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摘要：
为模拟南京市三汊河河口闸附近水流流态，探究河口闸单孔开启的可行性，采用Delft 3D软件建立大范围水深平均模型和局部三维数学模型，对三汊河河口附近水流流态进行数值模拟，研究最不利水位工况下的水流流态，并确定了闸孔不同运行模式对流速分布的影响范围。进一步地，将河道底面流速与研究范围内泥沙起动速度进行比较，获得了河口闸附近河道冲刷与淤积范围的分布情况。研究成果可为研究河口闸单孔开启提供依据。
关 键 词：
水闸运行方式; 水流流态; 流速分布; Delft 3D模型; 河道冲淤; 三汊河河口闸
中图法分类号： TV131.4
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.026
0 引 言
三汊河河口闸位于外秦淮河入江口，是南京市秦淮河环境综合整治工程的重要组成部分。河口闸采用双孔护镜门的闸门型式，在大闸门上叠加溢流活动小门，形式新颖独特。河口闸工程投入运行以来严格按照相关规定，采用双闸孔同时开启的方式调度运行，并定期进行检测，保证结构安全，获得了较多研究数据。
然而随着城市化进程的加快，外秦淮河水环境需要进一步改善。河口闸需要增加常态引调水功能，进而保证外秦淮河武定门闸至三汊河入江口段水体水质稳定满足Ⅴ类水及以上标准。基于外秦淮河新的功能需求，需要在现行条件下分析论证河口闸单孔开启运行的可行性，达到节约能源与高效利用水资源的目的。
由于河口闸单孔运行方式超出了原工程设计工况范畴，未来水闸能否实施单孔开启运行，需要通过科学有效的手段对该运行模式进行论证。为此需要进行河口闸单孔开启工况下河道的流态研究，计算其水流流速，判断其冲淤状况，为判断单孔开启是否符合安全性要求提供依据。
对于此类问题，可以使用Delft 3D软件建立数值模型的方法加以研究。国内外学者采用此类方法进行流态研究，取得了较好的效果。唐洪武等[1]曾在2011年利用Delft 3D软件建立数学模型，对三汊河河口闸双孔开启运行工况下闸下冲淤问题进行了系统研究。胡孜军等[2]通过建立洪泽湖区二维水深平均模型与三河闸闸室局部三维全耦合计算模型，对洪泽湖区三河闸附近的过流流态进行了精细化模拟。雷晓玲[3]利用Delft 3D数学模型对三峡航道环保疏浚的水质变化进行了数值模拟，并对三峡航道疏浚工作的成果进行了定量评估。左书华[4] 用Delft 3D软件建立水动力模型，研究了鳌江口外平阳咀海域流场，计算结果与实际测量结果吻合良好，证明此模型可以為工程研究提供流场背景。廖庾强[5] 利用Delft 3D建立了柳河彰武新城段平面二维模型，得到了水动力特征、典型断面形态变化、河道泥沙分布等结果，为柳河彰武新城段防洪工作提供了理论基础。范翻平[6]曾用Delft 3D软件建立鄱阳湖水动力模型，研究典型风向、风速对鄱阳湖流场的影响，为研究鄱阳湖的污染问题提供了理论支撑。赵明登等[7]将ArcGIS与Delft 3D结合，对渭河下游泛洪区洪水数值进行研究，实现了河道及溃堤洪水演进的实时动态演示。郎韵、陈伟等[8-9]曾利用Delft 3D建立了江-河-水闸大范围水深平均数学模型，研究三汊河河口闸左右闸孔过流严重不均的问题，发现导致过闸水流不均的主要因素是河势及河道深泓位置，并提出设置导流墙可以改善过闸水流不均，该模型取得了较好的模拟效果。
综合来看，前人利用Delft 3D数值模拟方法对河道水动力展开研究已获得满足要求的成果，但前人的研究大都是在河口闸两侧闸孔全部开启或关闭工况下开展的，对于河口闸单孔开启工况下的水动力特性，还未获得满足要求的成果。本文在前人基础上，运用Delft 3D建立数值模型的方法，对三汊河河口闸单孔开启工况下的河道水动力情况进行计算。
1 工程概况
三汊河河口闸位于南京市外秦淮河入江口，上游距下关大桥约300 m，下游距三汊河口约150 m。三汊河河口闸是秦淮河环境整治工程的重要组成部分，其主要功能是非汛期关闸蓄水，抬高外秦淮河水位，同时形成亲水景观，改善城市水环境和城市形象;汛期来临时则开闸放水，不影响外秦淮河行洪。
河口闸纵向轴线顺水流方向布置，工程范围内轴线长179 m。闸室采用整体式大跨度钢筋混凝土坞式结构，顺水流方向长37 m，垂直水流方向长97 m。闸室共两孔，单孔净宽40.0 m，中闸墩宽4.0 m，边闸墩宽4.5 m，单孔总宽度48.5 m。闸底板高程1.0 m（吴淞基面，下同），闸底板厚2.5 m，闸墩顶高程7.5 m。考虑到与上下游河道平顺连接和水流流态，闸上、闸下分别设渐变段。上游渐变段长50 m，包括长度为20 m的钢筋混凝土护坦和长度为30 m的素混凝土护底，两侧为混凝土预制块护坡和生态混凝土护坡;下游渐变段长92 m，包括长度为20 m的钢筋混凝土消力池、长度为60 m的混凝土护底和长度为12 m的抛石防冲槽，两侧为混凝土方格护坡和生态混凝土护坡（见图1）。
三汊河河口闸非汛期正常过水流量为30 m3/s，行洪流量为80 m3/s（关闸蓄水状态）;汛期闸门开启，行洪流量为600 m3/s。工程自2005年建成运用以来，总体运行情况良好，在提升外秦淮河的水环境状况方面发挥了重要作用，已成为南京市标志性水利工程。
2 数值模型的建立
为研究河口闸单孔开启的流场流态，现建立大范围水深平均数学模型，包括外秦淮河部分河段，以全面反映外秦淮河水动力条件的不同组合对枢纽河段流动特性的影响。
式中：u，v，ω分别为ξ，η，σ方向上的流速;Gξξ、Gηη为坐标变换拉梅系数;ζ为相对于模型参照平面的水深，下同。
通过连续方程可以计算垂向流速w：
式中：H为总水深，下同。 （2） 动量方程。
ξ和η方向的动量方程分别为
式中：ρ为水体密度，除了斜压项，其他处忽略密度的变化;Pξ，Pη分别为ξ，η方向上的静水压力梯度;Fξ，Fη分别为ξ，η方向上紊动动量通量;vV为垂向涡动黏性系数;fu，fv为柯氏力系数;Mξ，Mη分别为ξ，η方向上动量的源汇项。
（3） 边界条件。
初始条件：
边界条件：
出、入流开边界上，给定水位、流速或流量过程。固壁边界采用无滑移边界条件。
时步长和空间步长满足稳定性条件：
2.2 计算区域的选取和数值模型的建立
为充分考虑长江水位流量对河口闸过流特性的影响，大范围水深平均模型计算区域包括外秦淮河、河口闸工程及长江，并考虑长江中潜洲、江心洲所在位置对边界选取的影响[9]。最终确定长江上游边界取为河口上游约1 100 m处，长江下游边界为河口下游900 m处，外秦淮河上游边界根据实测地形资料的范围确定为河口闸轴线以上约820 m处。水深平均模型计算区域及模型网格划分如图2所示。
其中，长江上游边界使用流量边界条件，长江下游边界使用水位边界条件，外秦淮河上游边界使用流量边界条件。
依据河口闸已有研究成果的综合分析，针对河口闸可能的单孔开启运行模式，最终拟定研究工况组合如表1所列。其中组合模式1为河口闸可能运行的最不利工况组合，组合模式2为组合模式1的补充。
由图3可见，河口闸数值模拟结果与河工模型试验结果基本吻合。最大绝对误差仅约 0.1 m/s，出现在距上游 450 m 断面的近左岸。验证结果说明该模型的模拟结果基本可靠，可用于后期的研究和分析。
2.4 泥沙起动流速研究
目前对于泥沙冲淤的研究，多采用泥沙拖拽力和起动流速作为标准。鉴于流速场和剪力场之间存在着一定的关系，更多学者为方便使用，相对泥沙起动拖拽力而言，更热衷于推求起动流速[10]。
本文将泥沙起动流速作为泥沙冲淤的判别标准，若河道底面流速大于泥沙起动流速，则判定为该位置河道冲刷。
目前就天然均匀沙起动公式来看，起动流速公式在形式上差别不大，一般与粒径的1/3指数方、水深的1/6指数方成正比，但其他系数取值离散度较大[11]。
对于细颗粒泥沙的起动流速，中国学者展开了卓越的研究，其中窦国仁公式[12]、张瑞瑾公式[13]、唐存本公式[14]、沙玉清公式[15]等都有很大的影响。
对众多公式进行比较后，从实验验证和工程应用两方面考慮，本文采用唐存本公式：
式中：m=4.7（hd）0.06，γs为泥沙容重，γ为水流容重，δ为淤积物的干容重，δ0为淤积物稳定干容重，h为水深，d为泥沙粒径。本文
取γs=2.65 g/cm，γ=1.00 g/cm，c=2.9 ×10-4 g/cm，ρ=1.02×10-3 g·s/cm3，取稳定容重情况δ=δ0。
采用研究段的流速变化对河口处的河床稳定性进行分析。通过模型计算得出观测点的流速及水深情况，推导出对应的泥沙起动粒径，进而分析研究段泥沙的起动概率及变化范围。
根据资料，秦淮河河段泥沙平均粒径为0.18 mm[1]。河段的起动流速拟选用这一特征粒径进行计算。
两种组合模式下计算范围内河道水深及泥沙起动流速如表2所列。
3 预设水位流量下河口闸水流流态的计算
为直观比较每种组合模式下不同工况水流流态差异，现将每种组合模式分为3种工况，选取典型断面对断面上流速分布进行分析比较。为了获得河道底面流速，建立了局部三维数据模型，对河口闸附近河道冲淤状况进行了分析。
3.1 3种工况下流速分布对比
为了对比分析，将组合模式1细分为工况1、工况2和工况3;将组合模式2细分为工况4、工况5和工况6，各个工况详细信息如表3所列。
为直观比较不同工况下外秦淮河水流流速分布，现选取多个典型断面，对断面流速横向分布进行分析。选取断面为：闸上游200 m、闸上游100 m、三汊河河口闸轴线处、闸下游80 m、闸下游100 m、河口处（闸下游约150 m）。
组合模式1各个典型断面横向流速分布曲线如图4所示，
组合模式2各个典型断面横向流速分布曲线如图5所示。
通过两种组合模式下的断面流速分布，可以得到如下规律性认识：
单孔开启对流速分布的影响主要出现在闸上100 m断面至闸下150 m断面范围内，在闸轴线断面处流速差异达到最大，越远离闸轴线流速分布差异越小。
3.2 研究范围内河道冲淤
前文所作分析皆基于大范围水深平均模型，其优势在于可以分析较大范围内水流流态变化情况，但对于流速分析，不能提供充足数据。为提取冲淤分析所需的河道底面流速，也为了分析河道过水面积变化与流速分布的关系，需要重新选取计算区域，建立局部三维模型。
三汊河河口闸三维建模计算范围的选取，既要能够体现河口闸上下游流态又要保证水流顺直。根据流速分布曲线，3种工况差异大约出现在河口闸上游200 m位置，三维建模上游边界取到闸上游约300 m处;同时考虑到三维模拟主要关注闸孔开闭对闸下游附近区域的影响，当下游汇入长江后，长江流量大，影响因素多，边界不易确定，因此下游取到外秦淮河河口附近区域。这个范围既包含了重点关注的区域，又方便了边界条件的确定。局部三维水动力模型计算区域及网格划分如图6所示。
采用正交曲线网格对计算区域进行网格剖分，对河口闸枢纽局部进行了网格加密，垂向上沿水深均匀分为10层，其中垂向网格以闸下游100 m处断面为例。网格尺寸在 3～35 m之间，垂向模型网格见图7。 由图8（a）～（b）可以看出：工况2，3条件下（外秦淮河下游边界水位3.5 m，上游来流量60 m3/s），计算范围内闸上游250 m到闸墩范围内流速普遍大于0.57 m/s，高于河道泥沙起动流速0.53 m/s，河道会发生冲刷;闸轴线到河口范围内水流流速小于0.38 m/s，小于起动流速0.47 m/s，不会发生冲刷。
由图8（c）～（d）可以看出，工况5、工况6条件下（秦淮河下游边界水位4.5 m，上游来流量60 m3/s），计算范圍内闸上游250 m到闸墩范围内流速普遍小于0.48 m/s，低于河道泥沙的起动流速0.53 m/s，河道不会发生冲刷，仅在闸上游200 m附近区域流速大于泥沙起动流速，会发生冲刷;闸轴线到河口范围内水流流速小于0.24 m/s，小于起动流速0.53 m/s，不会发生冲刷。
3.3 研究范围内流速变化原因分析
本节从过水面积变化的角度简要分析研究范围内流速大小变化的原因。
图9为研究范围内典型断面处过水面积示意图（以工况1为例）。
从图9可以看出：在闸上200 m处，河道断面基本呈“V”形，过水面积较小，因此流速较大。在闸上200 m到闸轴线范围内，河道断面形状逐渐变为“U”形，过水面积增大，流速略有减小。在闸墩附近，单孔开启工况下，过水断面的宽度达到最小，流速也较大。在河口闸下游，由于河道加宽，流速逐渐减小。而到了河口处，由于河道底面高程抬高，过水面积急剧减小，流速再次增大。故在河口闸下游流速呈现先减小后增大的趋势，防冲槽处的流速较小。
4 结 论
本文构建了三汊河河口闸大范围水深平均模型和局部三维模型，对河口闸各种预设单孔开启模式进行了水动力计算，分析了各种工况下的水流流速特征，确定了闸孔不同运行模式对流速分布的影响范围。并通过将河道床面流速与计算所得泥沙起动流速进行比较，对单孔开启模式下的河床冲淤情况进行了分析，得到了以下结论。
（1） 单孔开启对流速分布的影响出现在河口闸上游100 m处至河口闸下游150 m处，越靠近闸轴线断面影响越大，并在闸轴线断面处达到最大，越远离闸轴线断面影响越小。
（2） 组合模式1工况下，河口闸上游段河道发生冲刷;组合模式2工况下，河口闸上游200 m处断面发生冲刷。其余河道位置河道床面流速小于泥沙起动流速，不会发生冲刷。
（3） 通过典型断面过水面积与计算区域内河道流速变化对比，刻画了计算区域内河道过水面积与流速的关系，对河道流速变化的原因进行了分析，认为河道过水面积的变化是导致流速变化的原因。
参考文献：
[1] 河海大学.秦淮河三汊河口闸下河口泥沙冲淤研究[R].南京：河海大学，2011.
[2] 胡孜军，王玲玲，成高峰，等.三河闸泄流流态与进流纠偏数值研究[J].水利学报，2011，42（11）：1349-1354.
[3] 雷晓玲，袁廷，杨程，等.基于Delft3D模型的三峡航道环保疏浚水质数值模拟研究[J].工业安全与环保，2016，42（3）：65-68.
[4] 左书华.Delft3D在鳌江口外平阳咀海域流场模拟中的应用[J].水文，2007（6）：55-58.
[5] 廖庚强.基于Delft3D的柳河水动力与泥沙数值模拟研究[D].北京：清华大学，2013.
[6] 范翻平.基于Delft3D模型的鄱阳湖水动力模拟研究[D].南昌：江西师范大学，2010.
[7] 赵明登，曾威，唐小春，等.基于Arcgis与Delft 3D的渭河下游洪泛区洪水数值模拟[J].中国农村水利水电，2012（10）：145-147，151.
[8] 郎韵，臧英平，唐洪武，等.三汊河河口闸泄流特性与整流措施[J].水利水电科技进展，2014，34（2）：11-15.
[9] 陈伟，臧英平，沃玉报.三汊河河口闸过闸水流流态改善措施数值分析[J].人民长江，2014，45（13）：14-16，21.
[10] 张红武.泥沙起动流速的统一公式[J].水利学报，2012，43（12）：1387-1396.
[11] 韩其为.泥沙起动规律及起动流速[J].泥沙研究，1982（2）：11-26.
[12] 窦国仁.论泥沙起动流速[J].水利学报，1960（4）：44-60.
[13] 张瑞瑾，谢鉴衡，陈文彪.河流动力学[M].北京：中国工业出版社，1961.
[14] 唐存本.泥沙起动规律[J].水利学报，1963（2）：1-12.
[15] 沙玉清.泥沙运动学引论[M].北京：中国工业出版社，1965.
（编辑：胡旭东）
引用本文：
谢昕卓，陈伟，杨明强，等.南京市三汊河河口闸单孔开启水流流态模拟研究
[J].人民长江，2021，52（7）：153-159，167.
Simulation on flow pattern of Sanchahe estuary sluice under single hole opening in Nanjing City
XIE Xinzhuo1，CHEN Wei2，YANG Mingqiang2，WANG Lu2，YANG Feifei2，CAI Xin1
（1.Collage of Mechanics and Materials，Hohai University，Nanjing 211100，China; 2.Nanjing Sanchahe River Gate Management Office，Nanjing 210036，China） Abstract：
In order to simulate the flow pattern near the Sanchahe estuary sluice in Nanjing City and explore the feasibility of opening a single hole of the sluice，Delft 3D software was used to establish a large-scale water depth average model and a local three-dimensional mathematical model.Then the flow pattern near the Sanchahe estuary sluice was numerically simulated，the flow pattern under the most unfavorable water level condition was studied，and the influence range of different operation modes of the sluice on the velocity distribution was determined.Furthermore，by comparing the flow velocity at the bottom of the river with the sediment incipient velocity in the study area，the distribution of the deposition-erosion range of the river near the estuary gate was obtained.The research results can provide a basis for the study of single hole opening of the estuary sluice.
Key words：
operation mode of sluice;flow pattern;velocity distribution;Delft 3D model;river deposition-erosion;Sanchahe estuary gate
为模拟南京市三汊河河口闸附近水流流态，探究河口闸单孔开启的可行性，采用Delft 3D软件建立大范围水深平均模型和局部三维数学模型，对三汊河河口附近水流流态进行数值模拟，研究最不利水位工况下的水流流态，并确定了闸孔不同运行模式对流速分布的影响范围。进一步地，将河道底面流速与研究范围内泥沙起动速度进行比较，获得了河口闸附近河道冲刷与淤积范围的分布情况。研究成果可为研究河口闸单孔开启提供依据。
关 键 词：
水闸运行方式; 水流流态; 流速分布; Delft 3D模型; 河道冲淤; 三汊河河口闸
中图法分类号： TV131.4
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.026
0 引 言
三汊河河口闸位于外秦淮河入江口，是南京市秦淮河环境综合整治工程的重要组成部分。河口闸采用双孔护镜门的闸门型式，在大闸门上叠加溢流活动小门，形式新颖独特。河口闸工程投入运行以来严格按照相关规定，采用双闸孔同时开启的方式调度运行，并定期进行检测，保证结构安全，获得了较多研究数据。
然而随着城市化进程的加快，外秦淮河水环境需要进一步改善。河口闸需要增加常态引调水功能，进而保证外秦淮河武定门闸至三汊河入江口段水体水质稳定满足Ⅴ类水及以上标准。基于外秦淮河新的功能需求，需要在现行条件下分析论证河口闸单孔开启运行的可行性，达到节约能源与高效利用水资源的目的。
由于河口闸单孔运行方式超出了原工程设计工况范畴，未来水闸能否实施单孔开启运行，需要通过科学有效的手段对该运行模式进行论证。为此需要进行河口闸单孔开启工况下河道的流态研究，计算其水流流速，判断其冲淤状况，为判断单孔开启是否符合安全性要求提供依据。
对于此类问题，可以使用Delft 3D软件建立数值模型的方法加以研究。国内外学者采用此类方法进行流态研究，取得了较好的效果。唐洪武等[1]曾在2011年利用Delft 3D软件建立数学模型，对三汊河河口闸双孔开启运行工况下闸下冲淤问题进行了系统研究。胡孜军等[2]通过建立洪泽湖区二维水深平均模型与三河闸闸室局部三维全耦合计算模型，对洪泽湖区三河闸附近的过流流态进行了精细化模拟。雷晓玲[3]利用Delft 3D数学模型对三峡航道环保疏浚的水质变化进行了数值模拟，并对三峡航道疏浚工作的成果进行了定量评估。左书华[4] 用Delft 3D软件建立水动力模型，研究了鳌江口外平阳咀海域流场，计算结果与实际测量结果吻合良好，证明此模型可以為工程研究提供流场背景。廖庾强[5] 利用Delft 3D建立了柳河彰武新城段平面二维模型，得到了水动力特征、典型断面形态变化、河道泥沙分布等结果，为柳河彰武新城段防洪工作提供了理论基础。范翻平[6]曾用Delft 3D软件建立鄱阳湖水动力模型，研究典型风向、风速对鄱阳湖流场的影响，为研究鄱阳湖的污染问题提供了理论支撑。赵明登等[7]将ArcGIS与Delft 3D结合，对渭河下游泛洪区洪水数值进行研究，实现了河道及溃堤洪水演进的实时动态演示。郎韵、陈伟等[8-9]曾利用Delft 3D建立了江-河-水闸大范围水深平均数学模型，研究三汊河河口闸左右闸孔过流严重不均的问题，发现导致过闸水流不均的主要因素是河势及河道深泓位置，并提出设置导流墙可以改善过闸水流不均，该模型取得了较好的模拟效果。
综合来看，前人利用Delft 3D数值模拟方法对河道水动力展开研究已获得满足要求的成果，但前人的研究大都是在河口闸两侧闸孔全部开启或关闭工况下开展的，对于河口闸单孔开启工况下的水动力特性，还未获得满足要求的成果。本文在前人基础上，运用Delft 3D建立数值模型的方法，对三汊河河口闸单孔开启工况下的河道水动力情况进行计算。
1 工程概况
三汊河河口闸位于南京市外秦淮河入江口，上游距下关大桥约300 m，下游距三汊河口约150 m。三汊河河口闸是秦淮河环境整治工程的重要组成部分，其主要功能是非汛期关闸蓄水，抬高外秦淮河水位，同时形成亲水景观，改善城市水环境和城市形象;汛期来临时则开闸放水，不影响外秦淮河行洪。
河口闸纵向轴线顺水流方向布置，工程范围内轴线长179 m。闸室采用整体式大跨度钢筋混凝土坞式结构，顺水流方向长37 m，垂直水流方向长97 m。闸室共两孔，单孔净宽40.0 m，中闸墩宽4.0 m，边闸墩宽4.5 m，单孔总宽度48.5 m。闸底板高程1.0 m（吴淞基面，下同），闸底板厚2.5 m，闸墩顶高程7.5 m。考虑到与上下游河道平顺连接和水流流态，闸上、闸下分别设渐变段。上游渐变段长50 m，包括长度为20 m的钢筋混凝土护坦和长度为30 m的素混凝土护底，两侧为混凝土预制块护坡和生态混凝土护坡;下游渐变段长92 m，包括长度为20 m的钢筋混凝土消力池、长度为60 m的混凝土护底和长度为12 m的抛石防冲槽，两侧为混凝土方格护坡和生态混凝土护坡（见图1）。
三汊河河口闸非汛期正常过水流量为30 m3/s，行洪流量为80 m3/s（关闸蓄水状态）;汛期闸门开启，行洪流量为600 m3/s。工程自2005年建成运用以来，总体运行情况良好，在提升外秦淮河的水环境状况方面发挥了重要作用，已成为南京市标志性水利工程。
2 数值模型的建立
为研究河口闸单孔开启的流场流态，现建立大范围水深平均数学模型，包括外秦淮河部分河段，以全面反映外秦淮河水动力条件的不同组合对枢纽河段流动特性的影响。
式中：u，v，ω分别为ξ，η，σ方向上的流速;Gξξ、Gηη为坐标变换拉梅系数;ζ为相对于模型参照平面的水深，下同。
通过连续方程可以计算垂向流速w：
式中：H为总水深，下同。 （2） 动量方程。
ξ和η方向的动量方程分别为
式中：ρ为水体密度，除了斜压项，其他处忽略密度的变化;Pξ，Pη分别为ξ，η方向上的静水压力梯度;Fξ，Fη分别为ξ，η方向上紊动动量通量;vV为垂向涡动黏性系数;fu，fv为柯氏力系数;Mξ，Mη分别为ξ，η方向上动量的源汇项。
（3） 边界条件。
初始条件：
边界条件：
出、入流开边界上，给定水位、流速或流量过程。固壁边界采用无滑移边界条件。
时步长和空间步长满足稳定性条件：
2.2 计算区域的选取和数值模型的建立
为充分考虑长江水位流量对河口闸过流特性的影响，大范围水深平均模型计算区域包括外秦淮河、河口闸工程及长江，并考虑长江中潜洲、江心洲所在位置对边界选取的影响[9]。最终确定长江上游边界取为河口上游约1 100 m处，长江下游边界为河口下游900 m处，外秦淮河上游边界根据实测地形资料的范围确定为河口闸轴线以上约820 m处。水深平均模型计算区域及模型网格划分如图2所示。
其中，长江上游边界使用流量边界条件，长江下游边界使用水位边界条件，外秦淮河上游边界使用流量边界条件。
依据河口闸已有研究成果的综合分析，针对河口闸可能的单孔开启运行模式，最终拟定研究工况组合如表1所列。其中组合模式1为河口闸可能运行的最不利工况组合，组合模式2为组合模式1的补充。
由图3可见，河口闸数值模拟结果与河工模型试验结果基本吻合。最大绝对误差仅约 0.1 m/s，出现在距上游 450 m 断面的近左岸。验证结果说明该模型的模拟结果基本可靠，可用于后期的研究和分析。
2.4 泥沙起动流速研究
目前对于泥沙冲淤的研究，多采用泥沙拖拽力和起动流速作为标准。鉴于流速场和剪力场之间存在着一定的关系，更多学者为方便使用，相对泥沙起动拖拽力而言，更热衷于推求起动流速[10]。
本文将泥沙起动流速作为泥沙冲淤的判别标准，若河道底面流速大于泥沙起动流速，则判定为该位置河道冲刷。
目前就天然均匀沙起动公式来看，起动流速公式在形式上差别不大，一般与粒径的1/3指数方、水深的1/6指数方成正比，但其他系数取值离散度较大[11]。
对于细颗粒泥沙的起动流速，中国学者展开了卓越的研究，其中窦国仁公式[12]、张瑞瑾公式[13]、唐存本公式[14]、沙玉清公式[15]等都有很大的影响。
对众多公式进行比较后，从实验验证和工程应用两方面考慮，本文采用唐存本公式：
式中：m=4.7（hd）0.06，γs为泥沙容重，γ为水流容重，δ为淤积物的干容重，δ0为淤积物稳定干容重，h为水深，d为泥沙粒径。本文
取γs=2.65 g/cm，γ=1.00 g/cm，c=2.9 ×10-4 g/cm，ρ=1.02×10-3 g·s/cm3，取稳定容重情况δ=δ0。
采用研究段的流速变化对河口处的河床稳定性进行分析。通过模型计算得出观测点的流速及水深情况，推导出对应的泥沙起动粒径，进而分析研究段泥沙的起动概率及变化范围。
根据资料，秦淮河河段泥沙平均粒径为0.18 mm[1]。河段的起动流速拟选用这一特征粒径进行计算。
两种组合模式下计算范围内河道水深及泥沙起动流速如表2所列。
3 预设水位流量下河口闸水流流态的计算
为直观比较每种组合模式下不同工况水流流态差异，现将每种组合模式分为3种工况，选取典型断面对断面上流速分布进行分析比较。为了获得河道底面流速，建立了局部三维数据模型，对河口闸附近河道冲淤状况进行了分析。
3.1 3种工况下流速分布对比
为了对比分析，将组合模式1细分为工况1、工况2和工况3;将组合模式2细分为工况4、工况5和工况6，各个工况详细信息如表3所列。
为直观比较不同工况下外秦淮河水流流速分布，现选取多个典型断面，对断面流速横向分布进行分析。选取断面为：闸上游200 m、闸上游100 m、三汊河河口闸轴线处、闸下游80 m、闸下游100 m、河口处（闸下游约150 m）。
组合模式1各个典型断面横向流速分布曲线如图4所示，
组合模式2各个典型断面横向流速分布曲线如图5所示。
通过两种组合模式下的断面流速分布，可以得到如下规律性认识：
单孔开启对流速分布的影响主要出现在闸上100 m断面至闸下150 m断面范围内，在闸轴线断面处流速差异达到最大，越远离闸轴线流速分布差异越小。
3.2 研究范围内河道冲淤
前文所作分析皆基于大范围水深平均模型，其优势在于可以分析较大范围内水流流态变化情况，但对于流速分析，不能提供充足数据。为提取冲淤分析所需的河道底面流速，也为了分析河道过水面积变化与流速分布的关系，需要重新选取计算区域，建立局部三维模型。
三汊河河口闸三维建模计算范围的选取，既要能够体现河口闸上下游流态又要保证水流顺直。根据流速分布曲线，3种工况差异大约出现在河口闸上游200 m位置，三维建模上游边界取到闸上游约300 m处;同时考虑到三维模拟主要关注闸孔开闭对闸下游附近区域的影响，当下游汇入长江后，长江流量大，影响因素多，边界不易确定，因此下游取到外秦淮河河口附近区域。这个范围既包含了重点关注的区域，又方便了边界条件的确定。局部三维水动力模型计算区域及网格划分如图6所示。
采用正交曲线网格对计算区域进行网格剖分，对河口闸枢纽局部进行了网格加密，垂向上沿水深均匀分为10层，其中垂向网格以闸下游100 m处断面为例。网格尺寸在 3～35 m之间，垂向模型网格见图7。 由图8（a）～（b）可以看出：工况2，3条件下（外秦淮河下游边界水位3.5 m，上游来流量60 m3/s），计算范围内闸上游250 m到闸墩范围内流速普遍大于0.57 m/s，高于河道泥沙起动流速0.53 m/s，河道会发生冲刷;闸轴线到河口范围内水流流速小于0.38 m/s，小于起动流速0.47 m/s，不会发生冲刷。
由图8（c）～（d）可以看出，工况5、工况6条件下（秦淮河下游边界水位4.5 m，上游来流量60 m3/s），计算范圍内闸上游250 m到闸墩范围内流速普遍小于0.48 m/s，低于河道泥沙的起动流速0.53 m/s，河道不会发生冲刷，仅在闸上游200 m附近区域流速大于泥沙起动流速，会发生冲刷;闸轴线到河口范围内水流流速小于0.24 m/s，小于起动流速0.53 m/s，不会发生冲刷。
3.3 研究范围内流速变化原因分析
本节从过水面积变化的角度简要分析研究范围内流速大小变化的原因。
图9为研究范围内典型断面处过水面积示意图（以工况1为例）。
从图9可以看出：在闸上200 m处，河道断面基本呈“V”形，过水面积较小，因此流速较大。在闸上200 m到闸轴线范围内，河道断面形状逐渐变为“U”形，过水面积增大，流速略有减小。在闸墩附近，单孔开启工况下，过水断面的宽度达到最小，流速也较大。在河口闸下游，由于河道加宽，流速逐渐减小。而到了河口处，由于河道底面高程抬高，过水面积急剧减小，流速再次增大。故在河口闸下游流速呈现先减小后增大的趋势，防冲槽处的流速较小。
4 结 论
本文构建了三汊河河口闸大范围水深平均模型和局部三维模型，对河口闸各种预设单孔开启模式进行了水动力计算，分析了各种工况下的水流流速特征，确定了闸孔不同运行模式对流速分布的影响范围。并通过将河道床面流速与计算所得泥沙起动流速进行比较，对单孔开启模式下的河床冲淤情况进行了分析，得到了以下结论。
（1） 单孔开启对流速分布的影响出现在河口闸上游100 m处至河口闸下游150 m处，越靠近闸轴线断面影响越大，并在闸轴线断面处达到最大，越远离闸轴线断面影响越小。
（2） 组合模式1工况下，河口闸上游段河道发生冲刷;组合模式2工况下，河口闸上游200 m处断面发生冲刷。其余河道位置河道床面流速小于泥沙起动流速，不会发生冲刷。
（3） 通过典型断面过水面积与计算区域内河道流速变化对比，刻画了计算区域内河道过水面积与流速的关系，对河道流速变化的原因进行了分析，认为河道过水面积的变化是导致流速变化的原因。
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（编辑：胡旭东）
引用本文：
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Simulation on flow pattern of Sanchahe estuary sluice under single hole opening in Nanjing City
XIE Xinzhuo1，CHEN Wei2，YANG Mingqiang2，WANG Lu2，YANG Feifei2，CAI Xin1
（1.Collage of Mechanics and Materials，Hohai University，Nanjing 211100，China; 2.Nanjing Sanchahe River Gate Management Office，Nanjing 210036，China） Abstract：
In order to simulate the flow pattern near the Sanchahe estuary sluice in Nanjing City and explore the feasibility of opening a single hole of the sluice，Delft 3D software was used to establish a large-scale water depth average model and a local three-dimensional mathematical model.Then the flow pattern near the Sanchahe estuary sluice was numerically simulated，the flow pattern under the most unfavorable water level condition was studied，and the influence range of different operation modes of the sluice on the velocity distribution was determined.Furthermore，by comparing the flow velocity at the bottom of the river with the sediment incipient velocity in the study area，the distribution of the deposition-erosion range of the river near the estuary gate was obtained.The research results can provide a basis for the study of single hole opening of the estuary sluice.
Key words：
operation mode of sluice;flow pattern;velocity distribution;Delft 3D model;river deposition-erosion;Sanchahe estuary gate