海河口泵站對(duì)大沽沙航道通航安全影響數(shù)值分析

季樹凱

(天津水務(wù)投資集團(tuán)有限公司，天津 300204)

1 問題的提出

海河是以行洪為主，兼顧排澇、蓄水供水、航運(yùn)、旅游等綜合利用的河道。規(guī)劃海河沿河至河口20年一遇設(shè)計(jì)澇水洪峰流量為914m3/s，已超過海河設(shè)計(jì)行洪流量800m3/s。為減輕海河的排水壓力、改善河口排水條件、保證海河治澇區(qū)的排水安全，新建海河口泵站工程是非常必要的。

海河口泵站利用原有漁航道作為泵站引水河，泵站設(shè)計(jì)流量230m3/s。泵站運(yùn)行必然引起大沽沙航道的水流條件發(fā)生變化，同時(shí)易引起局部泥沙沖淤，影響港區(qū)的航道水深，產(chǎn)生通航安全隱患。本文通過建立水動(dòng)力數(shù)值模型，分析泵站建設(shè)運(yùn)行對(duì)航道水流、沖淤及通航安全的影響，為工程建設(shè)及運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)。

2 MIKE21數(shù)值模型建立

2.1 水位條件

根據(jù)塘沽海洋站實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì):歷年最高高潮位為4.81m，歷年最低低潮位為－0.03m，歷年平均高潮位為2.74m，歷年平均低潮位為0.34m，歷年平均海平面為1.56m，歷年最大潮差為3.37m，歷年平均潮差為2.40m。

該工程的設(shè)計(jì)水位為1.07m，設(shè)計(jì)高水位為2.56m，設(shè)計(jì)低水位為－0.2m。

2.2 數(shù)值模型建立

本模型采用DHI Mike21二維潮流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。模型計(jì)算采用包含渤海、二道閘下游海河在內(nèi)的區(qū)域作為計(jì)算域。建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，采用了渤海海圖、天津港及附近海圖、大沽沙航道水深測(cè)圖，為配合本項(xiàng)目研究海河下游、海河防潮閘至臨港工業(yè)區(qū)碼頭海區(qū)、漁船閘上下游局部實(shí)測(cè)的地形圖。所有被采用的水深數(shù)據(jù)統(tǒng)一到平均海平面作為起算基面。

模型計(jì)算域三角形網(wǎng)格從1000m過渡到5m，既保證了計(jì)算精度又有效減少了網(wǎng)格數(shù)量，從而減少了模擬計(jì)算量。詳見圖1。

圖1 工程附近局部網(wǎng)格劃分

2.3 數(shù)值模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證選取附近海域三個(gè)潮位觀測(cè)站點(diǎn)、五個(gè)潮流觀測(cè)站點(diǎn)，控制潮汐過程、流速、流向與實(shí)際一致。經(jīng)驗(yàn)證調(diào)試，不同海域糙率取值在0.017～0.02之間。驗(yàn)證結(jié)果表明，潮位、潮流模擬計(jì)算精度滿足“海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程”的要求，可進(jìn)行工程方案模擬計(jì)算。

3 數(shù)值計(jì)算成果分析

3.1 泵站開啟對(duì)大沽沙航道水動(dòng)力影響分析

為比較不同工況下泵站開啟對(duì)航道水流條件的影響，將模型工況分為無風(fēng)天氣狀況下的工況1、2、3以及6級(jí)SE風(fēng)向工況4、5、6，組合工況情況見表1。

表1 模擬計(jì)算組合工況

通過模型計(jì)算，得到設(shè)計(jì)調(diào)度方案下6種工況流場(chǎng)分布情況，進(jìn)而對(duì)各工況下泵站開啟時(shí)段的最大流速、航道橫流進(jìn)行分析。為定量分析泵站運(yùn)行對(duì)航道的水動(dòng)力影響，選擇大沽沙航道段5個(gè)特征點(diǎn)(CW1～CW5)進(jìn)行定量分析，特征點(diǎn)分布見圖2。

圖2 特征點(diǎn)分布

航道橫流強(qiáng)度變化是對(duì)航道通航環(huán)境影響評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)之一。根據(jù)數(shù)值計(jì)算成果，表2對(duì)6種工況下各航道特征點(diǎn)的最大流速時(shí)刻航道流速及橫流大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表2 各工況航道特征點(diǎn)最大流速時(shí)刻統(tǒng)計(jì) 單位:m/s

泵站的排水量相對(duì)于外海潮量是小量，同時(shí)泵站開啟時(shí)段一般處于漲平潮前后，此時(shí)泵站下游潮位較高，泵站排水對(duì)下游水動(dòng)力影響較小。分析表明，各工況航道流速在0.01～0.41m/s之間，流速較小，不影響船舶的安全通航。各工況航道橫流除CW5點(diǎn)為0.22m/s稍大外，基本在0.1m/s以下，說明泵站運(yùn)行期航道水流條件較好，不影響船舶的安全通航。

3.2 大沽沙航道局部沖淤分析

通過模型計(jì)算，得到設(shè)計(jì)調(diào)度方案下6種工況歷時(shí)28d局部底床沖淤分布。根據(jù)計(jì)算成果，大沽沙航道在各種工況下均出現(xiàn)輕微淤積，淤積厚度約0.6～0.9cm。

分析表明，泵站運(yùn)行導(dǎo)致大沽沙航道呈輕微淤積態(tài)勢(shì)，對(duì)航道水深影響輕微，不影響船舶的安全通航。

4 結(jié)語

本文建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)海河口泵站運(yùn)行時(shí)大沽沙航道的水動(dòng)力及泥沙沖淤條件進(jìn)行了模擬研究。分析表明，泵站開啟各工況航道內(nèi)流速較小，航道水流條件較好，航道水深變化輕微，不影響船舶的安全通航。從通航環(huán)境和通航安全角度來看，海河口泵站工程是可行的。■

JTS/T231—2—2010海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程［S］．北京:人民交通出版社，2010．