二維水動力數學模型在港口碼頭工程防洪影響計算中的應用

郭上渲

（廣東中灝勘察設計咨詢有限公司,廣東 肇慶 526060）

0 引言

碼頭、橋梁等涉河工程因占用了河道原有的過水斷面面積,往往會對水位壅起高度、水動力特性和沖淤平衡產生一定影響[1-3]。明確涉河工程對河道行洪能力及沖刷范圍的影響程度是工程建設和洪水調度的重要依據。本文采用二維水動力數學模型對封開海事處碼頭工程建設前后進行精確模擬計算,在分析計算結果的基礎上,結合工程河段水利建設現狀、規劃情況和有關管理要求,綜合評價工程的防洪影響。

1 工程河段水文現狀

碼頭工程位于封開縣賀江與西江交匯處江口下游800 m處,水系屬于珠江水系,位于北江支流西江分支。封開縣江口鎮匯流處集雨面積34.12 萬km2,多年平均過境水量2291 億m3,多年平均流量7262 m3/s,含沙量0.32 kg/m3。工程區域水系見圖1。

圖1 工程所在區域水系圖

2 平面二維水流數學模型建立

平面二維水流模型主要針對工程興建前后工程局部河段水流流態和水動力條件的變化進行模擬,比較和分析工程對工程局部河段流速、流態等水流特性造成的影響。

2.1 基本方程

平面二維水流數學模型如下：

（1）水流連續方程

（2）沿x、y方向的水流運動方程

式中：H為實際水深；z為水位；h為垂線水深；n為糙率；f為Coriolis系數；εi為x、y方向的紊動粘滯系數；uj為x、y方向的垂線平均流速。

2.2 求解方法

使用MIKE21軟件,采用穩定性好,收斂速度快且精度較高的有限分析法九點格式離散模型。

2.3 模型范圍及網格劃分

本次評價擬對西江與賀江匯合口上游2.9 km至工程下游4.0 km的河長范圍,采用二維水流數學模型進行防洪影響的數值模擬計算,總計算長度約7.4 km。共劃分網格444×101個, X和Y方向網格平均步長分別為12.4 m和22.2 m,計算區域及網格見圖2。

圖2 滲水點、滲水帶平面位置示意圖

2.4 計算工況

工程前—各河道現狀邊界,肇慶封開海事處工作船碼頭工程建設前。

工程后—肇慶封開海事處工作船碼頭工程建設后。

數學模型計算的主要內容為工程所在水道地處西江下游河道,工程所在河道兩岸堤圍現狀防洪標準為50年一遇,計算頻率選取P=1%、2%及5%共計3組頻率洪水水文組合進行河道行洪壅水、流速影響計算分析。

3 計算影響分析

3.1 壅水分析計算

工程所引起的水位變化,主要是碼頭的建設改變局部地形引起的。水位壅高值及壅水范圍與工程所在河道的上游來流量和下游水位密切相關：下游水位相同,上游來流量越大,則水位壅高值越大,壅水影響范圍相應也越大；上游來流量相同,下游水位越低,水位壅高值越大,壅水影響范圍相應也越大。

為便于統計分析河段的水位變化情況,在工程上下游沿河道布置10 個水位采樣斷面,見圖3。工程方案實施后,設計洪水頻率P=1%、2%和5%下,工程上游最大壅水高度分別是0.028 m、0.025 m、0.021 m,若以0.001 m作為壅水影響最小值,則各設計洪水頻率下的上游最遠影響距離主廣場渡口分別在950 m、800 m和750 m以內；工程下游略有跌水,各設計洪水頻率下的最大跌水幅度為0.022 m,下游最遠影響距離工程下游端1250 m以內。

圖3 采樣斷面示意圖

由上述計算結果分析可見,工程后,在較為不利的水文組合條件下,工程造成的西江行洪水位變化值不大（變化值=工程后-工程前）。因此,肇慶封開海事處工作船碼頭工程對西江的設防洪水位影響不大。

3.2 河勢影響分析

通過水動力條件變化、灘槽和河岸及動力軸線變化分析對河勢的影響。

3.2.1 河道流速、流態變化

P=1%、2%和5%三種設計洪水水文組合條件進行二維水流數學模型計算,工程前后流場見圖4。

圖4 各頻率下工程前后流場對比圖

（1）流速變化分析

根據工程方案布置可知,工程位于西江干流左岸,占用部分洪水過流通道。從流速變化等值線圖可見,工程所在河道流速變化的一般規律為碼頭上下游附近區域有所減小,工程河段靠主槽一側附近略有所增大。由于工程改變河床局部地形,工程位置及岸坡附近區域流速有所減小,由于工程建成后產生束水作用,工程河段靠主槽一側附近略有所增大。

通過在模型范圍內布置的流速采樣點流速變化及流速等值線變化,量化工程建設后對河道流速影響的范圍顯示,各洪水頻率下,以流速變化0.001 m/s為界限,工程位置上游河道的最遠影響距離為距離工程上游端950 m以內,對下游河道的影響距離為距離工程下游端1250 m以內。

（2）流向變化分析

從流向看,工程建成后,對工程所處位置附近河道流向存在一定的影響,河道主流仍基本平順,但由于碼頭建設引起的局部地形變化,工程附近流態略有調整。流向變化較大的位置主要位于工程上游28#采樣點處,其他水域流向變化幅度基本在1.5°以內,以流向變化0.1°為界限,對工程位置上游河道的最遠影響距離為工程上游端950 m以內,對下游河道的影響距離為距離工程下游端在1250 m以內。

因此,總體來看,除工程附近位置流速和流向變化幅度略大外,其他位置流速影響幅度在0.001 m/s以內,流向變化幅度在1.5°以內,可見工程主要對工程位置及下游河道流速及流向的有所影響,影響范圍在距離工程上游端950 m至距離工程下游端在1250 m以內。工程建設后,西江河道整體流態平順,流速變化區域主要局限在工程近區,影響范圍及幅度均較小,工程對所在河道整體流速、流態影響不大。

3.2.2 動力軸線的變化

圖5給出了設計洪水頻率為P=1%時,工程前后附近河道水動力軸線分布?？梢?工程建成后,整個河段主槽水流動力軸線基本無變化。工程附近,工程上游50 m至下游河道約60 m范圍內的水動力軸線略向右岸偏移,最大偏移距離約1.3 m,因此,工程后由于河道總體流勢沒有改變,水流動力軸線在工程段的局部調整不會改變整個河道的水沙動力分配格局。

圖5 工程前后動力軸線變化圖

3.2.3 灘槽和岸線變化

工程引起河道地形的變化,局限在工程附近局部水域。主要變化原因是碼頭阻水,改變了工程近區的水流形態和結構。

由前面的章節介紹和分析可知,工程對西江河道水動力狀態的改變主要局限于工程附近,對整體河勢影響不大,不會改變河道的整體灘槽分布現狀。

從流速差等值線圖成果可見,工程興建后,除工程近區局部水域外,近岸流速最大減小在0.030 m/s內,工程所在河道兩岸岸灘穩定,水流沖刷對河道岸線不致產生較大的不利影響。

3.2.4 沖淤演變分析

根據二維水流數學模型計算成果,可以從流速的變化來定性分析工程建設前后河床的沖淤變化。工程修建后,受工程束水作用的影響,工程局部水域水動力條件會發生調整,對局部沖淤有所影響,主要表現在工程興建后,工程束窄了河道的過流面積,水流受到一定程度的擠壓,碼頭前沿局部流速略增加,水流動力和挾沙力略微增強,河床切應力略微加大,河床泥沙運動略有所增大,將會產生局部略微淘刷、沖深情況；工程上下游附近水域流速有所減小,水流動力和挾沙力略微減弱,部分泥沙可能會落淤,其它水域因水動力環境改變甚微,其地形基本不會有太大變化。

4 結語

（1）工程建設后,西江河道整體流態平順,流速變化區域主要局限在工程近區,影響范圍及幅度均較小,工程對所在河道整體流速、流態影響不大。

（2）工程后由于河道總體流勢沒有改變,水流動力軸線在工程段的局部調整不會改變整個河道的水沙動力分配格局。

（3）工程對西江下游河道的水流動力特性不致產生較大的不利影響,相鄰水道的流量變化不顯著,對河道灘槽和岸線變化影響較小,應不致對工程所在河道以及周邊相鄰水道的整體河勢和局部河勢穩定造成明顯影響。

（4）工程上下游附近水域水動力環境有所改變,但對沖淤平衡影響有限,其他區域地形基本不會有太大變化。