水利工程論文-錢塘江河口圍墾回淤過程預(yù)測探討.doc

水利工程論文-錢塘江河口圍墾回淤過程預(yù)測探討摘要：在河口進(jìn)行圍墾，由于邊界條件的改變和納潮量的變化，一般都會(huì)引起河床的沖淤變化，對(duì)淤積過程的預(yù)測是一個(gè)非常重要且困難的問題。本文根據(jù)定床潮流計(jì)算的結(jié)果，利用河床變形方程求得圍墾后的初始淤積速率，利用最小能耗原理求得極限淤積平衡狀態(tài)，而由灰色理論求得整個(gè)淤積過程，經(jīng)動(dòng)床物理模型的印證和實(shí)測資料的檢驗(yàn)以及工程實(shí)施后的發(fā)展過程的驗(yàn)證，均表明本文提出的預(yù)測方法是可行的，具有一定的可靠性和預(yù)測精度。關(guān)鍵詞：河床變形回淤過程預(yù)測灰色模型1前言錢塘江河口潮強(qiáng)流急，寬淺多變，根據(jù)若干年來河口治理實(shí)踐，對(duì)錢塘江河口主要采用趁潮淤圍涂、固定江道、以圍代壩等治江與圍涂相結(jié)合的措施來進(jìn)行河口整治。圍墾之后，由于邊界條件的改變，導(dǎo)致了水沙運(yùn)行環(huán)境的改變，漲落潮流特性隨之變化，凈輸沙格局也相應(yīng)變化。一般地，圍墾后，槽蓄量減小，漲、落潮動(dòng)力減小，潮流所挾帶的沙量也隨之減小，與之相適應(yīng)，河床過水?dāng)嗝鎸p小，產(chǎn)生回淤現(xiàn)象，回淤的幅度和時(shí)間過程對(duì)圍墾工程而言是一個(gè)非常重要且困難的問題。由于泥沙問題的復(fù)雜性和不成熟性，采用泥沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行長歷時(shí)的計(jì)算受到諸多影響因素的制約，計(jì)算精度也就受到影響；采用物理模型代價(jià)又很大。因此，如何估算泥沙回淤過程是一個(gè)很有價(jià)值和值得研究的問題。本文從半理論半經(jīng)驗(yàn)的途徑出發(fā)，在定床潮流計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用河床變形方程、最小能耗原理、灰色模型對(duì)此問題進(jìn)行了探討，與物理模型結(jié)論和實(shí)測資料分析結(jié)論相一致，并且與工程實(shí)施后的回淤過程相吻合。2回淤機(jī)理概述河流系統(tǒng)是一個(gè)開放的非線性系統(tǒng)，它與周圍環(huán)境存在著物質(zhì)和能量的交換，系統(tǒng)內(nèi)部的自組織、自我調(diào)整作用是其演變發(fā)展的內(nèi)因，外部環(huán)境的改變則是其變化的外因，外因要通過內(nèi)因而起作用。圍墾工程的實(shí)施，改變了來水來沙條件和水沙運(yùn)行環(huán)境，必將引起河床的自我調(diào)整。決定河床形態(tài)變化趨勢和程度的自我調(diào)節(jié)機(jī)制是受河流體系能量分配和耗散原理的制約，能量分配的調(diào)整使體系內(nèi)能量分配具有最大或然率。這要求體系在調(diào)整過程中力求使熵達(dá)到最大，因而使各個(gè)可能出現(xiàn)狀態(tài)的或然率相等。根據(jù)最小能耗原理，當(dāng)流域的來水來沙條件發(fā)生變化時(shí)，河流將主要通過調(diào)整能量耗散率VJ來影響這種變化，而水流能量耗散率的沿程調(diào)整將由河寬B和水深H的沿程調(diào)整均等地承擔(dān)，從而有VJ=VV2n2/H4/3=q3n2/H13/3=min(1)由式(1)可知，為適應(yīng)邊界條件的變化，河流系統(tǒng)中反應(yīng)最為敏感、最易調(diào)整的因子是水深H，其次是單寬流量q，再次是糙率n，而變化相對(duì)緩慢、滯后的是min，它與施加于系統(tǒng)的約束有關(guān)。在圍墾后，邊界條件發(fā)生改變，在河流系統(tǒng)的自我調(diào)整作用下，各水力要素均會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化以適應(yīng)變化了的環(huán)境條件，由(1)式易得H2/H1=m(q2/q1)9/13(2)m=(n2/n1)6/13(min1/min2)3/13(3)式中”1”代表工程前，”2”代表工程后，H為水深，q為單寬流量。該結(jié)構(gòu)形式已在錢塘江河口和其它航道整治工程中得到了廣泛的應(yīng)用，本文也將據(jù)此來推求河床調(diào)整平衡后的可能沖淤厚度。錢塘江河口以懸移質(zhì)造床為主，在圍墾前后，其糙率變化不大，即n1n2；并且局部的圍墾尚不足以引起河口系統(tǒng)的能耗最小值的大幅度相對(duì)變化，因此也可假設(shè)(min1/min2)3/131，為此近似地取m1。根據(jù)(2)式，圍墾后納潮量減小，即q2減小，則H2應(yīng)減少，河床將發(fā)生淤積，其回淤關(guān)系將滿足式(2)，利用定床水流計(jì)算所得的水力要素和(2)式可求得圍墾后可能的平衡淤積厚度。另一方面，對(duì)于潮汐河口，由于潮波變形，漲、落潮不對(duì)稱，對(duì)輸水輸沙的作用是不一樣的。在某時(shí)刻的單寬輸沙率可寫成(4)式中,分別為潮周期的垂線平均流速、含沙量和水深，V，S，H分別為某一時(shí)刻平均流速、含沙量和水深與垂線平均流速、含沙量和水深的偏差。以潮周期為計(jì)算單元時(shí)，有V=S=H=0(5)故潮周期平均單寬輸沙率為(T1)(T2)(T3)(T4)(T5)(6)式中T1項(xiàng)中，恒為正，正負(fù)兩可，因此，T1的正負(fù)(方向)僅取決于漲、落潮流的強(qiáng)度對(duì)比。T1表征了優(yōu)勢流對(duì)凈輸沙的貢獻(xiàn)。T2項(xiàng)反映了stokes漂流效應(yīng)對(duì)凈輸沙的貢獻(xiàn)，在河口地區(qū)該項(xiàng)為負(fù)值。T3的符號(hào)依VS的正負(fù)而定，后者既取決于流速過程線的含沙量過程線和相位關(guān)系，還與漲、落潮掀沙效應(yīng)的差異有關(guān)。漲潮含沙量大于落潮含沙量時(shí)，T3為負(fù)，反之為正。故T3反映了漲、落潮流挾沙強(qiáng)度對(duì)凈輸沙的貢獻(xiàn)。T4為含沙量與水深變化的相關(guān)項(xiàng)，因研究區(qū)段處在動(dòng)力平衡帶，AKV-的絕對(duì)值通常較小，故T4的絕對(duì)值也較小，T5項(xiàng)依賴于V，S，H的相關(guān)性，其絕對(duì)值與前三項(xiàng)相比小得多。由方程(4)可知，潮流對(duì)凈輸沙的貢獻(xiàn)取決于漲、落潮流特性的相對(duì)變化。圍墾之后，由于流速、潮量的減小，漲、落潮動(dòng)力減小，潮流所挾帶的沙量也隨之減小，漲、落潮優(yōu)勢流和挾沙強(qiáng)度的相對(duì)變化決定了圍墾之后河口的凈輸沙格局的變化和演變發(fā)展趨勢。工程前后，河道的沖淤主要取決于優(yōu)勢流與挾沙強(qiáng)度的相對(duì)變化，為此可用輸水輸沙的相對(duì)變化來判斷可能發(fā)生的沖淤情況。比如，對(duì)漲潮沖刷槽而言，當(dāng)漲潮輸沙量大于落潮輸沙量時(shí)，將發(fā)生沖刷，可用優(yōu)勢沙表示G=(VHSt)f/(VHSt)e(Vf3tf)/(Ve3te)SV2/H(7)式中下標(biāo)f表示漲潮，下標(biāo)e表示落潮，S為含沙量。同樣，定義優(yōu)勢流為漲潮潮量與落潮潮量之比，即優(yōu)勢流為漲、落潮相對(duì)輸水量之比F=(Qf/Qe)(8)G2G1,F2F1時(shí)，河床將發(fā)生沖刷，當(dāng)G2G1,F2F1時(shí)，河床將發(fā)生淤積。由優(yōu)勢流和優(yōu)勢沙的概念，可以利用定床計(jì)算的水力要素來判斷圍墾后河床發(fā)生沖、淤的部位及可能發(fā)生的演變趨勢。根據(jù)上述概念所得到的沖、淤平面分布與工程實(shí)施后出現(xiàn)的分布情況相一致。3回淤預(yù)測公式一般形式根據(jù)河床變形方程1可建立如下沖淤模式(9)式中k為沉降機(jī)率(在錢塘江河口可取12)；為泥沙沉降速度(4510-4m/s)；s為含沙量；s*為挾沙力；為泥沙干容重。在圍墾之前(天然情況下)，可認(rèn)為河床處于相對(duì)沖淤平衡狀態(tài)，即，有s1=s1*，在潮汐河口，有s*=(v2/gh)(10)圍墾后初期，假定來沙不變，即s2=s1，由于圍墾引起水流條件的改變，必然引起挾沙能力的相應(yīng)變化，造成河床的沖淤變化，其沖淤強(qiáng)度可由(9)式的差分而求得，即p=kw(s2-s2*)/(11)代入挾沙關(guān)系(10)可得p=kws1/(1-(v2/v1)2(h1/h2)(12)上式中，當(dāng)p0時(shí)，可認(rèn)為得到?jīng)_淤極限平衡狀態(tài)，即h2H2，從而可求得平衡水深H2H2=(q2/q1)aH1(13)式中=2/3,q1=v1h1,q2=v2h2，水力要素均由定床潮流計(jì)算求得。上式在錢塘江河口中已達(dá)到了廣泛的應(yīng)用，它與前文根據(jù)最小能耗原理所得的平衡關(guān)系式(2)相接近，但該式隱含了工程前后挾沙力不變的假設(shè)，從而也說明了最小能耗原理更具有一般性，可用于一般的河床演變分析。當(dāng)圍墾工程實(shí)施后，由于河床變形相對(duì)滯后，可假設(shè)圍墾后初期含沙量不變，從而可利用定床計(jì)算所得的水力要素，由式(12)可求得圍墾后初期的淤積速率p。對(duì)于潮汐河口，正如前述，由于漲、落潮對(duì)泥沙的輸移作用是不一樣的，為了利用上述由沖積河流所得的公式(12)，可以將公式中對(duì)應(yīng)的水力要素取全潮平均進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)取半潮平均時(shí)，可以分別得到半潮淤積速率p1(漲潮)和p2(落潮)，則淤積速率取二者相比較大者，p=max(p1,p2)，或根據(jù)當(dāng)?shù)氐臎_淤特性來選取，對(duì)漲潮占優(yōu)者取p1，對(duì)落潮占優(yōu)取p2，對(duì)漲、落持平者，取p=(p1+p2)/2作為初期淤積速率。4回淤過程的灰色預(yù)測上文已求得圍墾后初期的可能淤積速率和平衡淤積厚度。由于河床的自我調(diào)整作用，隨著淤積的發(fā)展，水流要素也會(huì)受到影響而發(fā)生變化，從而進(jìn)一步地影響河床的回淤速率。從原則上講，可由(12)式進(jìn)行迭代求解整個(gè)回淤過程，但由于在迭代過程中，水沙要素的變化不易確定，為進(jìn)一步求解帶來了一定的困難。在此，采用灰色預(yù)測方法來預(yù)估回淤過程。由于泥沙系統(tǒng)是一個(gè)本征性的灰色系統(tǒng)，可以采用GM(1，1)2模型來進(jìn)行預(yù)測，利用上文已求得的初始淤積速率和平衡淤積厚度，可以求得回淤過程和淤積速率的變化過程。對(duì)GM(1.1)模型有(14)其中,為待定系數(shù)，z(1)為累積淤積厚度。對(duì)灰色模型(14)而言，有解析解(15)對(duì)上式求導(dǎo)，可得淤積速率滿足(16)為方便起見，以初始地形為基準(zhǔn)，即取z0=0。顯然，當(dāng)淤積得到平衡時(shí)，有；在淤積初期有，根據(jù)上述條件和前文已求得的平衡淤積厚度和初始淤積速率，可以求得待定系數(shù)，從而得到回淤過程。5應(yīng)用實(shí)例*根據(jù)上述思想，在錢塘江河口尖山河灣南股槽整治研究中，建立了平面二維潮流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，利用該定床模型所求得的水流參數(shù)和實(shí)測含沙量資料，對(duì)圍墾后的河床變形和演變趨勢進(jìn)行了分析預(yù)測。*宋立松等.錢塘江尖山河灣南股槽整治數(shù)學(xué)模型整治研究之三.浙江省河口海岸研究所(內(nèi)部報(bào)告)，1996.12。5.1定床潮流模型針對(duì)錢塘江尖山河灣特點(diǎn)，建立了平面二維潮流模型，其控制方程為連續(xù)方程：(17)運(yùn)動(dòng)方程：(18)(19)式中z為潮位，即水面到達(dá)一基準(zhǔn)面的距離；U，V分別為x,y方向上的垂線平均流速分量；h為水深；g為重力加速度；f為柯氏力參數(shù)(f=2esin,為緯度，e為地球自轉(zhuǎn)速度)；Cz為謝才系數(shù)；x,y分別為水流在x,y方向的渦動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；x,y分別為x,y方向的風(fēng)應(yīng)力分量。上述方程組的初始條件z(x,y)|t=0=z0(x,y)U(x,y)|t=0=U0(x,y)V(x,y)|t=0=V0(x,y)圖1錢塘江尖山河灣南股槽治理方案示意圖SketchofsouthbranchcontrolschemeofJianshanbendinQiantangestuary邊界條件水邊界:z(x,y,t)=z*(x,y,t)“*”表示已知值，陸邊界:法線方向流速為零；在南股槽整治研究中，選用了無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的差分方法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，即對(duì)式(18)，(19)應(yīng)用不規(guī)則網(wǎng)格差分離散，對(duì)離散方程進(jìn)行了數(shù)值求解，求得圍墾前后的有關(guān)水力要素(U1,V1,h1,U2,V2,h2),從而可得到：,q1=v1h1,q2=v2h2,有了以上參數(shù)，即可應(yīng)用本文方法進(jìn)行圍墾后回淤過程的預(yù)測。5.2回淤預(yù)測從優(yōu)勢流(F)與優(yōu)勢沙(G)的相對(duì)比較來看，二者所反映的趨勢是基本一致的，淤積基本上以東進(jìn)閘為中心(圖1)，處于淤積環(huán)境中，個(gè)別地方反而略有沖刷，下游較遠(yuǎn)處(臨海浦以下)基本上可維持平衡。