下图4.1所示。

4.1 莱家铺河段护滩位置布置图

4.2 莱家铺河段护滩工程后三维地形图

      

分别计算莱家铺河段在12600 m3/s流量下,护滩工程实施前后的流场变化

4.2 护滩工程前后的水流流态变化

4.3 莱家铺河段流量12600m3/s时护滩工程前水深分布图

4.4莱家铺河段流量12600m3/s护滩工程前表层流速分布三维图

4.5 莱家铺河段流量12600m3/s护滩工程后表层速度场分布三维图

4.6莱家铺河段流量12600m3/s护滩工程前截面速度场分布图

4.7莱家铺河段流量12600m3/s护滩工程后截面速度场分布图

 

 

4.8莱家铺河段流量12600m3/s护滩工程前流速分布图

4.9莱家铺河段流量12600m3/s护滩工程后流速分布图

4.10 莱家铺河段流量12600m3/s护滩工程前后流场(局部)

4.11 莱家铺河段流量12600m3/s护滩工程前后流场(局部)

 

4.12 莱家铺河段流量12600m3/s时护滩工程前后流场(局部)

4.13 莱家铺河段流量12600m3/s护滩工程后水流强度分布

4.14莱家铺河段流量12600m3/s护滩工程后挟沙力分布

4.2 护滩工程前后的三维水流结构变化

为了分析护滩工程实施前后护滩位置处的动力条件变化,在护滩左右布置22去数据点,数据点的布置图见图4-3其中A1A4数据点位于A处护滩B1B4数据点位于B出护滩;C1C4数据点位于C处护滩D1D5数据点位于D处护滩E1E5数据点位于E处护滩

 

4.15A 莱家铺河段垂向流速分布特征位置

4.15B 莱家铺河段垂向流速分布特征位置

 

4-14-26100m3/s流量、12600m3/s流量条件下护滩工程实施前后流态变化表。通过以上不同计算条件下垂向平均流速和流场对比图,对莱家铺河段水流变化进行分析。

 

4.1 6100m3/s流量下平均垂向特征流速对比

编号

X

Y

工程后平均流速

工程前平均流速

A-1

369550.4

3293596

0.5154

0.5319

A-2

369484.7

3293893

0.8548

0.8902

A-3

369686.1

3293989

0.8782

0.9089

A-4

369623.6

3293784

0.8587

0.8772

B-1

369863.1

3294056

0.7713

0.7418

B-2

369833.5

3294330

0.2462

0.3056

B-3

370092.6

3294226

0.0215

0.0233

B-4

369978.8

3294170

0.7516

0.7925

C-1

370356.8

3294396

0.9216

0.9675

C-2

370364.8

3294696

1.0041

1.0506

C-3

370592.7

3294538

0.9614

0.9985

C-4

370471.6

3294491

0.7339

0.7039

D-1

374976.4

3291500

0.5012

0.5047

D-2

374975.2

3291730

0.8621

0.8685

D-3

375216.2

3291788

0.9923

1.0133

D-4

375187.5

3291584

0.9431

0.9722

D-5

375101.3

3291661

0.6333

0.6579

E-1

375516.3

3291112

0.5354

0.4951

E-2

375490.6

3291303

0.9910

1.0398

E-3

375652.1

3291341

1.1227

1.1784

E-4

375665

3291157

1.0218

1.0588

E-5

375591.1

3291217

0.8799

0.9030

 

 

4.2 12600m3/s流量下平均垂向特征流速对比

编号

X

Y

工程后平均流速

工程前平均流速

A-1

369550.4

3293596

0.5427

0.5345

A-2

369484.7

3293893

0.7945

0.7834

A-3

369686.1

3293989

0.8540

0.8428

A-4

369623.6

3293784

0.8778

0.8653

B-1

369863.1

3294056

0.8915

0.8657

B-2

369833.5

3294330

0.8483

0.7997

B-3

370092.6

3294226

0.4270

0.4274

B-4

369978.8

3294170

0.6774

0.6788

C-1

370356.8

3294396

0.8290

0.8324

C-2

370364.8

3294696

0.5427

0.5345

C-3

370592.7

3294538

0.7945

0.7834

C-4

370471.6

3294491

0.8540

0.8428

D-1

374976.4

3291500

0.8185

0.8047

D-2

374975.2

3291730

1.0759

1.0600

D-3

375216.2

3291788

1.1374

1.1210

D-4

375187.5

3291584

1.0533

1.0377

D-5

375101.3

3291661

0.8136

0.8000

E-1

375516.3

3291112

0.5722

0.5632

E-2

375490.6

3291303

0.8795

0.8761

E-3

375652.1

3291341

0.9989

0.9952

E-4

375665

3291157

0.9906

0.9882

E-5

375591.1

3291217

0.9307

0.9315

 

通过对表4-14-2和图4.44.7的分析可知:

从流速分布看:6000 m3/s流量下,护滩带上游A1位置平均流速由0.5319m/s减小到0.5154m/sC1 位置平均流速由0.9675m/s减小到0.9216m/sD2位置平均流速由0.8685m/s减小到0.8621m/sE2位置平均流速由1.0398m/s减小到0.991m/s12600 m3/s流量下,护滩带上游A1位置平均流速由0.5345m/s0.5427m/sC1 位置平均流速由0.8324m/s0.8324m/sD2位置平均流速由1.06m/s1.0759m/sE2位置平均流速由0.8761m/s0.8795m/s

下图4.164.58详细的描述了6000m3/s12600 m3/s两个流量级下,21个数据点在护滩工程实施前后垂向的平均速度的对比。其中图4.164.37为流量6100m3/s下垂向流速的对比。图4.384.58为流量12600m3/s下垂向流速的对比。

 

4.16 A-1点垂向流速对比                            4.17 A-2点垂向流速对比

4.18 A-3点垂向流速对比                           4.19 A-4点垂向流速对比

4.20 B-1点垂向流速对比                           4.21 B-2点垂向流速对比

4.22 B-3点垂向流速对比                           4.23 B-4点垂向流速对比

4.24流量6100m3/sC-1点垂向流速对比   4.25流量6100m3/sC-2点垂向流速对比

4.26 C-3点垂向流速对比                           4.27 C-4点垂向流速对比

4.28 D-1点垂向流速对比                           4.29 D-2点垂向流速对比

 

4.30 D-3点垂向流速对比                          4.31 D-4点垂向流速对比

4.32 D-5点垂向流速对比

   

4.33 E-1点垂向流速对比                           4.34 E-2点垂向流速对比

 

4.35 E-3点垂向流速对比                              4.36 E-4点垂向流速对比

4.37 E-5点垂向流速对比

 

 

4.38 A-1点垂向流速对比                            4.39 A-2点垂向流速对比

4.40 A-3点垂向流速对比                         4.41 A-4点垂向流速对比

4.42 B-1点垂向流速对比                           4.43 B-2点垂向流速对比

4.44 B-3点垂向流速对比                     4.45 B-4点垂向流速对比

4.46 C-1点垂向流速对比                         4.47 C-2点垂向流速对比

4.48 C-3点垂向流速对比                         4.49C-4点垂向流速对比

4.50 D-1点垂向流速对比                          4.51 D-2点垂向流速对比

 

4.52 D-3点垂向流速对比                         4.53 D-4点垂向流速对比

4.54 D-5点垂向流速对比

 

4.55 E-1点垂向流速对比                         4.56 E-2点垂向流速对比

 

4.57 E-3点垂向流速对比                          4.58 E-4点垂向流速对比

4.59 E-5点垂向流速对比

 

4.3 结果分析

通过建立三维自由水面模拟数学模型,利用流速、流量、水位等资料进行验证,从验证结果可以看出,计算值与实测值吻合较好,表明所建模型可以真实反映护滩工程实施前后水流的基本特征。通过分析计算枯季6000m3/s、洪水季12600 m3/s两个流量级下的护滩前后的变化,具有一定的代表性,能反映了该河段的水动力特性。

通过数学模型计算分析,护滩头部A-1 B-1,C-1,D-2,E-2位置 护滩的工程在枯季即6000m3/s情况下比洪水季即12600 m3/s对流速的影响大。护滩带下游侧护底D-1E-1位置护滩的工程在枯季即6000m3/s情况下比洪水季即12600 m3/s对流速的影响大。在6000m3/s的情况下,护滩A也就是A-4垂向的平均流速由0.8772m/s变为0.8587m/s,护滩B也就是B-4垂向的平均流速由0.7925m/s变为0.7516m/s,护滩C也就是C-4垂向的平均流速由0.7039m/s变为0.7339m/s,护滩D也就是D-5垂向的平均流速由0.6579m/s变为0.6333m/s,护滩E也就是E-5垂向的平均流速由0.903m/s变为0.8799m/s。在12600 m3/s的情况下,护滩A也就是A-4垂向的平均流速由0.8653m/s变为0.8778m/s,护滩B也就是B-4垂向的平均流速由0.6788m/s变为0.6774m/s,护滩C也就是C-4垂向的平均流速由0.8428m/s变为0.854m/s,护滩D也就是D-5垂向的平均流速由0.8m/s变为0.8136m/s,护滩E也就是E-5垂向的平均流速由0.9315m/s变为0.9307m/s