基于水動力的宿連航道穿越新沂河多叉航道整治設計

◎ 王東英 崔巖松 郝建新 許慧 徐宿東

1.宿遷市港航事業發展中心；2.東南大學交通學院

宿連航道作為江蘇省干線航道網“五橫”中最北的“一橫”，全長329公里，處于沂沭泗流域下游。宿連航道工程跨越江蘇省淮河流域的沂沭泗水系沂南、沂北片區。其中，宿連航道穿越新沂河處，與新沂河北偏泓、中泓兩條主槽基本正交。新沂河已按東調南下續建工程50年一遇防洪標準實施，設計行洪流量7500～7800m3/s。在這種大行洪量的河道上開辟新航道，不僅關系到工程投資，而且與社會經濟效益密切相關。因此，使汛期的新沂河交叉航段適航是研究的重心。依據《JTS 180-2-2011運河通航標準》中提到“運河中取、泄水口和其他匯流口的水域，航道橫向流速不應超過0.3m/s，回流速度不應超過0.4m/s。為解決新沂河交叉河段處汛期橫流流速過大的問題，需要深入了解交叉河段處水流條件，因地制宜提出切實可行的方案提高通航安全[1]。

1.工程概況

1.1 流域概況

宿連航道在新沂河穿越處。具體線路：宿連航道于柴沂河口斜交入新沂河，沿新沂河南偏泓主槽向東行進700m后，北上600m穿過新沂河灘地正交入新沂河中泓，沿新沂河灘地東側繼續行進500m后，正交入新沂河北偏泓，最后沿沭新河出新沂河。宿連航道線布置圖見圖1。

圖1 宿連航道穿越新沂河處航道圖

1.2 工程概況

沭陽控制工程主要建筑物包括：沭陽尾水控制閘、沭陽尾水北地涵2座水工建筑。沭陽尾水北地涵位于沭陽縣扎下鎮淮沭河東西偏泓交匯處，與沭陽尾水控制閘一起組成薔薇河送清水樞紐工程，它的興建對改善連云港工業、生活用水的水質有著極其重要的效益。

沭陽尾水北地涵按其重要性定為II級水工建筑物，設計流量為50立方米每秒，相應洞上水位H上為7.47米。該涵洞共2孔，單孔尺寸為4＊3.2米，洞身總長110米。沭陽尾水北地涵主要作用是將王莊閘下泄的污水，送至現北偏泓閘下，經叮當河段北泓，至小潮河段苓池河這條排污專道下泄入海。

沭陽尾水控制閘按其重要性定為II級水工建筑物，設計流量為150立方米每秒，相應洞上水位H上為8.2米，H下為8.1米；校核流量為200立方米每秒，相應水位H上為9.0米，H下為8.8米。該閘采用鋼筋混凝土開敞式結構，閘身總寬為46.02米，共4孔，每孔凈寬10米，底板頂高程為5.0米。沭陽尾水控制閘的主要作用是攔截由王莊閘下泄的污水，使之逼入穿淮沭河口東西偏泓交叉口的尾水北地涵。

2.Delft 3D數值模型構建與應用

Delft3D適合于淺水地區的模擬，對于新沂河交叉河段區域，河道長度大于斷面尺度，所以河道水流流速可以用深度方向均值（Depth-Averaged Velocity）代替。本項目將采用RGFGRID和QUICKIN模組進行前處理，之后使用Delft3D-Flow模組對研究區域進行二維水動力的模擬計算以及結果的后處理。Delft3DFlow解算方程主要使用有限差分法，基于交替方向的ADI方法進行離散求解[2]。ADI并不會對方程進行直接求解，而是將多維的問題轉換為一維問題后，再進行差分離散。

在Delft3D-Flow中所使用的二維的非線性淺水計算方程是由納維-斯托克斯方程（N-S方程）衍生而來，此方程是為了描述不可壓縮流體動量守恒的運動規律。假設流體的動力粘度μ在整個流場中均勻。

2.1 網格生成與地形數據

模型研究區域可見圖1（黑色虛線），根據工程圖與地形圖提取岸線后，導入Delft3D的網格生成模型，建立了覆蓋研究區域的二維數值計算網格如圖2所示。網格直線長度約為12km，寬度約為2km。

圖2 二維數值模型網格圖

根據宿連航道的地形圖與航道斷面圖，在AutoCAD中繪制散點圖，以每個散點的三維坐標來表示點的位置和該點附近的水深[3]。最終生成的散點12000個，覆蓋了每一個研究的重點區域，在網格進行三角插值也有較好的精度。散點數據處理后，生成的初始地形圖如圖3所示。

圖3 初始地形圖

2.2 模型驗證

根據相關設計資料，采用新沂河整治工程初步設計的糙率：嶂山～沭陽：泓0.028、灘0.038。為了保證數值模型的準確性與可靠性，將本模型2021年7月模擬結果與沭陽水文站的實測資料進行了對比驗證。數值模型覆蓋水文站在南北泓的觀測點，觀測點斷面以及觀測點大致位置如圖1所示，兩泓觀測點各設置8個。通過對比模型與實際位置相同的觀測點，讀取到每個觀測點處流速、水位數據，最后求平均值比對。

根據沭陽水文站實測資料，北泓和南泓的東側承擔了上游來流的下泄任務，可以根據兩泓的總流量設置上游開邊界的流量條件。由于新沂河在汛期來流的比重最大，所以本模型考慮新沂河沭西段來流對模擬區域水流條件的影響。驗證方案為：開邊界分別設置流量400m3/s，911m3/s，1334m3/s，與實測數據一致后，進行模型的初步計算。如此是為了保證后續500m3/s和1000m3/s工況下模擬的準確性。根據觀測點所得數據，與實測數據進行比對的結果如表1所示。

根據以上結果可以發現，流速與水位的平均誤差分別在7.6%和4.7%，數值模擬與實際情況擬合較好，說明該模型具備可靠性，可以使用本模型繼續計算。

3.航道整治方案模擬與分析

3.1 工程前工況

在完成模擬數據與實測數據的對比后，為了研究交叉河段對船舶通行的影響，現設置針對交叉河段口門區的觀測點，以便研究對應區域的流速情況。所設計的計算工況如下：僅新沂河沭西來流500m3/s和1000m3/s。為了更為全面地了解研究區域水流條件，分別在航道途徑口門處設置觀測點，以便后續進行對照。

各觀測點具體位置及作用如表2所示。

表2 觀測點位置與作用表

為研究新沂河沭西段來流對交叉河段區域的影響，分別對新沂河上游邊界500m3/s和1000m3/s流量的情況進行模擬，流速分布圖如圖4、圖5所示：

圖4 新沂河沭西500m3/s工況流速分布圖

圖5 新沂河沭西1000m3/s工況流速分布圖

圖6 新沂河沭西來流時流速

將橫流流速模擬結果與0.3m/s相比較，將三條河流的流速情況繪制為折線圖，如圖所示。從模擬結果中可以看出，新沂河沭西段在500m3/s和1000m3/s來流時，大部分觀測點處的橫向流速會超過0.3m/s流速值，故應對新沂河沭西來流條件進行進一步的模擬與分析，按照實際情況提出兩種航道整治開挖方案。

3.2 航道整治開挖方案分析與對比

3.2.1大范圍開挖

針對新沂河沭西來流時，口門區橫流速度較大的情況，本文首先提出了大范圍開挖方案，旨在對北泓至南泓進行連續開挖，大范圍擴大斷面面積以降低流速，開挖區域主要為淮沭新河、新沂河交叉與宿連航道交叉部分，底高程設計為4.1m。經計算，設計開挖長度950m，寬度1.4km，挖方合計534萬方，可以使航道表層橫向流速滿足0.3m/s要求。本方案不考慮將中泓上游引流至南偏泓進行分流處理，而是進行連續開挖，增大每個口門區域及附近的斷面面積，模型計算后的流速結果與工程前流速對比[4]。如圖7所示。

圖7 新沂河大范圍開挖流速對比圖（500m3/s、1000m3/s來流）

可以發現，兩種不同工況下的來流時，此種開挖方案使航道沿線橫流滿足0.3m/s的流速條件，并且可以使橫流流速過大的地方有效降低。

3.2.2部分開挖方案

考慮到大范圍開挖，施工技術和工程造價要求高，所以提出了僅在部分區域進行開挖的方案。開挖前，測點中北泓最大表層橫向流速約為0.75m/s，開挖后可以使北泓流速降低；中泓由于過流流量較大，則通過上游引流和南泓接通，以減少中泓流量；南泓流速基本滿足要求[5]。因此，部分開挖工程關注的重點在于北泓和中泓的口門與航道處的流速，依據工程需要，在北泓、中泓、南泓經多叉道航段區域進行開挖，在多叉道河流與上游邊界之間開挖，將中泓水流向南泓引流[6]。具體開挖方案如下：北泓開挖范圍長850米，寬100-300米，底高程4.1米，中泓開挖長度450米，寬60-330米，底高程4.1米，中泓向南泓引流段長700米，寬200-400米，底高程6.5米，南泓下游開挖長900米，寬100米，底高程4.1米。為了滿足表層橫向流速滿足0.3m/s要求，以上合計挖方150萬方。根據開挖方案，航道沿線測點橫流流速統計如圖8所示。

圖8 工程前后橫流對比（500m3/s、1000m3/s來流）

將工程后流速和工程前流速進行對比，此種開挖方案能有效地降低航道沿線口門區的橫流流速，使航道沿線的口門區滿足0.3m/s的橫流流速要求[7]。

3.2.3方案對比分析

根據上述兩種不同的開挖方案，大范圍開挖方案顯然能使口門區橫流流速滿足限值，其更有效地降低了表層橫流速度[8]。若只考慮流速的影響因素，兩種方案均可以減小橫流流速，保證船舶航行。但是若考慮工程開挖的成本和難度，前者共計開挖150萬m3，后者共計開挖534萬m3，且大范圍開挖相較部分開挖的優勢并不顯著。在實際應用中，需要考慮經濟成本及可行性，因此本工程推薦選用部分開挖方案。

4.結論

本研究以宿連航道新沂河多交叉河段區域作為主要研究對象，根據實際地形資料以及施工圖，建立了二維網格模型，對其水流條件進行了模擬，分析了新沂河沭西段500m3/s、1000m3/s來流情況下交叉河段口門區域的流速情況。根據不同的流量工況，提出了兩種不同的開挖方案，且兩種開挖方案均能降低口門區水流橫流速度，但是從經濟與工程量角度考慮，推薦選用部分開挖方案。