流域骨干河道引排對(duì)三叉河口改線段航道的影響研究

李 昱，程 實(shí)，呂 犇，王振紅

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215100)

太湖流域自古經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，貿(mào)易往來(lái)頻繁，眾多流域骨干河道一般同時(shí)承擔(dān)著防洪以及航運(yùn)的雙重任務(wù)。隨著城市產(chǎn)業(yè)布局和空間規(guī)劃的調(diào)整，部分航道需調(diào)整原有線路，形成水流條件較為復(fù)雜的三叉河口改線段，往來(lái)船舶需在三叉河口處改變航線進(jìn)入航道，原河道僅承擔(dān)區(qū)域引排任務(wù)。

橫流是內(nèi)河航道中遇到的不利于船舶正常航行的一種水流，常使行駛船舶偏離航道，對(duì)航行船舶安全構(gòu)成威脅。航道橫流強(qiáng)度的變化也是通航環(huán)境評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)之一，橫向流速的加大產(chǎn)生了一定的航運(yùn)安全隱患。河道承擔(dān)區(qū)域引排任務(wù)時(shí)，受三叉河口段地形影響，水流紊亂，沿航跡線方向容易產(chǎn)生較大的橫向流速，可能會(huì)對(duì)船只航行安全產(chǎn)生較大影響，需進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

本文以錫澄運(yùn)河黃昌河三叉河口航道改線段為例，采用數(shù)值模擬的方法，計(jì)算了引排工況下各典型航跡線的橫向流速大小，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)橫向流速大小滿足規(guī)范要求。進(jìn)一步分析三叉河口改線段水流結(jié)構(gòu)，可以找出引排時(shí)航道內(nèi)橫向流速較小的區(qū)域，提出船舶通過(guò)三叉河口改線段區(qū)域的最優(yōu)航跡線方案。

1 工程概況

錫澄運(yùn)河為武澄錫虞區(qū)骨干的通江河道，北起長(zhǎng)江，南至京杭運(yùn)河，全長(zhǎng)約38.4km。根據(jù)整治情況和功能定位，錫澄運(yùn)河以黃昌河為界分為南北兩段。其中黃昌河以南河道根據(jù)《江蘇省干線航道網(wǎng)規(guī)劃》，按照Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了整治，設(shè)計(jì)規(guī)模為底寬45m底高程-0.5m，具體航道線路為南起京杭運(yùn)河，向北利用錫澄運(yùn)河，至黃昌河口向西改走黃昌河、新夏港河，經(jīng)過(guò)新建的新夏港河三級(jí)雙線船閘入江，錫澄運(yùn)河黃昌河以北(長(zhǎng)江—黃昌河)縱貫江陰城區(qū)，即為老錫澄運(yùn)河，全長(zhǎng)11.9km，規(guī)劃退出等級(jí)航道功能。

錫澄運(yùn)河航道改線段平面布置如圖1所示。船只經(jīng)由黃昌河三叉河口段轉(zhuǎn)彎進(jìn)入黃昌河，后轉(zhuǎn)經(jīng)新夏港河三級(jí)雙線船閘入江，錫澄運(yùn)河黃昌河以北段主要承擔(dān)區(qū)域引排任務(wù)(圖中所示為排澇工況，引水工況則方向相反)。

圖1 三叉河口改線段平面示意圖

三叉河口改線段水流條件較為復(fù)雜，采用數(shù)值模擬的方式計(jì)算各運(yùn)行工況對(duì)航道的影響，計(jì)算模型如圖2所示。橫向流速指的是水流沿船舶航跡線垂直方向的速度分量，航跡線不同，船舶航行的最大橫向流速不同。為了便于計(jì)算分析，本文擬采用3條典型的船舶航跡線進(jìn)行計(jì)算分析，每條航跡線均勻布置5個(gè)計(jì)算點(diǎn)，以此分析改線段船舶的橫向流速分布情況。

圖2 三叉河口改線段模型計(jì)算示意圖

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型基本控制方程

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

2.2 數(shù)值求解方法

采用有限體積法對(duì)數(shù)學(xué)模型控制方程進(jìn)行離散，速度壓力耦合矯正采用SIMPLEC方法，動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)離散格式，所有參量的殘差控制標(biāo)準(zhǔn)取為1.0×10-5。

2.3 計(jì)算區(qū)域、邊界條件和網(wǎng)格劃分

所建立的模型進(jìn)口處為入流邊界，對(duì)不同的計(jì)算工況，根據(jù)流量和水位條件，給定入口過(guò)水?dāng)嗝娴牧魉倩蛄髁浚荒Ｐ统隹跒樗鞒隽鬟吔纾鶕?jù)計(jì)算工況的不同給定不同的壓力邊界條件。

采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域，為了提高計(jì)算的精確性，對(duì)關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。

2.4 水流控制條件

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，錫澄運(yùn)河為Ⅲ級(jí)航道，航道內(nèi)水面最大流速限值見表1。

表1 水面最大流速限值 單位：m/s

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)錫澄運(yùn)河黃昌河口航道現(xiàn)有河口線、水利規(guī)劃河口線及水下地形，以及最大排澇、引水流量對(duì)應(yīng)的水位建模分析，計(jì)算流速矢量圖如圖3—4。

圖3 黃昌河口排澇工況流速矢量圖

圖4 黃昌河口引水工況流速矢量圖

對(duì)流速矢量圖影響范圍內(nèi)航跡線垂直向取五個(gè)斷面，每個(gè)斷面取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析，最大橫向流速為0.29m/s，發(fā)生在引水工況C3點(diǎn)，低于規(guī)范要求的0.3m/s，經(jīng)復(fù)核錫澄運(yùn)河(黃昌河—長(zhǎng)江)整治工程建成后對(duì)航道橫向流速的影響滿足規(guī)范要求。

雖然黃昌河三叉河口改線段航道水面流速滿足規(guī)范要求，但是橫向流速較大，最大點(diǎn)橫向流速已經(jīng)接近規(guī)范限值，對(duì)于船舶的航行不利，可對(duì)河口區(qū)域水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步分析，為航舶航行提供各安全合理的路線建議。

4 船舶航行最優(yōu)航跡線分析

4.1 排澇工況

錫澄運(yùn)河排水工況一般出現(xiàn)在汛期，太湖流域水位較高，錫澄運(yùn)河作為流域骨干河道，承擔(dān)著排出區(qū)域洪水北排長(zhǎng)江的任務(wù)。由圖3可知，排水工況時(shí)受三叉河口段地形的影響，黃昌河三叉河口段形成大范圍回流，回流位置位于黃昌河河口內(nèi)側(cè)，回流最大流速為0.30m/s。從橫向流速大小分析，A1、B1、C1、D1點(diǎn)橫向流速遠(yuǎn)小于外圍航跡線上點(diǎn)的橫向流速，主要是因?yàn)殄a澄運(yùn)河水利整治段為主要排水通道，主流較為集中，流速較大。E1點(diǎn)流速較大主要是位于回流區(qū)，流速方向與航跡向交角比較大。

表2 橫向流速計(jì)算成果匯總表

綜上所述，排澇工況時(shí)，最優(yōu)航跡線應(yīng)如圖5所示，錫澄運(yùn)河3級(jí)航道段應(yīng)靠近黃昌河河口處轉(zhuǎn)彎，進(jìn)入黃昌河后避開回流核心區(qū)。

圖5 黃昌河口排澇工況最優(yōu)航跡線

4.2 引水工況

錫澄運(yùn)河引水工況一般出現(xiàn)在非汛期，太湖流域需進(jìn)行補(bǔ)水滿足生態(tài)要求。由圖4可知，引水時(shí)水流條件較好，流態(tài)順暢，航道內(nèi)橫向流速主要受主流與航跡線夾角的影響，越靠近黃昌河口外圍橫向流速越大。

綜上所述，引水工況時(shí)，最優(yōu)航跡線應(yīng)如圖6所示，適當(dāng)靠近黃昌河口內(nèi)側(cè)，有利于船舶航行安全。

圖6 黃昌河口引水工況最優(yōu)航跡線

5 結(jié)論與展望

(1) 流域骨干河道的引排工況，會(huì)加劇航道改線段的水流紊亂程度，不利于船只的安全運(yùn)行，需進(jìn)行計(jì)算復(fù)核。

(2) 實(shí)際工程運(yùn)用過(guò)程中，航道部門可結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果在水流紊亂區(qū)設(shè)置警示標(biāo)志，并引導(dǎo)船只經(jīng)過(guò)三叉河口改線段的航行路線，保證船只的航行安全。

(3) 本文僅分析了汛期錫澄運(yùn)河引排對(duì)改線段船只航行的影響，實(shí)際船只的航行管控應(yīng)結(jié)合汛期的實(shí)際運(yùn)行調(diào)度情況統(tǒng)籌安排，確保航道航行的效率和安全。