海河口泵站對(duì)引水河口通航安全影響數(shù)值分析

張?jiān)浪桑瑓菉檴櫍緲?shù)凱

（天津水務(wù)投資集團(tuán)有限公司，天津300204）

海河口泵站對(duì)引水河口通航安全影響數(shù)值分析

張?jiān)浪桑瑓菉檴櫍緲?shù)凱

（天津水務(wù)投資集團(tuán)有限公司，天津300204）

建立二維潮流數(shù)學(xué)模型，分析海河口泵站運(yùn)用引起引水河與海河交匯區(qū)的流場(chǎng)變化。分析表明，該區(qū)域內(nèi)最大流速達(dá)到1.03 m/s，流場(chǎng)明顯變化影響限定在引水河口半徑150 m范圍內(nèi)，各工況航道橫流均小于0.1 m/s，船舶航行至該水域時(shí)流場(chǎng)變化可能發(fā)生漂移、偏離航道。船舶航行至引水河口段時(shí)應(yīng)觀察船位變化，及時(shí)調(diào)整航向，緩解或消除其不利影響。從通航環(huán)境和通航安全角度看，海河口泵站工程是可行的。

泵站；通航；安全；數(shù)值模擬；海河口

1 問(wèn)題提出

海河是海河流域大清河系和永定河系洪水的入海尾閭之一，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914 m3/s，已超過(guò)海河設(shè)計(jì)行洪流量800 m3/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)內(nèi)中心城區(qū)、環(huán)城四區(qū)和濱海新區(qū)等重要區(qū)域的排水安全，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，設(shè)計(jì)流量230 m3/s。泵站運(yùn)行時(shí)引水河分流必然引起主河道流向發(fā)生變化，進(jìn)而造成引水河河口附近航道橫流，使得通航水流條件發(fā)生變化，產(chǎn)生通航安全隱患。筆者通過(guò)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 水動(dòng)力數(shù)值模擬分析

2.1 水位條件

天津海港水域?yàn)椴徽?guī)半日潮，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4.81 m，歷年最低低潮位為-0.03 m，歷年平均高潮位為2.74 m，歷年平均低潮位為0.34 m，歷年平均海平面為1.56 m，歷年最大潮差為3.37 m，歷年平均潮差為2.40 m。

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

2.2 數(shù)值模型建立

本模型計(jì)算采用DHI Mike21二維潮流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行。Mike21是業(yè)界廣為認(rèn)可的數(shù)值模擬系統(tǒng)，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。模型能夠施加潮位邊界條件、流量邊界條件，不僅能進(jìn)行水動(dòng)力數(shù)值模擬，同時(shí)可以考慮對(duì)閘門開(kāi)閉、橋墩阻水等常見(jiàn)水工建筑物作用的模擬。對(duì)于泵站排水，模型可以用相互連通的源項(xiàng)方式（取水、排水）進(jìn)行模擬，考慮了源項(xiàng)存在時(shí)的質(zhì)量守恒及取、排水時(shí)的動(dòng)量方程的守恒，模擬精度高。

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)目研究對(duì)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1 000 m過(guò)渡到5 m，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。

2.3 數(shù)值計(jì)算成果

為分析比較不同工況下泵站開(kāi)啟對(duì)海河水流條件的影響，將無(wú)風(fēng)天氣狀況下的工況1、2、3以及6級(jí)SE向風(fēng)天氣狀況下的工況4、5、6下引水河與海河交匯區(qū)局部流場(chǎng)進(jìn)行比較。組合工況情況見(jiàn)表1，工況1條件下河道局部流場(chǎng)如圖1所示，其他工況河道局部流場(chǎng)不再贅述。

表1 模擬計(jì)算組合工況

圖1 工況1河道局部流場(chǎng)

為定量分析泵站運(yùn)行對(duì)海河航道的水動(dòng)力影響，選擇海河擬建跨河橋附近3個(gè)特征點(diǎn)（B1－B3）、引水河口門到海河防潮閘閘段3個(gè)特征點(diǎn)（CN1－ CN3）進(jìn)行定量分析，特征點(diǎn)分布如圖2所示。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)。

圖2 特征點(diǎn)分布

3 泵站建設(shè)對(duì)通航安全的影響分析

3.1 航道最大流速分析

在工況2下，處于海河考察段最窄處的CN3點(diǎn)的流速達(dá)到1.03 m/s，其他工況下CN3點(diǎn)的最大瞬時(shí)流速也在0.86～0.93 m/s，較大的流速對(duì)下行船舶存在一定影響。

3.2 航道橫流強(qiáng)度變化分析

各工況特征點(diǎn)的航道橫流均小于0.1 m/s，說(shuō)明泵站運(yùn)行期其航道水流條件較好，不影響船舶的安全通航。究其原因，是泵站的取排水量相對(duì)于外海潮量是小量，同時(shí)泵站開(kāi)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)力影響小。

3.3 航道橫流影響范圍分析

根據(jù)各工況河道局部流場(chǎng)和特征點(diǎn)流速成果分析，無(wú)論是無(wú)風(fēng)天還是6級(jí)SE風(fēng)天，3種設(shè)計(jì)水位對(duì)比都呈現(xiàn)相似規(guī)律，即泵站取水對(duì)海河水流影響范圍基本限定在圓心位于引水河口處半徑150 m的范圍內(nèi)，由于水流向右岸的偏轉(zhuǎn)，易造成該航道段航行船舶的航線偏移。

表2 各工況航道特征點(diǎn)航道流速及橫流統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

筆者建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)海河口泵站運(yùn)行時(shí)引水河與海河交匯區(qū)段的水動(dòng)力條件進(jìn)行了模擬研究。分析表明，泵站開(kāi)啟局部水流流向變化明顯，影響限定在圓心位于引水河口半徑150 m范圍內(nèi)。船舶航行至該水域時(shí)流場(chǎng)變化可能發(fā)生漂移、偏離航道。船舶航行至引水河口門段水域時(shí)應(yīng)觀察船位變化，及時(shí)調(diào)整航向，其不利影響將緩解或消除。從通航環(huán)境和通航安全角度看，海河口泵站工程是可行的。

TV856；TV675

A

1004-7328（2015）02-0049-02

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.02.019

2014－11－20

張?jiān)浪桑?970－），男，高級(jí)工程師，主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。