甬江感潮河流上下游碼頭群對河道行洪的聯合影響

陳 珺，鄧麗華，于明田，施 凌

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098； 2.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098； 3.中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007)

甬江位于杭州灣最南段，是中國東海獨流入海的河流，上游支流奉化江和姚江在寧波市三江口匯合后始稱甬江。20世紀80年代以前，甬江碼頭工程主要位于寧波三江口至寧波大學河段(即寧波老港)，80年代后，為分流上海港運量及承擔浙江地區物資進出，在鎮海電廠至鎮海口河段陸續修建碼頭工程，形成了新的港區(鎮海港)。目前寧波三江口至鎮海口的河道南北兩岸，碼頭修建數量共212座，主要集中分布在寧波三江口至寧波大學河段北岸，寧波大學至鎮海電廠的北岸以及鎮海電廠至鎮海口的南北兩岸(圖1)。單座碼頭工程對于甬江河道

1—外灘大橋；2—慶豐橋；3—招寶山大橋圖1 研究河道區域與碼頭工程分布示意圖

不會造成顯著的影響，但大量碼頭工程的建設，勢必造成工程群效應，引起其附近水域水流流態等發生變化，從而可能影響河道河勢及防洪安全，因此開展甬江碼頭群對河道行洪影響的研究具有重要意義。

目前國內外學者關于碼頭工程對河道行洪影響的研究取得了豐富成果。其中針對單座碼頭工程對河道行洪影響的研究較多[1-6]，碼頭工程群對河道行洪影響的研究相對較少[7-10]，而且多以局部碼頭工程群為研究對象，河道中不同位置碼頭工程群對河道行洪的聯合影響并無研究。本文根據甬江碼頭工程分布密集程度將甬江河道分為寧波三江口—寧波大學、寧波大學—鎮海電廠、鎮海電廠—鎮海口3段，分別以不同河段碼頭群為基本研究對象(圖1)，建立甬江二維非恒定潮流數學模型，針對上述甬江3個河段已建碼頭群對河道行洪聯合影響展開研究。

圖3 甬江各河段典型位置碼頭工程分布遙感圖

表1 甬江碼頭工程信息

注：阻水比是在100年一遇洪水+5年一遇潮落急狀態下碼頭阻水面積與河道過水面積之比。

1 碼頭工程基本情況

甬江碼頭工程陸續興建始于1960年，其中寧波三江口—寧波大學河段碼頭工程修建集中于1975—1985年；寧波大學—鎮海電廠河段碼頭修建集中于1985—2000年，碼頭噸級為500～5 000 t不等，包括生產性碼頭(貨運、漁業等)、公務碼頭和工程船碼頭；鎮海電廠—鎮海口河段碼頭工程修建集中于1975—2006年，其主要為生產性泊位(散貨、集裝箱和液體化工泊位)，泊位噸級為1 000～20 000 t不等，其中液體化工碼頭已成為我國最大的商業散裝液體化工專用泊位，每年基本上占全國散裝液化品進口總量的15%～20%。圖2為甬江河道各時段碼頭建設數量統計圖。圖3為甬江各河段典型位置附近碼頭工程分布遙感圖。表1為甬江河道碼頭工程信息統計表。

圖2 碼頭建設年份與數量分布

2 模型建立與驗證

基于Delft3D模型建立甬江二維非恒定潮流數學模型，針對甬江不同河段碼頭群對河道行洪聯合影響進行模擬研究。該模型采用貼體交錯四邊形網格劃分計算區域，通過ADI有限差分格式對二維水動力基本方程進行離散求解，兼具了隱式和顯示格式的優點，計算穩定且精度高，具體方程及求解方法見文獻[11]。

2.1 計算河段選取及網格劃分

在綜合考慮甬江河道碼頭工程分布及實測水文資料等因素的基礎上，模型計算范圍選取如下：姚江大閘(邊界1)至寧波三江口約3.3 km，奉化江鄞縣大橋附近水文觀測斷面CS7(邊界2)至寧波三江口約9.5 km，寧波三江口至甬江口附近部分海域(邊界3、4)，其中河道約25.6 km。地形采用2016年實測高程(圖4)。姚江大閘至寧波三江口河段網格數為18×186個，網格長度為10～18 m；奉化江CS7斷面至甬江口網格數為36×2 576，已對碼頭工程所在網格進行加密，網格長度為5～16 m(圖5)。

圖4 研究區域河道地形與斷面位置

圖5 模型計算區域網格劃分

2.2 碼頭工程概化

甬江河段碼頭結構形式為重力式、高樁式和浮碼頭，其中以高樁式碼頭為主。對于碼頭樁群的概化，重力式碼頭所在網格，直接作不過水處理，浮碼頭所在網格直接做過水處理，而高樁式碼頭樁群所在網格節點，采取修改糙率和抬高地形的方式進行概化，具體原理如下：

a. 局部糙率修正。碼頭樁群分布可看作為攔污柵形式的阻水建筑物，樁群的存在增加了水流的局部阻力損失，可通過增加樁體所在網格單元的糙率來實現[12]。可按下式進行計算：

(1)

式中：n為樁體所在網格單元綜合糙率；n0為工程前碼頭附近河床糙率；ζ為樁體局部阻力系數；b1為網格單元中樁體沿河寬方向總寬度；b為樁間距；θ為樁與河底夾角；β為樁體形狀系數；h為水深;g為重力加速度。

b. 局部地形修正。假設網格單元河底高程增加值阻擋的流量與樁群阻擋的流量相同[13-14]，得到單元內河底高程增加值為

a=h(b1/b2)6/7

(2)

式中：b2為沿河寬方向網格寬度。

2.3 模型率定和驗證

圖6 2015-06-17洪季大潮各水文測站潮位率定

模型邊界均給定非恒定流條件，邊界1為姚江大閘實際統計排放流量過程，邊界2為CS7斷面實測潮流量過程，邊界3、邊界4為鎮海口水文測站實測潮位過程。采用曼寧糙率系數反映灘槽的床面阻力，河槽糙率小于灘地糙率，通過2015年6月17日14時至18日16時洪季大潮實測水文資料進行率定(圖6和圖7)，河槽糙率取n=0.016～0.025，灘地糙率取n=0.026～0.032。采用2016年1月9日18時至10日22時實測枯季大潮水文資料對模型進行驗證(圖8和圖9)。從圖中可以看出，各水文測站計算潮位與實測潮位誤差較小，各觀測斷面垂線流速和流向過程與實測值基本吻合，驗證結果較好，表明模型可用于潮洪組合條件下的碼頭群對河道水流行洪聯合影響的模擬研究。

圖7 2015-06-17洪季大潮各斷面流速流向率定

圖8 2016-01-09枯季大潮各水文測站潮位驗證

3 模型計算與結果分析

3.1 計算方案

根據甬江河道的碼頭工程分布密集程度，將甬江河道分為寧波三江口—寧波大學、寧波大學—鎮海電廠和鎮海電廠—鎮海口3段，其中方案1～3主要研究單段碼頭群對河道行洪的影響，方案4研究全河段碼頭群對河道行洪的影響，具體計算方案如表2所示。使用所建甬江平面二維潮流數學模型，計算100年一遇洪水+5年一遇潮位組合條件下，洪水落急時刻甬江不同位置碼頭群對河道行洪的影響。邊界1和邊界2選用流量過程，邊界3和邊界4選用潮位過程。

表2 計算方案設置

圖9 2016-01-09枯季大潮各斷面流速流向驗證

3.2 碼頭群對河道水流特性影響分析

3.2.1碼頭群對河道水位影響

a—寧波海盛股份有限公司1號碼頭；b—寧波港集團公司1號碼頭；c—明富砂場碼頭；d—鎮海發電廠卸煤碼頭；e—熱電廠煤碼頭；f—上航二處鎮海2號碼頭；g—航代白沙碼頭；h—上航二處鎮海2號碼頭圖10 不同計算方案落急時刻河道水位變化分布

各方案中碼頭工程群在100年一遇洪水+5年一遇潮落急時刻對河道水位影響分布如圖10所示。根據河道平面形態分布特征，在姚江、奉化江及甬江河段設定一定數量的觀測斷面，以寧波三江口為中心，依次繪制各觀測斷面水位平均壅高值沿程分布如圖11所示。對各方案中落急時刻河道水位變化情況統計如表3所示。由圖10、圖11和表3可知，單段碼頭群對河道洪水位影響規律類似：①單段碼頭群所處河段碼頭群末端水位降低，越往上游，壅水不斷累積，呈現出不同程度的交錯壅高，水位壅高和降低最大值均出現在碼頭工程局部區域，方案1～3中碼頭群所處河段斷面水位平均壅高最大值分別約為4.00 cm、1.30 cm和2.46 cm，局部水位壅高最大值分別為7.00 cm、2.70 cm和7.28 cm；②單段碼頭群所在河段上游洪水位壅高，下游洪水位降低，前者幅度遠大于后者，河道水位壅高范圍均達到了CS7斷面處，水位降低范圍分別約為1.86 km、1.29 km和1.50 km；③單段碼頭群引起的水位壅高程度因其所處位置和分布密集程度不同而異，碼頭群距河口越遠，碼頭工程分布越密集，引起的河道洪水位壅高程度越大，方案1中碼頭群引起的河道洪水位壅高程度最大。全河段碼頭群在洪水期間引起全河段水位普遍壅高，河道斷面水位平均壅高最大值約5.48 cm，局部水位壅高最大值約8.78 cm，碼頭群所在河段水位出現不同程度交錯壅高，河道壅水范圍達到CS7斷面處，在臨近鎮海口附近的河道局部區域出現了較小幅度的水位降低。

表3 不同計算方案落急時刻河道水位變化

圖11 不同計算方案落急時刻河道斷面水位平均壅高沿程分布

對比單段碼頭群與全河段碼頭群影響計算結果可知，甬江上下游不同位置碼頭群對河道洪水位存在聯合影響。全河段碼頭群共同作用時，在各碼頭群共同產生壅水影響的區域，各段碼頭群對河道洪水位影響相互累積，使得河道洪水位變化比各碼頭群單獨影響時增加；在上游碼頭群引起河道洪水位降低而下游碼頭群引起洪水位壅高的區域，洪水位影響部分相抵，但由于降低幅度小于壅高幅度，河道洪水位變化值仍呈增加狀態。例如：全河段碼頭群對河道洪水位共同作用時，相對僅有寧波三江口—寧波大學河段碼頭群作用，姚江和奉化江河段水位壅高值分別增加1.0～1.5 cm和0.7～1.4 cm，寧波三江口—寧波大學河段水位壅高值增加1.40～2.36 cm，寧波大學—鎮海電廠河段水位壅高值增加2.3～3.0 cm，鎮海電廠—鎮海口河段臨近河口，其水位受海域潮位影響較大，在洪水期間該河段水位基本不受上游碼頭群影響。

3.2.2碼頭群對河道流速影響分析

各方案中碼頭工程群在100年一遇洪水+5年一遇潮落急時刻對碼頭群所在河段流速影響分布如圖12所示。將各方案中碼頭工程群落急時對河道流速影響統計如表4所示。由圖12和表4可知：①單段碼頭群工程局部區域水流流速減小，碼頭工程外側河道水流流速增加，其中寧波三江口—寧波大學河段與鎮海電廠—鎮海口河段北岸碼頭群分布密集，工程局部流速減小區域與外側河道流速增加區域均呈現為帶狀，方案1～3碼頭工程局部流速減小最大值分別約67.9 cm/s、47.0 cm/s和48.9 cm/s；②單段碼頭群上游河道流速變化幅度大于其下游河道，上游流速變化隨距碼頭群所在河段的距離的增加而減小，主要呈現為減小狀態，下游流速基本不受碼頭群的影響；③單段碼頭群對河道水流流速影響程度因其所在河段及分布密集程度不同而異，碼頭群距河口越遠，碼頭工程分布越密集，河道流速變化越大，方案1中碼頭群引起的河道流速變化最為顯著，姚江河段流速減小0～2 cm/s，奉化江河段流速減小0～3 cm/s，寧波三江口—寧波大學河段碼頭工程外側河道水流流速增加0～6 cm/s，碼頭工程局部區域水流流速減小0～8 cm/s。

在全河段碼頭群共同作用時，各河段水流流速變化幅度均出現了增加，其中流速減小程度較增加程度大，可見不同河段碼頭群聯合作用加劇了單段碼頭群阻水作用引起的河道洪水期間水流流速的變化。例如相對于僅有寧波三江口—寧波大學河段碼頭群作用，全河段碼頭群作用引起的寧波三江口—寧波大學河段流速增加值從0～6 cm/s擴大為0～7 cm/s，流速減小值從0～8 cm/s擴大為0～13 cm/s。

圖12 不同計算方案中碼頭群所在河段落急時刻流速變化分布

表4 不同計算方案落急時刻河道流速變化

4 結 論

a. 單段碼頭群所處河段碼頭群末端水位降低，越往上游，壅水不斷累積，呈現出不同程度的交錯壅高，其上游河段洪水位壅高，下游局部河段洪水位降低，壅高幅度大于降低幅度。因單段碼頭群所處位置與分布密集程度不同，水位壅高程度存在一定差異，碼頭群距河口越遠，碼頭工程分布越密集，引起的水位壅高程度越大。

b. 不同位置碼頭群對河道行洪存在聯合影響。在各碼頭群共同產生壅水影響的區域，各段碼頭群對河道洪水位影響相互累積，使得河道洪水位變化比各碼頭群單獨影響時增大；上游碼頭群引起河道洪水位降低而下游碼頭群引起洪水位壅高的區域，洪水位影響部分相抵，但由于降低幅度小于壅高幅度，河道洪水位變化仍呈增大狀態。

c. 無論是單段碼頭群還是全河段碼頭群作用，碼頭工程局部區域水流流速減小明顯，碼頭工程外側河道水流流速增加；寧波三江口—寧波大學河段與鎮海電廠至鎮海口河段，碼頭群工程局部流速減小區域和外側河道流速增加區域均呈帶狀分布；單段碼頭群所在河段上游河道流速變化幅度大于其下游河道，上游流速變化主要呈現為減小狀態，下游流速基本不受碼頭群的影響；全河段碼頭群共同作用時，相對單段碼頭群作用，各河段水流流速變化加劇，流速減小程度較增加程度大。