年４月 期总第４６５期 水运工程 Ｐｏｒｔ＆Ｗａｔｅｒｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｒ．２０１２ Ｎｏ．４ ＳｅｒｉａｌＮｏ．４６５
河段二维水沙数学模型研究及应用水
ＧＵＯ Ｙａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｊｉａｎ－ｊｕｎ ｍｊｉｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｔｒａｎｓｐｏａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｔｉａｎｊｉｎ ３００４５６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｄａｐｔｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｆｏｒ ｌｏｎｇ ｒｅａｃｈ ｗａｔｅｒｗａｙ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ，ｗｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｒｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ＴＫ一２ＤＣ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ
ｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｔｈｅ ｌｏｎｇ ｒｅａｃｈ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｇｒｅａｔｌｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｔｉｍｅｌｉｎｅｓｓ ｏｆ ｌｏｎｇ ｒｅａｃｈ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｅｌ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ．Ｗｅ ａｌｓｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｈｅ ｒｅａｃｈ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｓｈａｓｈｉ ｔｏ Ｊｉａｎｌｉ，Ｄａｉｊｉａｚｈｏｕ ｔｏ Ｇｕｎｉｕｓｈａ ｌｏｎｇ ｒｅａｃｈ ｅ ２Ｄ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ｒｅａｃｈ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ，ａｎｄ Ａｎｑｉｎｇ ｔｏ ｊｉｎｇ ｒｅｌａｔｅｄ ｗａｔｅｒｗａｙ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｒｅａｃｈ ｏｆ ｔｈｅ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ，ａｎｄ ｃａ￣ｉｅｄ ｏｕｔ ａ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒｅｃａｓｔ ａｔｅｒｗａｙ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｏｎｇ ｒｅａｃｈ；ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ；ｆｌｏｗ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ；ＴＫ－２ＤＣ；ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ １ａｔ ｏｎ
三峡工程建成蓄水后，由于清水下泄，坝下 Ｉ道发生长距离、长时段的沿程冲刷与河势调 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
将给长江中游航道带来极为复杂的影响和新 要运用数学模型回答相关的工程问题，如沿海港
】题。这种长期“清水”冲刷所带来的河道冲 口、河口以及内河航道整治等。但对于大范围
河势调
：改变，
：。因此
下游航
｝水沙数 整和洲滩变化必将引起中游航道条件 区、长河道的计算平台的建设由于受到Ｐｃ计算
同时也对航道整治技术提出了更高的
在新的河道水沙条件下，需要开展长
道系统治理成套技术研究，其中，长
学模型研究是顺利实施长江中下游航
统整治 的重要技术手段。 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
收稿日期：２０１１－１０—３１
基金项目：西部交通建设科技项目（２００８３２８２２４３９）；西部交通建设科技项目（２００９３２８００００９０） 作者简介：郭阳（１９７８一），女，助理工程师，主要从事水沙数学模型研究。
水运工程
的科学计算需要，因此须采用高效并行技术。
国外少数商业软件已实现计算并行化，如
ＦＬＵＥＮＴ，大多数商业软件均未实现并行功能，但
已经展开相关并行程序的开发。在国内，水沙计
算程序并行化方面还存在不足。随着多核处理器
的普及，为更好地利用高性能计算机的性能，并
行计算的应用范围已经快速扩展。无论是双核、
四核还是更多的核心，要充分发挥处理器的优 势，就必须在并行计算上面有所突破，并行程序
的开发更是近几年各个应用领域的研究热点。
针对长河段水沙计算耗时较长、时间响应效
率低的特点，本文在ＴＫ一２ＤＣ软件的基础上，对其
源代码进行了并行程序的开发，将并行计算技术
应用在长河段水沙数值模拟中，大大提高了长河
段水沙模拟计算效率，在此基础上，建立了长江
中游沙市一监利、戴家洲一牯牛沙及长江下游安 庆一南京长河段平面二维水沙数学模型，并对航
道整治工程效果进行了模拟预测。
１ ＴＫ－２ＤＣ软件简介 河流水流泥沙数值模拟软件［３－ＳｌＴＫ一２ＤＣ（以
下简称“ＴＫ一２ＤＣ”）是应用于水运工程、水利工
程等行业的专业软件，该软件基于正交曲线网格
体系对河道水流泥沙运动进行二维模拟。
ＴＫ一２ＤＣ软件主要功能是对内河河流水流泥
沙运动、河床变形、水运工程建设后河道冲淤、
航道整治工程效果预测等进行相关计算和模拟。
应用领域为航道整治、水库日调节、通航水流条
件、坝下河床下切、回流区水沙运动机理等。
ＴＫ一２ＤＣ软件是集前处理、核心计算和后处理
模块于一体的软件体系。软件前处理模块应用正
交曲线网格，可自动生成贴体正交网格；软件核
心计算模块应用拟和坐标系下的平面二维Ｋ—Ｅ紊
流和悬移质、推移质泥沙运动模型对相关物理量
进行模拟；软件后处理模块能够很好地对模拟前
后的地形、流场、冲淤情况进行展示。ＴＫ一２ＤＣ软
件对上述模块进行了集成，只需安装ＴＫ一２ＤＣ后即
可运行所有模块。
ＴＫ一２ＤＣ软件开发应用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋和ＦＯＲＴＲＡＮ
语言编写。其中软件主界面采用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋语言编 写，具有良好的可视化操作效果。计算核心采用
交通运输部天津水运工程科学研究所在２０世纪８０ 年代末开始开发，并由多位专家一直持续改进完
善的河道水流泥沙计算程序，该部分程序源代码
为ＦＯＲＴＲＡＮ语言编写。软件在安装完成后，不需
要接触程序源代码，直接通过窗口界面化的操作就
可以完成模型建立、验证率定和其它应用工作。
ＴＫ一２ＤＣ软件于２００８年８月获得国家版权局
颁发的计算机软件著作权（编号：软著登字第
１０２９６６号），具有完全的知识产权。
２并行程序介绍 在ＴＫ一２ＤＣ软件基础上，对软件的计算核心 部分进行了并行程序的开发【６一 ］，主要包括对水
流对流扩散模型和泥沙对流扩散模型的并行化研
究，整个并行计算部分采用对等模式，每个进程
分别读人数据，计算结束后，对每个进程进行全
收集，仅对零进程进行输出，由于该二维水沙模
型采用贴体正交曲线网格，因此区域的划分只对
列进行，如果总列数不能整除总进程数，那么从 零进程开始，在每个进程上分￣ｌＪＪＪＩ］１，以达到每个
进程的计算负载平衡。其中，对解方程方法和特
殊点都做了相应的特殊处理，以获得更好的并行
加速比和并行效率，该并行程序基于ＭＰＩ进行并行
编程，ＭＰＩ通过独立于计算机语言的函数库来实 现，具有很好的可扩展性、可移植性和效率高等
特点。 该并行计算程序应用到长河段水沙数值模拟
中，计算效率显著提高，到目前为止，８５＂ＣＰＵ以
下并行效率可以达到８０％以上，也就是说计算速
度是普通计算机的６倍以上，大大加快了计算效
率。同时，为长河段水沙数学模型的建立及相关
预报模型奠定了基础。
３长河段数学模型应用
长河段数学模型的模型范围要包含区域间影
响较大的相关河段，利于相关影响分析，长距离 水沙输移模拟要采用并行计算技术等提高计算效
率，为河演分析和趋势预测作出准确模拟预报。
本文依托长江中游典型长河段沙市一监利、戴家 第４期 郭 阳，王建军：长河段二维水沙数学模型研究及应用
洲一牯牛沙河段和长江下游安庆一南京河段相关
航道整治工程，应用了并行计算技术，建立了适
用于长河段复杂河道边界的正交贴体曲线坐标系
下的平面二维全沙数学模型，并对上下游河段影 响关系及航道整治工程效果进行了模拟预测。
３．１长江中游沙市一监利长河段数学模型
模型计算范围上起陈家湾，下至天字一号， 自上而下共包含太平口、瓦口子、马家嘴、斗湖
堤、马家寨、郝穴、周公堤、天兴洲、藕池口、
石首、碾子湾、河口、调关、莱家铺、塔市驿、
窑集佬、监利和大马洲等１ ８个水道，全长约
１９５ ｋｍ。河段网格划分为１ ５０１×１５１，即沿水流 方向布置１ ５０１个节点，垂直于水流方向布置１５１
个节点。其中在重点碍航水道及航道整治工程布
置区域对网格进行适度的加密。
应用已建立的沙市一监利长河段平面二维水
沙数学模型模拟了该河段的水流泥沙运动情况。
模拟计算的水面线、断面流速分布、冲淤量、冲 淤部位与天然实测值均达到了较为理想的吻合程
度，模型可以直接用于工程效果预报计算。
在该河段中选取了藕池口河段总体工程（图１）
和窑监河段总体工程（图２）作为依托工程，采用
定床和动床数学模型来分别计算分析其实施前后
对上下游河段影响。
图１藕池口总体工程方案平面布置 水运工程
图２窑监总体工程方案平面布置
定床和动床计算结果表明：
１）下游总体工程实施后，工程区上游河段
有一定雍水，上游河段流速也有一定减小，距离
工程区越远，影响越小，其中，枯水流量下水位
和流速变化明显大于中洪水流量下水位和流速变
化，９８洪水流量下，工程区上游水位和流速基本
没有变化。
２）上游总体工程实施后，在枯水流量下，工
程区下游河段有一定跌水，下游河段流速也有一 定减小，中洪水流量下，工程区下游河段水位略 有雍高，下游河段流速也有一定增大。
３）从定床数学模型可知，上游工程实施后对
下游河段影响程度小于下游工程实施后对上游河
段影响程度，其中，枯水期相互影响较大，中洪
水期相互影响较小。
４）从动床数学模型计算得知，上游工程实施
后对下游河段河床冲淤影ｐｅｐｓｉ，于下游工程实施后
对上游河段河床冲淤影响，其中，大水丰沙年影
响大于小水小沙年。经过系列年水沙过程后，河
床相对冲淤变化较小。
５）窑监河段和藕池口河段总体工程实施前后
对上下游河段及工程区通航水流条件影响不大，
仍能满足通航安全要求。 程
２个河段整体工程方案实施后，应用给定水文
条件下的来水来沙过程预测得到结果显示（图３）：
该河段设计水位下３．５ ｍ航深可以贯通，河段内
３．５ ｍ等深线最小宽度都在２００ ｍ以上。
图３藕池口河段和窑监河段总体方案 ２００５￣２００７水文年后设计水位下水深
３．２长江中游戴家洲—牯牛沙长河段数学模型 加
计算范围上游起自沙洲水道，下游至武穴水 位站处，河段中包括戴家洲水道和牯牛沙水道两
个正在开展前期工作的碍航河段，模拟河段全长
约１２３ ｋｍ。模型采用白适应边界较好的正交曲线
网格进行模拟。网格布置以控制地形为原则，一
般地形变化较大和工程区域网格加密，顺直河段 适当变稀，网格均匀分布，沿水流方向网格平均
间距（断面间距）８０ ｍ，最小间距１５ ｍ；垂直于
水流方向网格间距平均２５ ｍ，最小问距５ Ｉ
ｎ。全