张齐焰+高莹

【摘 要】建立了福清市龙江利桥～福清湾河段二维水流泥沙数学模型，给出了数学模型的基本原理，包括控制方程、边界条件、初始条件等对模型中几个关键问题提出了处理方法。模型验证表明，计算的水位、流速分布与实测值吻合较好，河床变形计算结果和调查结果基本一致。总结了福清市龙江利桥～福清湾河段自然条件，计算分析了龙江设计水文参数，确定了不同频率下的模型上游流量过程、设计潮位和潮型。计算了不同洪潮组合条件下的龙江河口段水位、流速、流态、水流动力轴线等，利用泥沙数学模型计算了河道冲淤厚度等，并对各方案进行了比选，推荐了最优方案，为工可设计研究提供依据。

【关键词】龙江；水流泥沙；数值模拟；河床变形

0 概述

龙江是福清市最大的河流，多年平均流量18.83m3/s，河道平均坡降4‰，干流全长62km，其中，福清境内长35.5km，流域面积474km2，被称为福清的母亲河。福清龙江上游河床较陡，两岸基本建成30年一遇防洪标准的防洪堤。龙江下游现有河道现状河宽约120～400m，两岸有较为宽阔的滩地，河道未经系统整治，急弯较多，河口宽窄不一，两岸淘刷、淤积较为严重，部分河床裸露、河滩杂草丛生，景观环境较差。在遇到上游发生洪水，特别是在洪、涝、潮“三碰头”时，受龙江洪水以及外海潮水顶托，内部山洪及涝水宣泄不畅，极易致灾。

为提高城市防洪排涝能力，加强水利基础设施建设，构建福清市防洪减灾体系，保护人民生命财产安全，同时满足居民娱乐休闲、生态景观功能等方面的需求，福清市拟对龙江流域实施综合整治，工程分批实施，主要的工程内容包含：龙江利桥下游1km至出海口河道，进行清淤、拓宽、护坡整治，局部河段裁弯取直，同时在河道内修建倪松闸和孟厝闸等两座大型拦河闸，用于景观蓄水、挡潮等功能，工程防洪、防潮标准均为50年一遇。

福清市龙江流域水污染整治项目水流泥沙数模研究工作，主要研究龙江下游利桥至出海口河段河道整治需要的水动力和泥沙运动条件。建立龙江利桥至出海口河段水流泥沙数学模型，通过模型计算分析，研究整治河段工程前后各流量级别下水位、流态变化；通过二维泥沙模型计算分析各整治方案的冲淤变化，综合比选并优化设计方案，为工程设计提供参考。

1 模型建立

1.1 模型范围

在工程前模型范围从南门大桥闸至福清湾口松下和屿头岛断面，模型南北距离约12.0km，东西距离约22km，模型采用非结构三角形网格，工程前模型的网格共计57421个，节点数为29610个，在整治河道段网格加密，特别是在地形变化比较大的区域以及闸、桥区域，最小网格尺度约5m，工程后网格则根据各方案的布置再生成网格，网格尺度与工程前相同。

工程前主要考虑原有的河道岸线作为计算断面，考虑的水工建筑物主要是5座桥梁，包括利桥、铁路桥、输水管桥、龙江桥和元载桥，工程后的模型中考虑原来的5座桥梁，还包括倪松闸和孟厝闸。

1.2 河道糙率

河道糙率主要根据潮位验证、洪痕调查结果及参考沿海类似河段糙率，经分析计算确定，对于河槽糙率主要可以通过潮位验证获得，对于滩地糙率则主要通过洪痕调查结果获得及参考沿海类似河段糙率。

1.3 边界条件和初始条件

上游边界南门大桥闸输入不同频率的洪水流量过程，包括200年一遇、100年一遇、50年一遇、10年一遇、2年一遇的流量过程，下游在渡口输入2年一遇、10年一遇以及50年一遇的潮位过程；模型段的支流汇入则是通过点源过程，其中龙山溪采用高水高排直接汇入，其他各排涝水的汇入过程则是按照防洪排涝规划按照排涝能力汇入，除东片区排涝按照20年一遇的最大排涝流量，其他均是10年一遇的排涝流量。在验证期间，模型开边界采用中国海潮波数学模型提供。

1.4 水动力模型验证

龙江数学模型验证采用2013年10月28日至2013年11月27日在龙江整治河段内进行的潮位观测和流速，南门大桥闸过流量上游流量10m3/s～20m3/s。

模型比较好的模拟了各测站的潮位潮波运动，涨落潮历时基本一致，高、低潮出现时间误差在20分钟以内，各站大、小潮高低潮的最大误差小于0.10m，同时模型还比较好地验证了测点的流速和流态。龙江水流数学模型验证结果表明，模型能较好地模拟水域的水动力运动，可用于下一阶段相关问题研究。

1.5 糙率

经过模型率定，非洪水期河槽糙率0.025，工程前滩面糙率0.038，工程后，新挖河道糙率取0.030～0.035，对于有护坡的滩地，考虑上面有景观植物，选取0.035～0.04；福清湾内各潮沟和深水区域糙率约为0.02，湾内滩地糙率约为0.03。

2 工程方案数值模拟与分析

2.1 水动力计算设计工况

设计过程中，工程区段内猪母湾的岸线布置存在三个方案：

方案1：原规划岸线方案，猪母湾河段左岸岸线沿用2009年规划岸线走向，右岸岸线适当后退，沿现有滩地布置，两岸堤距270～1120m，堤内滩地不切滩。

方案2：小岸线方案，为了便于东部新城清荣大道与龙江左岸堤线之间的交通组织和新城规划布置，将猪母湾左岸向南最大偏移330m，沿现状滩地布置，右岸防洪岸线从大埕开始适当后退，沿现有滩地布置，两岸堤距为270～850m。

方案3：大岸线方案，大岸线方案在小岸线方案基础上将右岸岸线进一步后退，两岸堤距为380～1000m。

龙江水流数学模型将对3个方案的水动力条件和河道冲淤进行对比研究，另外，针对规划中龙江干流上2座大型拦河闸的建设方案，本数值模型也进行了研究计算，为工程设计研究提供依据。

根据设计需要，考虑以下不同洪潮组合工况（表1）。

2.2 三个岸线方案比较

三个岸线方案的计算结果呈现以下基本特征：三种方案的最高水位稍有差异，但是差异不大，小岸线方案水位最高，大岸线方案水位最低，原岸线方案居中；三种方案的流速差异比较小，最大流速和平均流速均相当；流态显示，各方案的流态在不同洪水流量下，水流比较顺直，在猪母湾和梧屿湾，由于河道放宽，流速变缓，原岸线方案在湾的北侧有回流区，其他两方案在北侧也存在缓流区；在50年一遇洪水和2年一遇高潮位组合，以及2年一遇洪水和50年一遇高潮位组合情况下，孟厝闸闸上下水位差分别为0.10～0.13m，0.2～0.3m，与泄流能力验证试验结果0.1m和0.2m基本一致。

2.3 建闸方案比较

未建闸、只建倪松闸和两个闸都建成情况下计算结果呈现以下基本特征：

倪松闸和孟厝闸均建方案、只建倪松闸方案和无闸方案总体上建两闸方案最高水位最高，不建闸方案最高水位最低；倪松闸和孟厝闸均建方案、只建倪松闸方案和无闸方案，总体上建两闸方案流速最小，不建闸方案流速最大；不同建闸方案情况下，流态基本相似，在窄河道，流态比较顺直，在猪母湾和梧屿湾，存在缓流或者回流。

3 结论与建议

1）根据猪母湾三个切滩方案不同水动力和泥沙冲淤方案计算结果和分析，从水动力角度和泥沙冲淤角度考虑，无根本性的差异，考虑大岸线方案在洪水条件下冲刷与其他两方案稍大，原岸线方案淤积比其他两方案稍大，推荐小岸线方案。

2）根据建闸三方案在不同水动力和泥沙冲淤方案计算结果和分析，建两闸有利于河道冲淤减少，推荐建两闸方案。

3）考虑倪松闸下段在洪水作用下流速会较大，根据数学模型计算结果在50年一遇洪水作用下最大流速超过3.0m/s，注意闸下的效能防冲问题，并建议设计单位和业主单位采取适当措施进行加强护堤。

4）考虑孟厝闸下河道在台风期间会骤淤，可能导致河道泄洪困难，建议加强原型观测，及时清淤，洪水期间及时泄水冲淤。

[责任编辑：杨玉洁]