鄱阳湖实体模型定床相似关键技术研究
邬年华
江西省水利科学研究院
黄志文
江西省水利科学研究院
刘同宦
长江水利委员会长江科学院
如何实现鄱阳湖实体模型的阻力相似，是本模型定床试验的技术难点之一。结合水槽加糙试验研究成果，采用卵石梅花形加糙与塑料草垫加糙相结合的方法对本模型进行了分区域加糙、分段进行试验水面线、流速分布及分流比验证。模型水流的相似程度较好，模型满足水流运动相似条件，为保证模型试验精度奠定了基础。
1 模型概况
鄱阳湖定床实体模型模拟范围包括鄱阳湖主湖区、五河尾闾、入江水道段及长江江西段（瑞昌至彭泽）。模型平面比尺1∶500，垂直比尺1∶50，变率为10，糙率比尺0.607。模型面积约60000m2，其中模型水面面积约20000m2。鄱阳湖实体模型范围及断面布置见图1。
2 加糙的方法选择
模型与原型的水面线相似反映为两者综合阻力相似。河（湖）段阻力，主要由河（湖）床阻力及河（湖）岸阻力组成，其中形态阻力占较大比重。为此，一方面在河（湖）床地形变化较大（如洲滩与位置较低河床连接处）的地段适当加密制模断面，另一方面对两岸护岸段尤其凸出岸段进行局部地形修改，以达到较精确模拟原河道地形。
结合水槽加糙试验成果、河工模型加糙实践经验和鄱阳湖湖区及长江武穴—彭泽河段的糙率，整个定床模型表面为刮糙的水泥砂浆粉面，其中长江段模型阻力的调整采用在模型表面粘呈梅花形排列的卵石加糙的方法，如图2所示，使模型与原型的水面线相似；入江水道段高程小于9.0m滩地也采用此法，使模型与原型的水面线相似。而入江水道段深槽高程介于9.0～12.0m的滩地浅滩部分则采用密铺塑料草垫的方法加糙以达到湖床阻力相似的要求，如图3所示。
3 模型验证
鄱阳湖模型为大面积的物理模型，有长江段、湖区及入湖尾闾，实现整个模型的阻力相似，是本项目的技术难点之一，也是模型模拟结果准确与否，提供试验成果是否真实可信的基础。为此，在正式试验前，对鄱阳湖模型糙率值必须通过验证试验来检验和调整，以保证试验成果的可靠性。
图1 鄱阳湖试验模型模拟范围
图2 长江段加糙图
图3 鄱阳湖入江水道加糙图
定床模型验证的重要环节是检验模型水面线及水流运动与天然相似程度，其内容主要包括三个方面：一是水面线验证；二是断面流速分布验证；三是分流比验证。
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3.1 试验工况
模型工况试验见表1、表2。
表1 1998—1999年入江水道洪、中、枯水面线验证水文参数表 高程：黄海m
表2 1998—1999年湖区洪、中、枯水面线验证水文参数表 高程：黄海m
流速分布验证采用2011年11月13—18日水文测验成果，其中入江水道RJ2，RJ5计2个、长江CJ1-CJ5计5个。
分流比验证采用2011年11月13—18日。在2011年11月13—19日（枯水）当时水情变化条件下，左水道CJ3分流比为40%，右水道CJ4分流比为60%。
3.2 试验成果
定床模型验证的重要环节是检验模型水面线及水流运动与天然相似程度，其内容主要包括三个方面，一是水面线验证；二是断面流速分布验证；三是分流比验证。
（1）水面线验证。
表3 2006年长江段洪、中、枯水面线验证情况表 高程：黄海m
表4 1998—1999年鄱阳湖入江水道段洪、中、枯水面线验证情况表 高程：黄海m
（2）流速验证。
图4 不同年份地形和流速分布图
表5 RJ2断面流速对照表
续表
表6 RJ5断面流速对照表
表7 CJ1断面流速对照表
表8 CJ2断面流速对照表
表9 CJ3断面流速对照表
表10 CJ4断面流速对照表
从各断面流速分布图中可以看出，由于鄱阳湖和长江断面选用的制模地形资料不同期，导致模型的流速分布与原型有所偏差。从图4可以看出，各断面横向分布与原型实测资料基本一致，垂线平均流速的偏差在±0.45m/s范围之内。
表11 长江干流段主流线变化情况表
注“-”为偏右，“+”为偏左。
表12 鄱阳湖入江水道主流线变化情况表
注“-”为偏右，“+”为偏左。
表11、表12为模型主流线位置变化表，从表中可以看出模型主流线与原型过流时相应河段实测主流线位置较为接近，最大偏差在585m左右，一般偏差均在100～300m之间，部分断面主流位置基本一致。
3.3 分流比验证
经模型实测断面流速计算（见表7），左水道CJ3分流比为38.7%，右水道CJ4分流比为61.3%，与原型实测的40%和60%相比，在模型测量误差范围以内，说明模型左、右水道的分流与原型基本相似。
表13 模型汊道分流比验证成果表%
可以看出，整体上模型分流比与原型比较接近，最大误差为±1.3%，符合相关标准规范的误差要求。
4 结语
（1）通过不同的1998—1999年水文资料分别验证了鄱阳湖湖区和入江水道的水面线相似情况，以及用2006年水文资料验证了长江段水面线相似情况。验证试验结果表明，各站水位模型与原型误差一般在±0.01～0.05m之间，在模型允许误差范围内（模型允许的误差为±1mm，相当于原型值0.05m），满足《河工模型试验规程》（SL 99—1995）要求，说明模型水面线与原型水面线基本一致，满足模型与原型河床阻力相似的要求。
（2）利用2011年11月13—19日实测的7个水文断面的流速进行了流速分布验证。从各断面流速分布图中可以看出，由于鄱阳湖和长江断面选用的制模地形资料不同期，导致模型的流速分布与原型有所偏差。从图中可以看出，各断面横向分布与原型实测资料基本一致，垂线平均流速的偏差在±0.59m/s范围之内。
（3）采用2011年11月13—19日实测资料对长江张家洲汊道分流比验证结果表明，整体上模型分流比与原型比较接近，最大误差为±1.3%，符合相关标准规范的误差要求。
参考文献
［1］谢鉴衡.河流模拟［M］.北京：水利电力出版社，1990.
［2］SL 99—1995 河工模型试验规程［S］.北京：中国水利水电出版社，1995.
［3］江西省水利规划设计院，江西省水利科学研究院.鄱阳湖模型试验研究基地可行性研究报告［R］.2010.
［4］长江科学院.长江防洪模型利用世界银行贷款项目模型设计与关键技术研究成果报告［R］.2008.
[1]：本文发表于2012年。