淤泥質(zhì)短引河河口泥沙清淤方案優(yōu)化研究

淤泥質(zhì)短引河河口泥沙清淤方案優(yōu)化研究

獨(dú)流下降河口位于布灣西部，是一條短泥石流和粘土開采的河口。地表徑流受氣候降水和人類活動(dòng)的影響。特點(diǎn)是排水能力低，年齡組差，全年變化劇烈。每年平均流量為12.70m3/s，每年平均流量為23.20億3m。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，海河流域一直處于旱季，幾乎沒有水入流。1996年8月，獨(dú)流減少河流經(jīng)歷了中度洪水，流量最大為1500m3/s。日流量為10.13ms，流量下含水量減少，趨勢(shì)上的趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)增加，導(dǎo)致大量口腔沉積物和河流湖泊的污泥，這嚴(yán)重影響了雨季河口的流量。同時(shí)，由于相同原因，河流及其河口也存在大量沉積物。河口堵塞沙的發(fā)育和海灣流量的急劇減少，其流量一半也應(yīng)重新分配，并減少到獨(dú)立河流的排放。因此，流量下降的流量需要從320m3s提高到3600m3s。然而，根據(jù)流量下降河流和河口的現(xiàn)狀，流量能力僅為規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)的一半左右。迫切需要進(jìn)行全面規(guī)劃和改變?，F(xiàn)在，最緊迫的任務(wù)是確保雨季安全，研究流量下降河口的水沙運(yùn)移規(guī)律，并選擇最佳治理方案。1基本理論和方法1.1模型的基本方程1.1.1世界降水條件水流連續(xù)方程:水流運(yùn)動(dòng)方程:其中:x、y為空間坐標(biāo),t為時(shí)間,h為水深,z為水位z=z0+h,z0為床面高程,u,v為流速在x、y方向上的分量,f為柯氏力系數(shù)f=2ωsinφ,ω為地球自轉(zhuǎn)速度,φ為緯度,Cs為謝才系數(shù),曼寧公式為糙率,g為重力加速度,λ為渦動(dòng)粘滯系數(shù),,拉普拉斯算子.1.1.2泥沙擴(kuò)散系數(shù)懸沙連續(xù)方程:河床沖淤演變過程:其中:C為懸移質(zhì)含沙量,Kx,Ky分別為x、y方向的泥沙擴(kuò)散系數(shù),P為水流作用下泥沙的起懸量,D為水流作用下泥沙的沉降量,Cbx、Cby分別為x、y方向的河口浮泥層推移輸沙率,z0為床面高程,Cm為床面極限含沙量.1.2沙子模型方程中的物理參數(shù)1.2.1沉積物沉降d的確定泥沙沉降量D與懸移含量C和泥沙沉速ω*有關(guān),可表示為:其中:Φ1為校正值.1.2.2泥沙沉速ld泥沙起懸量P與飽和挾沙狀態(tài)下的含沙量C*和泥沙沉速ω*有關(guān),可表示為:C*通過Lane—Kalinske公式確定為:式中u*T為潮流與波浪合成摩阻流速,H——波高,T——波周期,L——波長(zhǎng),fw——波浪阻力系數(shù).,近底波浪質(zhì)點(diǎn)振幅,r*=120d50床面粗度,d50床面泥沙中徑;,泥沙的平均沉速,ω1,ω2分別為泥沙最大(d1)與最小(d2)顆粒的沉速;I0為床面活動(dòng)泥沙含量.這樣,將床面層附近泥沙起懸量和沉降量區(qū)分開來(lái)處理的方法,具有明確的物理意義,可以清楚地反映出懸移泥沙與床面層內(nèi)運(yùn)動(dòng)泥沙及床面活動(dòng)泥沙發(fā)生相互交換過程中矛盾的兩個(gè)方面.在波浪掀沙和潮流輸沙過程中,平衡只是相對(duì)的、暫時(shí)的,而不平衡則是絕對(duì)的、長(zhǎng)期的.泥沙起懸量作為一個(gè)起懸函數(shù)(PickupFunction)的形式出現(xiàn),有助于反映泥沙在床面層附近的交換機(jī)理,同時(shí)采用Lane-Kalinske公式,其優(yōu)越之處在該公式在建立時(shí),充分考慮了底部水流湍流脈動(dòng)特性,反映了一定的力學(xué)機(jī)理,從目前流體力學(xué)研究來(lái)看,所不完善的是尚未區(qū)分大尺度擬序結(jié)構(gòu)和小尺度隨機(jī)脈動(dòng)的作用,這方面我們正進(jìn)行深入研究,但作為工程應(yīng)用,該公式已經(jīng)過了許多實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)天然實(shí)測(cè)資料的驗(yàn)證,證明是可靠的.總之,這樣選取,有助于逐步弄清泥沙在床面層附近的交換機(jī)理,也有助于從力學(xué)機(jī)理上反映掀沙和輸沙過程的不平衡特性.1.3模型方程的數(shù)值解算方法1.3.1水流方程的數(shù)值解(1)單元插值及雜交雜交有限元方法是三角形單元和等參四邊形單元相交錯(cuò)結(jié)合的有限元方法,這種方法對(duì)于具有復(fù)雜邊界和長(zhǎng)寬尺寸懸殊的水域是非常合適的.設(shè)單元中的近似函數(shù)取:其中Φi(x,y)為基函數(shù),Z、U、V取相同的基函數(shù);如果單元為三角形,Φi(x,y)為線性三角元基函數(shù);如果單元是等參四邊形,則Φi(x,y)為四結(jié)點(diǎn)等參基函數(shù).將單元插值近似函數(shù)(10)代入方程(1)、(2)、(3)的Galerkin積分式中,可得雜交有限元方程:式中A、B1、C1、D1、G、B2、C2、D2、B4、C4分別為系數(shù)矩陣,其元素分別為:B3的元素與B1相同;C3的元素與C2相同.()代表在三角形單元或四邊形單元內(nèi)積分.對(duì)于不同的區(qū)域——三角形單元或等參四邊形單元;i,j,k分別為1,2,3或1,2,3,4.(2)單元系數(shù)矩陣的化簡(jiǎn)在過行長(zhǎng)系列時(shí)間過程量模擬時(shí),為節(jié)省計(jì)算時(shí)間和計(jì)算機(jī)內(nèi)存,提高計(jì)算效率,按以下三種單元組合情況(圖1),分別采用集中質(zhì)量法對(duì)單元系數(shù)矩陣進(jìn)行化簡(jiǎn),具體方法可參見文獻(xiàn).(3)離散式法計(jì)算zn+1和vn為計(jì)算穩(wěn)定,采用半隱差分格式,先利用Un、Vn和Zn通過離散式(12)和(13),計(jì)算出Un+1和Vn+1值:然后通過離散式(11),利用Un+1、Vn+1和Zn,求得Zn+1值:1.3.2邊形法線性三角元基泥沙擴(kuò)散方程和河床演變方程采用集中質(zhì)量迎風(fēng)有限元方法,具體如下:(1)泥沙濃度場(chǎng)的數(shù)值模擬為保證含沙濃度場(chǎng)的計(jì)算精度,同時(shí)考慮漲落潮流的實(shí)際背景,采用集中質(zhì)量迎風(fēng)有限元素方法.下面主要以三角形單元為例加以說(shuō)明,等參四邊形方法與之類似.取插值函數(shù)為:其中Φi(x,y)為基函數(shù);如果單元為三角形,Φi(x,y)為線性三角元基函數(shù);如果單元是等參四邊形,則Φi(x,y)為四結(jié)點(diǎn)等參基函數(shù).采用Garlerkin方法,方程(4)可寫為:然后在計(jì)算節(jié)點(diǎn)Pi的相關(guān)單元中尋找其迎風(fēng)單元,并將在迎風(fēng)單元上離散,設(shè)(x1,y1),(xiβ,yiβ),(xiγ,xiγ)為節(jié)點(diǎn)Pi迎風(fēng)單元ei的三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo),Δi為迎風(fēng)單元ei的面積.其中:Pik(k=1,2,…,ni)為Pi的相關(guān)節(jié)點(diǎn),其中:aiik=aiiβ·δikiβ+aiiγ·δikiγ,這里,E代表Pi節(jié)點(diǎn)的相關(guān)單元點(diǎn)數(shù).(2)海床演變的數(shù)值模擬利用向前差分格式離散床面隨時(shí)間的變化項(xiàng),然后代入方程(6),整理得:2單流下降口的趨勢(shì)沙數(shù)學(xué)模型的研究2.1河口區(qū)域網(wǎng)格剖分河口海域模型域:以工農(nóng)兵閘及以遠(yuǎn)10m等深線為東西相界,距離15km;南北以工農(nóng)兵閘為起點(diǎn),向北3km,向南4km,共7km,105km2的區(qū)域,河口區(qū)域網(wǎng)格剖分考慮清淤及導(dǎo)堤方案的需求,采用嵌套模型,即:在河口5km以內(nèi),工農(nóng)兵閘附近,采取加密模型網(wǎng)格;該小模型網(wǎng)格為200m×100m,200m×50m等網(wǎng)格,而在河口距工農(nóng)兵閘5km以遠(yuǎn),采用稀疏的大網(wǎng)格,為1000m×1000m的大模型網(wǎng)格,在大網(wǎng)格與加密小網(wǎng)格之間,采取漸變網(wǎng)格,使之大小相互匹配,從而使小模型形成統(tǒng)一的整體(參見圖2).2.2全潮觀點(diǎn)驗(yàn)算河口模型采用1997年6月13日～14日,17日～18日,21日～22日全潮觀測(cè)資料,以6月13日～14日中潮資料作為調(diào)試資料,以大潮17日～18日,小潮21日～22日作為驗(yàn)證資料,河口地形取1996年10月地形,各測(cè)點(diǎn)平面分布如圖2,共8個(gè)全潮觀測(cè)點(diǎn).以2.4.6.7.8測(cè)點(diǎn)作為邊界點(diǎn),以內(nèi)點(diǎn)1.3.5作為驗(yàn)證點(diǎn),由于篇幅所限,僅給出一組點(diǎn)的大潮計(jì)算驗(yàn)證結(jié)果(圖3、圖4)從以上水位、流速過程線計(jì)算及實(shí)測(cè)圖可以看出,水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值非常吻合;流速模吻合也較好;同時(shí)漲落潮流速橢圓圖也基本上符合實(shí)際情況,因此計(jì)算結(jié)果正確,潮流模型是可靠的,可進(jìn)一步用于規(guī)劃工程方案的預(yù)報(bào).2.3泥沙過程模型驗(yàn)證采用非平衡泥沙數(shù)學(xué)模型,結(jié)合97年6月全潮觀測(cè)的泥沙過程資料,對(duì)模型進(jìn)行調(diào)試與驗(yàn)證.模型驗(yàn)證主要通過測(cè)點(diǎn)含沙量過程和床面沖淤變化情況來(lái)確定.(1)沙量試驗(yàn)由于篇幅所限,僅給出一組點(diǎn)的驗(yàn)證結(jié)果(圖5).(2)潮型計(jì)算下的計(jì)算在含沙量驗(yàn)證正確的基礎(chǔ)上,對(duì)床面演變情況進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算,采用6月13～14日中潮作為典型潮型,并考慮波浪作用,取多年平均波高,以兩個(gè)月為一計(jì)時(shí)段,即每計(jì)算兩個(gè)潮段,一天的沖淤量,使其乘以60,與原來(lái)地形疊加,再進(jìn)行計(jì)算,如此累積,從96年10月計(jì)算到98年3月,其中考慮97年3月挖泥情況,2km內(nèi)泥沙回淤計(jì)算結(jié)果見表1,床面地形變化實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果見圖6.2.4泥沙沖淤分布從表1可以看出,96年10月挖泥后,頭兩個(gè)月回淤量17萬(wàn)m3;之后逐月減少;而再次挖泥后,在97年5月至6月之間,回淤量又有所增加,以后又呈逐減趨勢(shì),直至最后達(dá)到平衡,但泥沙總的回淤量隨時(shí)間的增長(zhǎng)亦仍呈增長(zhǎng)趨勢(shì),只是增長(zhǎng)幅度有所減緩.利用1998年3月與1996年10月地形對(duì)照,2km范圍內(nèi),泥沙回淤總量為63.9萬(wàn)m3,計(jì)算值(55.42萬(wàn)m3)與實(shí)測(cè)值(63.9萬(wàn)m3)較為接近,泥沙沖淤分布計(jì)算與實(shí)測(cè)分布基本一致,含沙量和床面演變計(jì)算表明泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果是正確的,所建模型是可靠的,可用于其它問題的研究和工程方案的預(yù)報(bào)計(jì)算.3河口污泥處理方案的設(shè)計(jì)和污泥提取方案的選擇3.1最佳清淤方案確定根據(jù)歷年清淤情況,經(jīng)海委規(guī)劃設(shè)計(jì)科研處篩選,提出共12個(gè)清淤方案(見表2),然后針對(duì)不同的清淤方案,分別進(jìn)行河口泄流能力和泥沙回淤能力計(jì)算,從中篩選推薦清淤方案.利用河口大模型嵌套加密小模型進(jìn)行回淤計(jì)算,以2km內(nèi)各清淤方案的回淤總量作比較,優(yōu)選最佳清淤方案.參照海河口大、中、小潮出現(xiàn)的機(jī)率為19.5%,48.5%,32%,通過各種潮型的搭配,計(jì)算泥沙回淤,最終得出各清淤方案下河口的泥沙年回淤量.為明顯起見,將各清淤方案下河口的清淤量、年回淤量、清淤的工程效益(年回淤量與清淤量之比值)、河口日均最大泄流量列于表2.3.2清淤方案比較(1)比較相同清淤長(zhǎng)度、相同清淤寬度、不同清淤深度的清淤方案(1、2、3),可以看出,清淤深度越深(方案3),河口日均泄量也越大,回淤量也越大.而清淤深度越淺的方案(方案2),回淤量也越小.在這種清淤方式下,清淤深度越小,清淤量較小,回淤率也較小,相應(yīng)地在滿足泄流要求時(shí),即為最優(yōu)清淤方案.如不滿足泄流要求,可再進(jìn)一步加大清淤深度,總可找到較佳的清淤深度.清淤方案1、2、3相比較,方案2回淤率雖最小,但不滿足泄流要求;方案1的回淤率為較小,而它同時(shí)又滿足泄流的要求.因此通過比較可得出“淺方案為優(yōu)”的結(jié)論.(2)比較相同清淤長(zhǎng)度、相同清淤深度、不同清淤寬度的清淤方案(方案4、7、8),可以看出,在這種清淤情況下,清淤寬度越大,日均泄流量就越大,而清淤效益就越高,回淤率(回淤量與清淤量比值)為最小(如方案4),因此可得出“寬方案為優(yōu)”的結(jié)論.(3)比較相同清淤寬度、相同清淤深度、不同清淤長(zhǎng)度的清淤方案(如方案4,5,11),可以看出,清淤長(zhǎng)度越長(zhǎng),泄流量就越大,而回淤量與清淤量的比值就越小,清淤效益就越高,因此可得出“長(zhǎng)