感潮河段碼頭建設(shè)對河道 行洪能力影響分析的研究

張玉蘭，余蝶雙

(寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，浙江 寧波 315000)

我國東南沿海的感潮河口河段，匯聚了其所在流域上游的洪水，河道行洪壓力較大。與此同時，河口段又是航運作業(yè)最為忙碌的河段，河道兩岸由于航運的需要建設(shè)了較多貨運碼頭，而這些碼頭的建設(shè)會對河道的行洪造成一定的影響。如何科學(xué)評價其影響程度，均衡好航運建設(shè)與防洪安全之間的關(guān)系成為了當(dāng)務(wù)之急。然而，感潮河口段水流復(fù)雜，洪潮交織[1- 3]，同時水下地形影響較大，因此傳統(tǒng)的一維模型已不能滿足其影響評估需求，亟需采用更為精細(xì)的二維模型進行研究和評估。

1 流域及碼頭工程概況

甬江，由姚江、奉化江在寧波市三江口匯合而成。甬江自三江口向東北蜿蜒伸展25.6km，至鎮(zhèn)海游山外入海。從姚江源頭夏家?guī)X眠崗山至游山入海口，全長133km；從奉化江源頭大灣崗至入海口，全長119km。甬江河道彎曲，江面一般寬300～450m，平均水深4～5m，水面比降小于0.01‰，為寧波市主要航道及姚江、奉化江的主要出海通道和行洪通道。甬江干流為感潮河段，咸淡水體交替，以徑流和潮流共同作用為主，水動力條件復(fù)雜。

該碼頭工程位于甬江干流北岸，所處河面較寬。本工程所處河段的兩岸現(xiàn)狀堤防防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。工程附近水利工程設(shè)施主要有孔浦閘、楊木碶閘和新楊木碶閘。

工程附近河道主槽河底高程為-4.5m～-5.5m，邊灘河底高程為-0.5m～1.7m。甬江的潮汐屬正規(guī)半日潮，潮流呈往復(fù)流。據(jù)多年實測潮位資料統(tǒng)計分析，歷年最高潮位3.3m，歷年最低潮位-3.85m，歷年平均高潮位1.07m，歷年平均低潮位-0.67m，歷年最大潮差3.53m，平均潮差1.74m。

2 影響分析研究

2.1 模型原理

本碼頭工程所處的河段為寬淺型河流，采用二維水動力方程即可反映河段的水流運動特性。所以，本文建立河口段二維水動力數(shù)學(xué)模型。該模型在國內(nèi)多個橋梁等涉河工程中得到實踐應(yīng)用，能準(zhǔn)確分析一般沖積性河段及工程附近的水動力變化情況。

(1)控制方程

本次采用的二維水動力數(shù)學(xué)模型[4- 6]綜合考慮洪水演進過程，可以全面模擬計算域內(nèi)水流過程。水動力學(xué)模型的控制方程由水流連續(xù)方程與運動方程等方程組成，主要控制方程如下：

我國鹽湖鋰資源儲量大，相比國外鹽湖，鎂鋰比高，提鋰難度大，這長期制約著我國鹽湖提鋰工業(yè)的發(fā)展。本項目提鋰生產(chǎn)線的成功穩(wěn)定生產(chǎn)，將引領(lǐng)我國鹽湖提鋰技術(shù)的綠色升級，促使我國占領(lǐng)高鎂鋰比型鹽湖提鋰領(lǐng)域的技術(shù)制高點，有力推動我國鋰電新能源發(fā)展戰(zhàn)略實施。

水流連續(xù)方程：

(1)

水流運動方程：

(2)

(3)

式中，H=h+ζ—垂線水深；ζ—水位；u、v—x、y方向的垂線平均流速分量；ε—紊動運動粘性系數(shù)；n—糙率系數(shù)；g—重力加速度。

(2)數(shù)值計算格式

本模型采用非均勻網(wǎng)格，擬在碼頭工程附近區(qū)域和地形較大的局部區(qū)定向加密網(wǎng)格。計算時采用有限體積法，控制方程離散時，結(jié)果變量U、V位于單元中心，跨邊界通量垂直于單元邊。

(3)邊界條件

初始條件：對于建模的給定的計算區(qū)域，給定水位和流速初始值。

邊界條件：進口邊界條件，給出進口開邊界處的水位、流量過程，由全流域模型或?qū)崪y數(shù)據(jù)給出；出口邊界條件，本文是自然開邊界，主要是經(jīng)下邊界或側(cè)邊界出流的河流，由全流域模型或?qū)崪y數(shù)據(jù)給出。

2.2 模型概化

(1)網(wǎng)格概化

本次建立的二維水動力數(shù)學(xué)模型，計算范圍從上游白沙公園至下游梅墟閘，總長約9.0km。為了反映河道地形和工程情況，同時滿足流場計算精度要求，網(wǎng)格寬度設(shè)為15～30m。在本碼頭工程附近進行逐個加密，加密網(wǎng)格寬度設(shè)置為0.5～3m。模型計算網(wǎng)格剖分圖如圖1所示，模型的網(wǎng)格節(jié)點9655個，網(wǎng)格數(shù)18687個，本碼頭工程區(qū)局部加密網(wǎng)格概化圖如圖2所示。

圖1 模型網(wǎng)格概化圖

圖2 碼頭工程區(qū)局部網(wǎng)格概化圖

(2)地形概化

數(shù)學(xué)模型地形資料采用2018年甬江實測地形(包括邊灘和主槽)，以及2019年本碼頭附近區(qū)重新加密測量的水下地形，兩份資料疊加而成，概化如圖3所示。

圖3 模型水下地形概化圖

(3)碼頭概化

本工程涉及浮碼頭和高樁板梁碼頭兩種形態(tài)，本次根據(jù)工程上采用的調(diào)整碼頭樁群區(qū)域糙率[7- 8]的方式對工程區(qū)群樁阻水進行概化，工程區(qū)糙率取值為0.04～0.05。

(4)邊界條件

本模型共設(shè)置2組開邊界，其中上邊界為白沙公園斷面，下邊界為梅墟閘斷面。模型驗證的邊界條件采用2017年實測水文資料進行驗證，計算工況的邊界條件選取甬江整體流域模型中得到的水位、流量過程。

2.3 模型驗證

2017年2月27日—2017年3月6日對工程附近區(qū)域進行了水文測驗，具備詳盡的實測資料，可為模型驗證使用。模型驗證邊界采用白沙公園、梅墟閘下的實測資料，潮位驗證選取工程附近3個測點作為驗潮站，流速驗證采用橋位3個測點。

模型在調(diào)試過程中，采用灘槽不同糙率模擬流場阻力，使模型計算的潮位及流場與實測的誤差滿足規(guī)定要求。經(jīng)比選后確定河槽糙率取n為0.01～0.025，灘地糙率取n為0.03～0.04，模型驗證成果分述如下。

(1)潮位驗證

模型計算潮位過程與實測潮位過程基本吻合，相位差控制在半小時以內(nèi)，高、低潮位的誤差不超過0.10m，滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(2)流速驗證

各測點計算流速與實測流速基本接近，最大流速和憩流出現(xiàn)時刻與實測基本一致，除個別點的漲急或落急流速有所偏差外，其余點流速驗證情況良好，漲、落潮平均流速的誤差在10%以內(nèi)，滿足潮流模擬的有關(guān)規(guī)程要求。

綜上所述，本次所建立的定床模型能較好地復(fù)演天然情況下河道的漲、落潮水流運動，模型計算所得的水位變化過程和流速分布過程與原型基本一致，表明模型的相似性較好，在此基礎(chǔ)上可以進行工程方案的計算研究。

2.4 影響分析

(1)壅水計算成果分析

本工程所處河段的兩岸現(xiàn)狀堤防防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。按照流域規(guī)劃的100年一遇成果作為邊界。在此條件下，與碼頭工程建設(shè)前相比，工程建設(shè)會造成碼頭斷面上游產(chǎn)生最大水位壅高為3cm，壅水長度約310m，主要位于上游左岸邊灘。如圖4所示。

圖4 100年一遇洪水條件下碼頭建設(shè)水位壅高等值圖

在碼頭工程上游2.0km甬江左岸布設(shè)有孔浦閘，本工程上游0.7km甬江右岸布設(shè)楊木碶閘，本工程下游甬江右岸布設(shè)有新楊木閘。結(jié)合上游壅水分析可知，孔浦閘位于壅水影響范圍以外，楊木碶閘和新楊木碶閘均位于河道右岸，亦無壅水影響，由此可得本工程的建設(shè)，對附近水閘排水基本不產(chǎn)生影響。

(2)流速變化成果分析

經(jīng)模型測算，碼頭工程建設(shè)后，100年一遇流量條件下，碼頭斷面上游流速減小，減幅為0.01～0.12m/s，范圍自上游200m至下游100m區(qū)域。碼頭斷面受水流壓縮影響，流速略有增大，增幅為0.01～0.11m/s。碼頭下游，碼頭掩護區(qū)流速呈現(xiàn)減小特征，減幅為0.01～0.04m/s，右岸邊灘及主槽基本不變。碼頭工程建設(shè)前、后流速變化等值圖如圖5所示。

圖5 100年一遇洪峰流量下工程前后流速變化等值圖

本碼頭工程建設(shè)實施后，上、下游邊灘流速呈現(xiàn)減小趨勢，碼頭斷面流速略有增大。再綜合實測大小潮流速，分析可得正常潮汐條件下，碼頭工程建設(shè)前左岸邊灘流速為0.5～0.8m/s，碼頭工程建設(shè)后左岸邊灘流速減小約0.01～0.08m/s，進一步測算得到因本工程建設(shè)新增年淤積厚度約0.10～0.15m，淤積范圍自上游200m至下游100m。因此，建議配套相應(yīng)的清淤措施，減小影響。

3 結(jié)語

為了協(xié)調(diào)沿海感潮河段的航運與防洪安全間的關(guān)系，有必要對航運碼頭的建設(shè)進行科學(xué)的洪水影響分析。但感潮河段水力條件復(fù)雜，因此需要建立合適的模型進行分析。本文選定二維水動力模型為分析手段，以甬江北岸某碼頭的建設(shè)為例，概化了該碼頭上下游共9km的河段為計算范圍，進行了網(wǎng)格剖分并對碼頭工程區(qū)進行了網(wǎng)格加密。在模型通過實測水文資料的檢驗后，以河段百年一遇防洪防潮標(biāo)準(zhǔn)的洪水為邊界條件，進行了壅水分析和流速變化等水動力分析。得到結(jié)論：本碼頭建設(shè)引起壅水對附近水閘排水無顯著影響；建設(shè)導(dǎo)致的上、下游邊灘流速呈現(xiàn)減小趨勢，會引起淤積，建議配套清淤措施。本文的分析方法可為感潮河段碼頭、橋梁等類似涉水建筑的影響分析提供一定參考。