鎮江危險品錨地疏浚工程對徑潮流河段通航條件的影響研究

王暉，金雪晴，汪江園，孔偉程，李有為，張偉

（1.長江鎮江航道處，江蘇 鎮江 212000；2.鎮江市港發綠色資源有限公司，江蘇 鎮江 212000；3.長江航道勘察設計院（武漢）有限公司，湖北 武漢 430040；4.長江航道規劃設計研究院，湖北 武漢 430040）

錨地作為稀缺的港口資源，是港口發展的重要基礎設施，在沿江經濟港口和航運發展中具有重要作用[1]。但由于泥沙淤積問題，導致錨地的水深條件不足，影響船只的正常錨泊，嚴重時甚至會造成水上安全事故[2]。疏浚工程通過應用水力或機械的方法，挖掘水下的土石方或泥沙并進行輸移處理，是維護錨地水深的有效手段[3]。然而，疏浚工程的實施同時也可能引起工程河段的河勢調整、河床沖淤變化，對工程河段的通航安全、航道整治工程等可能帶來不利的影響[4]。數學模型通過獲取上下游邊界，可精確模擬河段的水沙時空動態變化，對于工程方案的比選與實施具有重要的指導意義[5,6]。本研究以鎮江危險品錨地為例，利用數學模型模擬錨地不同疏浚方案下對應河段的水條條件及地形沖淤變化，分析工程建設對河段通航條件的影響，以期為保證錨地和河段通航安全的最優方案確定提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

鎮江危險品錨地位于長江下游揚中河段口岸直水道落成洲左緣，船只錨泊需求量大，順水流向長1975m，垂直水流寬400～530m，面積約91.97 萬m2，其上游72m 處建有一處丁壩護底排體邊界，錨地設計底高程-8.3m（85 國家高程基準），能同時錨泊5000 噸級液化船3 艘、3000 噸級液化船1 艘，并可兼顧錨泊10000 噸級液化船。

圖1 研究區域圖

1.2 數據資料

本研究收集了包括2017年11月、2019年4月和2021年7月全揚中河段1：10000 實測河道地形圖以及2018年2月口岸直水道航道測圖在內的地形數據；2007年8月1日-8月2日和2021年6月～7月洪水全河段水文測驗資料以及2021年1月枯水全河段全潮水文測驗資料在內的水文數據。通過收集的數據資料進行數學模型的率定和驗證，進而分析不同疏浚方案對航道通航條件的影響。

1.3 模型原理

本研究采用平面二維潮流泥沙數學模型模擬揚中河段的水沙運動過程，其基本控制方程主要包括基于深度平均的淺水二維動力學模型、懸沙運動方程、推移質運動方程、河床變形方程，分別如式（1）～（8）所示。

水流連續方程為：

水流動量方程為：

其中，t 為時間；x 和y 為空間坐標；h 為水深；u 和v 為x 和y 方向的水流流速；Zb為河床高程；qc為源匯項；g 為重力加速度，本文中取9.8 m/s2；vt為紊動擴散系數，u、v 為x 和y 方向的水流流速，=經驗系數，水沙混合密度，c 為總含沙量；為河床泥沙飽和濕密度；為水、泥沙及河床干密度；p0為床面泥沙孔隙率；，分別為x 和y 方向的地形坡度；，分別為x 和y 方向的阻力坡度，n為Manning 糙率；為紊動粘性系數，為均勻系數，在本文中取0.2，k 為卡門常數，在本文中取0.4，u*為摩阻流速。

二維懸移質不平衡輸沙方程

二維推移質不平衡輸沙方程：

推移質河床變形方程：

總河床變形方程：

根據張瑞謹公式計算總挾沙力，即

1.4 方案設置

考慮到錨地疏浚工程位于航道整治建筑物的保護范圍內，距離最近航道整治建筑物排體邊緣僅72m，疏浚維護可能對整治建筑物穩定性帶來不利影響，本研究在錨地距離LL5 排邊緣下端300m 實施疏浚至-8.3m 底高程，錨地上邊距離排邊緣300m，以減弱對整治建筑物的影響，其疏浚量約215.8 萬方，疏浚后可停泊3 艘5000 噸級、1 艘1000 噸級危險品船舶。

2 結果分析

2.1 工程后航道內水力要素變化

表1為工程前后航道內的水力要素變化最大值統計表。從表中可以看出，在各計算水文條件下，工程實施后航道內水位最大變化值保持在1cm 內；漲急時刻航道流速整體以降低為主，流速最大降幅為0.02m/s，落急時刻航道流速變化趨勢與漲急時刻保持一致，流速降幅介于0.01m/s～0.03m/s，在洪水大潮穩定期航道流速最大降低值達到0.04m/s，航道流速變化幅度整體較低；同時，航道內水流流向也整體呈現出較低變化幅度，漲急時刻流向最大增加1.0°，流向最大減小0.9°，落急時刻流向最大增加0.3°，流向最大減小0.8°，洪水大潮穩定期流向最大增加0.2°，最大降低0.4°。總體而言，平面二維水沙數值模擬結果表明疏浚工程實施前后對于航道內的水流條件變化幅度較低，對于河段的原有通航條件影響較小。

表1 不同水文條件下工程實施后的航道內水力要素變化情況

2.2 工程后航道典型斷面沖淤變化

表2為典型水沙年末工程前后斷面地形相對沖淤最大變化值。從S1 斷面圖來看，相比起始地形，經過一個典型大水大沙2020年水文過程后，航道內相對淤積為0.066m，LL5 排邊緣區域內相對沖刷分別為0.199m，工程實施后對大水期上游整治建筑物的沖淤影響不大。經過一個典型小水小沙2011年水文過程后：工程實施后相對沖刷為0.039m，對小水期上游整治建筑物的沖淤影響不大。從S2 斷面圖來看，相比起始地形，經過一個典型大水大沙2020年水文過程后，航道內相對淤積為0.418m，錨地疏浚區域內相對淤積為1.048m。經過一個典型小水小沙2011年水文過程后，航道內相對淤積分別為0.274m，錨地疏浚區域內相對淤積為0.273m，相對沖刷為0.031m，整治工程區則無相對沖淤變化。從航道內的沖淤特點來看，典型水沙年末，航道區域內以絕對沖刷、相對淤積為主，工程實施后雖然減弱了局部航槽的水動力條件，但相對淤積數值低于航道絕對沖刷值，對12.5m 深水航道的穩定性影響較低。

表2 典型水沙年末工程前后斷面地形相對沖淤最大變化值（m）

3 結語

本研究通過收集地形、水文以及水沙資料，建立了揚中河段的平面二維水沙數學模型，模擬了鎮江危險品錨地疏浚后河段的水力要素及沖淤變化，分析了工程實施對揚中河段通航條件的影響，驗證了水沙數學模型在工程建設前的重要論證作用。總體而言，本研究中針對鎮江危險品錨地的疏浚工程對于揚中河段的水力要素及沖淤情況影響較小，不會改變該河段原有的通航條件。