蘇州港太倉港區現代物流糧油碼頭工程對航道的影響研究

(1.長江航道規劃設計研究院，湖北 武漢 430011；2. 長江科學院 農業水利研究所，湖北 武漢 430010)

蘇州港太倉港區現代物流糧油碼頭工程對航道的影響研究

楊建東1喬偉2

(1.長江航道規劃設計研究院，湖北武漢430011；2.長江科學院農業水利研究所，湖北武漢430010)

為研究大型碼頭工程建設對航道條件的影響，采用平面二維水流數學模型，分析了蘇州港太倉港區現代物流糧油碼頭工程修建前后的通航水流條件。對工程前后分流比和潮位及流速進行了計算分析，結果表明，該工程對上、下游河勢及附近河段的防洪及排澇、航道通航造成的影響不大，同時也論證了碼頭修建的可行性。

航道通航；碼頭；太倉港區

1 工程概況

近年來，隨著上海國際航運中心建設速度加快，長江口12.5 m深水航道上延至太倉工程完工，蘇州港太倉港區憑借其得天獨厚的區位優勢和水、陸條件，迎來了一個全新的高速發展時期，國家計委、交通部明確將蘇州港太倉港區定位為上海國際航運中心北翼干線港，擬逐步發展成為以國際集裝箱運輸為主，相應開展石油化工品及臨江工業的原材料和產成品運輸的多功能、綜合性重要港口[1]，主要為太倉、昆山及蘇州市區的社會經濟發展和對外開放提供直接的港口服務，為蘇錫常地區乃至長江沿線腹地的外向型經濟發展和以集裝箱為主的外貿物資中轉提供港口運輸服務。

太倉港沿岸長江水域寬廣，岸線順直，深水近岸，深槽寬深且長期穩定，掩護條件良好，波浪較小，長江主航道中心線偏向港區一側，海輪可直達太倉港。為適應地方經濟發展和水運市場需求，位于長江下游長江口南支河段瀏河水道南岸七丫口至瀏河口岸段的太倉港區現代物流糧油碼頭工程將開始修建，工程總體呈“干”字型布置，擬建17個大小泊位，具體為：主碼頭建設10萬噸級泊位1個，7萬噸級泊位1個，5萬噸級泊位1個，1萬噸級泊位1個，15 000噸級泊位5個；二檔碼頭建設5 000噸級泊位4個；近岸碼頭建設2 000噸級泊位4個。使用岸線長度955 m，年設計糧食吞吐量1 800萬t。

2 二維水流數學模型

為克服天然河道蜿蜒曲折帶來的計算域邊界起伏變化較大的問題,采用貼體正交曲線坐標系下的水流連續方程和水流動量方程。

2.1 水流連續方程

(1)

2.2ξ方向運動方程

(2)

2.3η方向運動方程

(3)

式中,u，v分別為ξ、η兩個方向的速度，m/s；ω是σ坐標系下的垂向速度，m/s；f為柯氏力系數，依賴于計算水域所在的緯度φ和地球自轉角速度Ω，f=2Ωsinφ；ρ0是水的密度，取103kg/m3；Pξ和Pη分別是(ξ,η,z)坐標系中ξ和η方向的靜壓梯度；Fξ和Fη則是ξ,η兩個方向的湍流動量流量，kg/s2·m；νV是垂直渦粘性系數。

數值求解上述基本控制方程，便可得到河道水流二維流場。采用有限差分法的ADI法求解上述方程[2]。

2.4 邊界條件及灘地動邊界處理

(1)邊界條件。對于陸地邊界，流速的法向速度為零；對于水邊界，ξ=i(t)或Q=Qi(t)，Φ=i(t)。其中，ξ、Q為水邊界i上實測潮位、流量過程線，或由天文潮預報及插值等方法確定。

(2)灘地動邊界。在實際河道中往往存在較大范圍的灘地等，隨著水位變化，這些淺灘時露時沒，成為影響流動的主要因素之一。本文采用網格干濕判別法來解決這一問題。該法是一種眾多學者常用的動邊界模擬技術，其優點是方便、易實現。

其數值實現過程如下：若網格(i,j)在前一時步為干網格，只要在當前時步滿足以下任一條件，則網格判斷為濕網格，即該網格浸入水中，

(1)Hi-1/2,j>δ；

(2)Hi+1/2,j>δ;

(3)Hi,j-1/2>δ;

(4)Hi,j+1/2>δ。

其中，δ為最小量，取0.05 m。

若網格(i,j)在前一時步為濕網格，只要在當前時步該網格四邊中點的最大水深小于δ，則該網格判斷為干網格，說明該網格露出水面。

2.5 計算網格的劃分

根據工程建設方案的規模及其影響范圍，要求模型范圍需足夠大。考慮計算水邊界需遠離該工程影響的區域，同時兼顧到方便獲取水文條件等相關資料的因素。上游的徐六涇斷面、北側的崇頭斷面、下游共青圩、橫沙斷面都設有潮位站，資料比較完整，且遠離工程區域，可作為本次計算的上、下邊界。同時計算區域內有多站的潮位、流速資料，為模型的率定和驗證提供條件。因此計算邊界為：徐六涇斷面作為上邊界，崇頭斷面作為北邊界，共青圩、橫沙斷面作為下邊界。

計算網格采用無結構三角形網格，為了提高模擬計算精度及減小計算工作量，在碼頭工程建設區域對網格進行局部加密，空間步長最小約10 m；遠離工程的水域，網格相對疏一些，如圖1所示。

圖1 數模計算網格

2.6 模型驗證

(1)潮位驗證。主要采用2012年9月25日～10月1日白茆站、楊林站大、小潮期間的實測潮位資料，其計算值與實測值的驗證過程線如圖2所示。從圖中可以看出，潮位計算值與實測值吻合較好。

圖2 潮位驗證結果對比

圖3 流速及流向驗證結果對比

(2)流速及流向驗證。采用2012年9月工程區域的1、2號水文測點大潮及小潮期的流速、流向過程的實測資料。其計算值與實測值的驗證過程線如圖3所示。從圖中可以看出，流速和流向計算值與實測值吻合較好。

通過模型計算斷面的潮位和流速可以得出，計算結果與實測資料吻合均較好，最大誤差均小于5%，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》(JTJ/T233—98)的相關要求。說明二維水流數學模型的建立和數值計算方法合理，在計算區域所建立模型是可靠的，模型及參數可以用于碼頭防洪工程的計算。

表1 工程前后各主要口門分流比變化 %

注：表中“+”值表示增加，“-”值表示減少，下同。

3 工程影響分析

3.1 計算水文條件

本次計算主要目的是分析碼頭建成后對鄰近水域防洪的影響，因此所選擇的計算水文條件應為對防洪最不利的水文條件。

1997年8月18～20日9711臺風形成的風、暴、潮三碰頭在長江口產生高潮位。通過1919年以來的潮位資料和《江蘇省水文特征手冊》分析，1997年年最高潮位為1919年以來最大值，其重現期為80 a。因此，從長江口歷年的大潮考慮，應選擇1997年8月18～20日的實測潮位資料作為計算的水文條件。1998年的7～8月大通流量最大值為82 100 m3/s，7～8月大通流量約70 000～80 000 m3/s，大流量及高水位持續的時間都較長，僅次于1954年洪水，有些特征值甚至超過1954年洪水。因此該次計算采用1998年典型大洪水及1997年典型大潮兩種水文條件。

3.2 工程對河段內河勢的影響

采用上述模型，在選定的水文條件下進行工程前后白茆沙南北水道斷面、新寶山水道上段斷面、南沙頭通道上段斷面，南、北港分流口斷面潮量及分流比較計算，分析工程建設對該河段河勢的影響。1997年典型大潮及1998年典型大洪水分流比變化計算結果如表1 所示。 從表1計算結果可以看出，在1998年典型大洪水及1997年典型大潮兩種計算水文條件下，碼頭工程的實施對南水道水流有一定的阻隔作用，白茆沙南斷面和南港斷面的分流比有降低的趨勢，但變化幅度小于0.02%，對附近河段主要汊道的潮量基本無影響。因此工程建成后不會對上、下游河勢造成不利影響。

3.3 工程對潮位的影響

為了分析糧油碼頭建設對附近水域最高、低潮位變化的影響，在擬建碼頭上下游及前沿、附近深槽淺灘處、附近主要通江口門處、主要涉水工程附近等分別布置了30個計算比較點，整個計算區域輸出點位置如圖4所示。計算并統計出工程前后最高、低潮位變化，計算結果如表2所示。

圖4 計算區域輸出點位置示意

從表2計算結果可以看出，碼頭工程建成后，工程上游的低潮位壅高，最大壅高約2 cm，發生在主碼頭及二檔碼頭上游，工程位置及下游低潮位降低，最大降低約3 cm，發生在主碼頭下端點附近。在1997年水文條件下，碼頭建成后，工程區域及緊鄰的上下游最高潮位略有降低，降低的最大幅度約1 cm，在1998年水文條件下，工程前后高潮位無明顯變化。

綜上所述，糧油碼頭建成后對漲、落潮流的阻力較小，由此引起的最高潮位壅高不明顯甚至略有降低，最低潮位壅高值不超過2 cm，所以擬建碼頭工程不會對其附近河段的防洪及排澇造成不利影響。

3.4 工程對船舶通航的影響

在現行航道布置條件下，擬建碼頭工程及其船舶停泊水域距離深水航道及小型船舶推薦航路右側邊線均有一定安全距離，不占用規定的航道水域，因此對航道內順航道行駛的船舶影響較小。超大型船舶、大型船舶、高速船舶應在深水航道中的通航分道內行駛，而小型船舶必須按規定的推薦航路和特定航路行駛，且要求船舶各自靠右航行。這就要求到港船舶進出碼頭時，有可能穿越主航道水域，因此會對在規定通航分道、推薦航路內正常行駛的船舶產生一定影響，建議船舶駕駛人員嚴格遵守本航段內關于船舶避讓的特定規定：靠離碼頭的船舶，應主動避讓在規定的通航分道、推薦航路或特定航路內正常行駛的船舶。

表2 工程前后潮位變化

注：表中“+”值表示潮位抬高，“-”值表示潮位降低。

從船舶回旋水域與航道布置關系來看，該工程設計代表船型10萬噸級散貨船回旋水域均在深水航道外側，但需借用大部分推薦航路水域，對沿推薦航路下行的小型船舶有較大影響。建議采取拖帶輪輔助作業，以減小船舶作業時的回旋水域，從而減小船舶回旋作業對主航道內過往船舶正常航行的影響。

4 結 論

通過構建太倉港區現代糧油碼頭工程二維水流模型，分析了該工程建設前后對河段內河勢、潮位以及船舶通航的影響，得出如下結論。

(1)本文所構建的二維水流數學模型，計算結果與實測資料吻合均較好，最大誤差均小于5%，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》(JTJ/T233—98)的相關要求，說明該模型的建立和數值計算方法合理，在計算區域所建立模型是可靠的，模型及參數可以用于碼頭防洪工程的計算。

(2)在1998年典型大洪水及1997年典型大潮兩種水文條件下，通過模型計算得出，工程建設前后對該河段內的河勢、潮位影響均有限，因此，該工程不會對上、下游河勢產生不利影響，也不會對其附近河段的防洪及排澇造成影響。

(3)碼頭工程處于白茆河口以下太倉港區。工程局部河床近30 a來沖淤變化較大，但太倉港深槽歷年來變化較小，穩定在河床右側，且碼頭前沿水域寬闊，水深良好，12.5 m深槽貫通，基本具備碼頭工程建設的水域條件。在現行航道布置條件下，擬建碼頭水工建筑物及停泊水域均與主航道有一定安全距離，不占用航道水域，對現行航道布置影響較小，對未來航道布置調整的影響也較小，且擬建碼頭前沿與相鄰碼頭前沿線平順銜接，因此認為，該碼頭平面布置基本滿足航道管理規定要求。

[1] 梁碧,王平義. 金沙江銀江大件碼頭對航道的影響研究[J].山西建筑,2009,35(19):367-368.

[2] 楊小文,許光祥.祥利碼頭工程對航道的影響研究[J]. 重慶交通大學學報(自然科學版),2009,28(5):934-937.

(編輯：唐湘茜)

2017-04-20

楊建東，男，長江航道規劃設計研究院，工程師.

1006-0081(2017)08-0017-05

U612.32

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