二维动床泥沙数学模型在“单向冲刷”江道中的应用——以曹娥江为例

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构建绍兴市曹娥江流域水动力模型的探讨

第 3 期总第 223 期 2019 年 5 月
浙江水利科技 Zhejiang Hydrotechnics
No . 3 Total No . 223 May 2019
构建绍兴市曹娥江流兴 312000）
摘要：为研究绍兴市平原河道中水流的运动特征，在分析绍兴市平原河网一维水动力模型的基础上，探讨
1 流域概况
曹娥江位于浙江省绍兴市，是浙江省八大水系之一，主流澄潭江，发源于金华市磐安县尖公岭，经绍兴市新昌县镜岭镇、澄潭镇澄潭江，北流至绍兴市嵊州市城关镇附近与新昌江、长乐江、黄泽江汇合后总称曹娥江，折西北流至绍兴市柯桥区新三江闸注入杭州湾。河道全长 197 km，流域面积 6 046 km2。
流域面积 / km2 851 250 159 877 212 116 113 146 533 584
河道长度 / km 88 46 37 76 45 32 29 27 70 61
·21·
吴勇，等：构建绍兴市曹娥江流域水动力模型的探讨
支流名称下一级支流吕根溪合溪上东溪
里东江隐潭溪下管溪小舜江
月份为春雨季，降水量约占全年降水量的 18%；5 — 7 月份为梅雨季，降水量约占全年降水量的 35%，雨量大且持续时间长；8 — 10 月份为台风雨季，降水量约占全年降水量的 15%，受台风影响主要为暴雨，山区性河道水位易暴涨暴落。
曹娥江干流章镇以上及支流小舜江汤浦镇以上为山区性河段，不受海洋潮汐影响，以径流作用为主；曹娥江河口大闸建成前，章镇以下至曹娥江大闸段为感潮河段，其水流动态不仅受到上游来水影响，也受到下游曹娥江河口海洋潮汐回水顶托的影响，径流和潮流共同作用；河口大闸建成后，曹娥江干流水流动力受径流作用。

曹娥江大闸闸上河道建桥通航水流条件

2021年6月第6期总第583期水运工程Port&Waterway EngineeringJun.2021No.6Serial No.583曹娥江大闸闸上河道建桥通航水流条件*郑国诞1,2,吴军君3,史英标▽,曹颖',2,唐子文▽(1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；2.浙江省河口海岸重点实验室，浙江杭州310020；3.浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江杭州310020)摘要：曹娥江大闸从2008年底开始运行，平时关闸蓄水，洪汛期开闸放水。

闸上河道从“洪冲潮淤”向“单向冲刷”转换，河床发生着较大的变幅。

在这种江道环境中建设桥梁最重要的一个制约因素为通航水流条件，主要为工程河段的河势情况、流速流态条件以及桥梁建设后的影响。

通过建闸后多年地形分析工程河段河势现状以及趋势，并通过建立平面二维数学模型对航道内流速进行计算分析。

研究可知：1)若无较大人类活动干涉，工程河段河势稳定，滩槽格局不会发生变化。

2)在通航高水位下，流速流态符合通航要求，建桥对航道的影响较小。

因此在此河段建设桥梁是可行的。

关键词：曹娥江；桥梁；通航；河势；流速中图分类号：U641；U611文献标志码：A文章编号：1002-4972(2021)06-0141-06Navigable flow conditions of bridge constructionin the upper channel of the Cao，e River gateZHENG Guo-dan1,2,WU Jun-jun3,SHI Ying-biao1,2,CAO Ying1,2,TANG Zi-wen1,2(1.Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary,Hangzhou310020,China;2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Estuary and Coast,Hangzhou310020,China;3.Reconnaissance and Design Institute,Qiantang River Administration of Zhejiang Province,Hangzhou310020,China)Abstract：The Cao'e River gate has been in operation since the end of2008.The gate is normally closed for storage and opened for drainage during flood seasons.The river channel on the gate has changed from"scouring during the flood and silting during tide"to"single-direction scouring",and the riverbed has undergone a large change.In this river environment,one of the most important restricting factors for the bridge construction is the navigable flow conditions,which are mainly the river regime,flow velocity and flow pattern conditions of the project reach,and the influence of the bridge construction.In this paper,the current situation and trend of the river regime of the project reach are analyzed based on the topography of many years after the gate was built,and the flow velocity in the channel is calculated and analyzed by establishing a plane two-dimensional mathematical model.The study shows that:1)Without the interference of large human activities,the river regime of the project reach is stable and the pattern of the beach channel will not change.2)The flow velocity pattern meets the navigation requirements under the navigation high water level,and the construction of the bridge will have little impact on the channel. Therefore,it is feasible to build bridges in this reach.Keywords：the Cao'e River;bridge;navigable;river regime;flow velocity曹娥江大闸是亚洲最大的强涌潮河口第一大闸，位于钱塘江南岸曹娥江河口处，于2008年12月下闸蓄水[1]o大闸的建设阻挡了外海泥沙进入河道，改变了闸上河道水流泥沙运动规律，现状的收稿日期：2020-08-12基金项目：浙江省科技计划项目(2015C03003)；国家自然科学基金项目(51609214)作者简介：郑国诞(1986—),男，硕士，高级工程师，研究方向为水动力数值模拟、物摸模型试验• 142 •水运工程2021 年河道形势和水流条件与建闸前发生了巨大的改变,通航水流条件也随之改变。

二维泥沙模型在水库淤积分析中的应用

的统计资料，当年全国的总淤积量达ｌ１５亿ｍ，
占当时全国水库总容量的１４．２％，且淤积量仍以
惊人的速度增长。淤积是由于水位变化后上游来沙与当地河床边
动量方程：（詈）＋丢（詈）＋ｇ＋ｇ
摘要：本文基于二维泥沙数学模型，研究水库泥沙淤积的一般规律，讨论其发展特征，并对水库可持续利用运行
模式的效益进行分析。希望为类似工程可持续利用调度和淤积分析处理提供借鉴和帮助。关键词：二维泥沙模型；水库；淤积；分析中图分类号：ＴＶ１４５文献标识码：Ａ文章编号：ｔ６７２ — ２４６９（２０１５）０９ — ００７１ — ０３
一
定程度上会引起淤泥沉积，使库容降低，影响水
圣维南定理，先列出二维水流连续性方程：
：０
ａｔａ
库发电能力，缩短水库使用寿命，因此水库可持续
利用调度决定了水库的功能和效益。根据１９８１年
Ｑ为流量，Ｇ为推移质输沙率，Ａ为断面冲淤面积，ｚ为水位，Ｂ为河宽，Ｓ为悬移质分组含沙量，．ｓ为水流挟沙能力。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
水库可持续利用运行模式的效益进行了分析。

长河段二维水沙数学模型研究及应用

长河段二维水沙数学模型研究及应用郭阳;王建军【摘要】为了适应长江长河段系统治理技术的需要,对TK-2DC软件水沙计算核心部分进行了并行程序开发,将并行计算技术应用到长河段水沙数学模型中,大大提高了长河段水沙模拟计算效率及模型计算的时效性.建立了长江中游沙市—监利、戴家洲—牯牛沙及长江下游安庆—南京长河段平面二维水沙数学模型,对航道整治工程效果进行了模拟预测.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2012(000)004【总页数】6页(P149-154)【关键词】长河段;并行计算;水沙数学模型;TK-2DC;系统治理【作者】郭阳;王建军【作者单位】交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456;交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456【正文语种】中文【中图分类】U617;TP319三峡工程建成蓄水后，由于清水下泄，坝下游河道发生长距离、长时段的沿程冲刷与河势调整，将给长江中游航道带来极为复杂的影响和新的问题。

这种长期“清水”冲刷所带来的河道冲淤、河势调整和洲滩变化必将引起中游航道条件发生改变，同时也对航道整治技术提出了更高的要求。

因此在新的河道水沙条件下，需要开展长江中下游航道系统治理成套技术研究，其中，长河段水沙数学模型研究是顺利实施长江中下游航道系统整治[1-2]的重要技术手段。

目前，数学模型在水流、波浪、泥沙和水环境已经得到广泛应用，几乎每一个具体工程都要运用数学模型回答相关的工程问题，如沿海港口、河口以及内河航道整治等。

但对于大范围海区、长河道的计算平台的建设由于受到PC计算机计算能力的限制，还处于起步阶段。

另外，对于局部复杂水流结构和大范围流域系列年水沙计算等的模拟，需要建立复杂的模型，计算容量和运行速度要求很高。

虽然个人计算机的计算能力已经得到了飞速发展，但还远远不能满足不断提高的科学计算需要，因此须采用高效并行技术。

感潮河段水沙数学模型研究与应用

感潮河段水沙数学模型研究与应用董炳江;袁晶【摘要】感潮河段的水流和泥沙运动均具有很强的非恒定性,采用有限体积法建立了一套感潮河段平面二维水流泥沙数学模型.模型采用同位网格的SIMPLEC法对水流方程进行离散和求解,较全面地考虑了非均匀悬移质及推移质运动,具有较好的普遍适用性.以长江下游口岸直河段和仪征河段为例,分别对模型作了定床和动床计算,计算结果与实测值符合较好,从而证明了模型的可靠性.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2012(043)001【总页数】4页(P18-21)【关键词】数学模型;泥沙冲於;长江下游;感潮河段【作者】董炳江;袁晶【作者单位】长江水利委员会水文局,湖北武汉430010;长江水利委员会水文局,湖北武汉430010【正文语种】中文【中图分类】TV142长江下游有相当长河段属于感潮河段，感潮河段水流不仅受径流的影响还受到潮汐动力的作用。

由于潮汐存在周期性变化，在涨潮、落潮更替阶段，流向也随之朝相反的方向改变;流速和流量亦随潮位的不同而变化，因此水动力特征极为复杂。

感潮河段泥沙大体来自两个部分:一部分为内陆径流挟运而来的流域泥沙，另一部分为随潮而来的海域泥沙，且泥沙运动与水流运动呈现出复杂的关系，水流、泥沙运动均具有很强的非恒定性，而非恒定输沙也正是未来泥沙科学研究的热点之一［1］。

随着人们对泥沙输运过程认识的进展和数值计算条件、方法的提高，泥沙数学模型在感潮河段工程中得到广泛的应用，并且日益成为研究水流、泥沙等运动规律的一个强有力的手段，普遍受到人们的重视［2］。

感潮河段平面二维水沙数学模型主要依据非恒定水动力学、河流泥沙动力学、河床演变等基本方程，根据一定的河道地形和水沙条件，利用现代高速计算机技术和数值求解技术，通过模型的反复试算、率定，从而预测、预报在一定水沙和河道边界条件下的水沙运动和河道冲淤变形，是目前研究感潮河段水动力情况、河势变化预测预报以及工程泥沙问题的主要手段之一。

二维潮流泥沙数学模型理论及工程应用的开题报告

二维潮流泥沙数学模型理论及工程应用的开题报告一、研究背景和意义潮流泥沙是河流流域中非常重要的物质组成部分，对于河流交通、水文环境工程建设、土地利用等方面的影响较大。

因此，建立潮流泥沙数学模型并研究其理论和工程应用，对于改善河流流域的环境、保护河流生态系统、开展水利工程建设等方面具有重要的现实意义。

二、研究目的和内容本文主要以二维潮流泥沙数学模型理论与工程应用为研究对象，旨在通过对潮流泥沙数学模型理论的深入剖析、建模、验证和应用实例剖析等方面的研究，进一步完善潮流泥沙数学模型在实际工程中的应用，提高潮流泥沙数学模型的预测精度，为实际工程应用提供数据和理论支持。

三、主要研究内容（1）二维潮流泥沙数学模型理论分析及建模；（2）二维潮流泥沙数学模型参数获取方法研究；（3）二维潮流泥沙数学模型验证方法和实验设计；（4）二维潮流泥沙数学模型在实际工程中的应用实例分析；（5）针对现有模型存在的问题对二维潮流泥沙数学模型优化的研究。

四、研究方法和流程本文主要采用数学模型与实验相结合的研究方法，通过对二维潮流泥沙数学模型理论的建模以及对模型进行实验验证，探究模型存在的不足之处并利用相关算法进行优化，力求探究二维潮流泥沙数学模型的科学性和可操作性，并为实际工程应用提供理论与相关数据。

五、预期研究成果（1）建立二维潮流泥沙数学模型并进行相关分析与验证；（2）提出针对模型存在的问题的解决方案；（3）应用二维潮流泥沙数学模型成功开展相关水文环境工程建设；（4）在环境保护、生态建设和水利工程等方面提供相关数据和理论支持。

六、论文框架本文计划包括绪论、潮流泥沙数学模型理论分析、模型应用实例分析、模型优化研究等章节，具体结构如下：1.绪论1.1 研究背景与意义1.2 国内外研究现状1.3 研究目的与意义1.4 研究方法与流程1.5 预期研究成果2.潮流泥沙数学模型理论分析2.1 潮流泥沙数学模型建立原理2.2 潮流泥沙数学模型的基本参数2.3 潮流泥沙数学模型的数学表达式分析3.模型应用实例分析3.1 模型应用实例介绍3.2 模型应用实例分析3.3 模型实例验证及评估结果4.模型优化研究4.1 模型存在的问题及原因分析4.2 模型优化解决方案4.3 优化后的模型应用实例研究5.结论与展望5.1 研究成果总结5.2 研究意义和价值5.3 研究展望七、研究进度安排1. 绪论部分2. 阅读相关文献并进行文献综述3. 完成潮流泥沙数学模型的建立和原理分析4. 采集相关数据并进行模型的参数获取5. 完成模型应用实例研究6. 完成模型优化研究7. 确认论文框架并完成论文初稿8. 完成论文修改9. 论文定稿及论文答辩10. 准备论文终稿提交和答辩。

曹娥江至宁波引水工程平面二维水流数值模拟

ｅｓｍＺｅａｇＰｏｉｃ．ＴｅｗｔｉｒｏｒｅｔｉｃｓｌｒｌｅｏＤｋｎｏｇｉｇＬｃ，ａｄｔｅｆａｔｈｊｎｒｎｅｈａｒｄｖｓｎｐｏｃｓｌｅｅａｄｔａｕａｄＴｎｍｎｏｋｎｈｒｏｅｉｖｅｅｉｊｏｙｔｅｒｅ
ＡｓａｔｈａｒｉｒｏｒｅｔｒｅＣｏｅＲｖｒｏＮｎｂｌｉｐｒｎｃｍｏｅｔｆａｒｉｒｏｂｔｃ：Ｔｅｗｔｖｓｎｐｏｃｆｍｔａ ’ ｉｉｏｉａｏａｔｏｐｎｎｏｔｖｓｎｉｒｅｄｅｉｊｏｈｅｔｇｓｌｍｔｗｅｄｅｉｎ
出口横向流速最大，过往船只需注意即可。
关键词：引水工程；学模型；甬运河；数杭航运条件；有限元法
中图分类号：Ｖ３Ｔ１５文献标识码：Ａ文章编号：０４６３（０００－０４０１０ —９３２１）５０２－５
曹娥江至宁波引水工程平面二维水流数值模拟
叶如意王，攀２
３５７；．１１５２宁波市水利局，浙江宁波３５１）１０６（．１宁波大红鹰学院，浙江宁波
摘要：曹娥江至宁波引水工程作为浙东引水工程的重要组成部分，大厍和通明船闸的运行关系密切，在与存引水水流对航运条件的影响，为此建立引水工程平面二维水流动力数学模型，用大厍引水工程ｌ５型并：０模试验资料对引水工程方案进行对比验证和优化。结果表明：明引水３程一期和二期上下游横向流速、向通－纵流速和回流流速都能满足通航设计规范，工程的建设对通航影响不大，计方案是合理的；引水５程的进、设在－

二维水沙数学模型计算在管道穿越方案选择的应用

二维水沙数学模型计算在管道穿越方案选择的应用尤伟星;董芃羽;黄亮【摘要】水利工程下游的河道受清水下泄影响,冲刷深度可能加大.为合理确定河流穿跨越方案,以某油气管道龙津溪穿越为例,采用64-1公式计算穿越处的河道冲刷深度;建立穿越处的二维水沙数学模型,对河流的冲淤变化进行计算验证.结果表明:在考虑上游枋洋水利枢纽工程影响后,冲刷深度增加2.8 m,冲至岩石层.在此基础上,对开挖及定向钻穿越方案进行了比选,以此为依据确定龙津溪采用定向钻方案试穿实施,为今后类似工程设计施工提供参考.【期刊名称】《管道技术与设备》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】4页(P12-14,38)【关键词】二维水沙模型;冲刷深度;管道;穿越方案【作者】尤伟星;董芃羽;黄亮【作者单位】中国石油天然气管道工程有限公司,河北廊坊065000;中国石油天然气管道工程有限公司,河北廊坊065000;中国石油天然气管道工程有限公司,河北廊坊065000【正文语种】中文【中图分类】TE832油气管道河流穿越设计中，管道埋深直接影响管道安全，根据GB50423-2013《油气输送管道穿越工程设计规范》要求，管道穿越埋深需在河道冲刷深度以下，因此，确定穿越河流的冲刷深度是管道穿越设计的基础。

目前，在大的河流上建设或规划相关水利工程较多，对于水利工程下游管道穿越工程，受上游水利工程影响，使得下游泄水变清，河床的冲刷深度加大 [1]。

采用冲刷计算公式难以准确计算冲刷深度，开挖穿越方案难以保证安全，有必要采用更准确的计算方法确定河道的冲於变化情况。

文献[2]采用二维水沙模型计算了三门峡水库下游河道在建坝前后冲刷深度的变化情况，文献[3]采用二维水沙模型计算了钱塘江河口最大冲刷深度，为过江隧道建设供依据，计算结果与地质勘察较一致。

因此，利用二维水沙模型计算冲刷深度是必要的。

本文以国内某大型输气管道工程龙津溪穿越为例，分别采用64-1公式及二维水沙数学模型计算了穿越处河道冲刷深度，并分析了水库清水下泄对管道穿越处冲刷深度的影响，据此对开挖及定向钻方案进行了比选，确定龙津溪采用定向钻方案试穿实施。

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Ｃａｏ ’ ｅＲｉｖｅｒ
．
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１３，４０（４）：４５６ — ４６２
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｅｓｔｕａｒｙｆｌｏｏｄｇａｔｅｏｆＣａｏ ’ ｅＲｉｖｅｒｗａｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄａｎｄｓｔａｒｔｅｄｔＯｔｒｉａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｔＯｂｌｏｃｋｔｈｅｔｉｄｅｏｆＱｉａｎ
第４Ｏ卷第４期２Ｏ１３年７月
浙江大学学报（理学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｏｕｒｎａｌｓ．ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ／ｓｃｉ
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词：二维动床；单向冲刷；曹娥江；数值模拟
文献标志码：Ａ文章编号：１００８ — ９４９７（２０１３）０４ — ４５６ — ０７
中图分类号：Ｐ７３１．２１
ＦＵＬｉ — ｈｕｉ，ＺＨＡＮＧＨｏｎｇ－ｗｅｉ，ＨＵＡＮＧＦａｎｇ，ＫＡＮＧＹｉｎｇ（ＺｈｅｊｉａｎｇＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏＪＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ
ＴａｎｇＲｉｖｅｒａｔｔｈｅｅｎｄｏｆ２００８．Ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｓｔｕａｒｙｆｌｏｏｄｇａｔｅｉｓｂａｓｅｄｏｎａｓｅｌｆ－ｃｌｅａｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ：ｔｈｅｆｌｏｏｄｇａｔｅｏｐｅｎｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｆｌｏｏｄｐｅｒｉｏｄＳＯｔｈａｔｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔｄｅｐｏｓｉｔｅｄｏｎｔｈｅｒｉｖｅｒｂｅｄｉｓｇｒａｄｕａｌｌｙｓｃ利辉，章宏伟，黄防，康瑛
（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州３１０００２）
摘要：２００８年底曹娥江河口大闸建成并开始试运行，大闸的兴建阻挡了钱塘江潮流的上朔．平时大闸关闸挡潮，阻挡外海泥沙进入上游江道；洪水期开闸放水，逐步带出建闸前淤积在河床上的泥沙．闸上江道的冲淤特性由建闸
ａｎｄＨｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１０００２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｖａｂｌｅ－ｂｅｄｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｔｏｔｈｅｓｉｎｇｌｅ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｅｒｏｓｉｏｎｒｉｖｅｒ：ａｃａｓｅｓｔｕｄｙｏｆ
Ｖ０Ｊ１．４０Ｎｏ．４
ｕ１．２０１３
ＤＯＩ：１０．３７８５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８ — ９４９７．２０１３．０４．０１９
二维动床泥沙数学模型在 “ 单向冲刷＂江道中的应用
ｆｌｏｏｄ；ｔｈｅｎｔｈｅｆｌｏｏｄｇａｔｅｃｌｏｓｅｓｔＯｐｒｅｖｅｎｔｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔｓｓｉｌｔｉｎｇ — ｕｐｔｈｅｕｐｓｔｒｅａｍｄｕｒｉｎｇｔｈｅｏｔｈｅｒｐｅｒｉｏｄ．Ｉｎｔｈｉｓｓｉｔ —
前的“ 洪冲枯淤” 转变为建闸后的“ 单向冲刷 ” ，泥沙运动规律的改变将会加剧水流对两岸防洪堤的冲刷，也会对沿
江涉水工程（如跨江大桥）的安全造成不同程度的影响．应用二维动床泥沙数学模型，考虑曹娥江大闸调度原则，并按水文年（１９６２～２００５年）重演方式，对建闸后闸上江道冲淤演变情况进行了长系列反演计算，同时对堤防可能的险工险段及河床最大冲深进行了预测，可供相关部门和单位在工程设计、施工过程中参考使用．