交叉航段通航安全評估方法及應用

許力源　張高峰　應翰海

摘 要：交叉航段由于多條航道交織，交叉水域水流條件較為紊亂，船舶在區(qū)段內通航時飄移量增大，導致船舶操縱難度增大，加大了水上交通事故的風險。本文以秦淮河航道與溧水河、句容河交叉的三岔口航段為例，提出交叉航段通航安全關鍵因素，通過數(shù)學模型分析了交叉航道水流流態(tài)對船舶安全通航的影響，為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：通航安全;航道;橫流

中圖分類號：U698? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0039-03

江蘇省境內水網(wǎng)發(fā)達、航道密集，各條航道的自然狀況及通航狀況均各有差異，同時隨著航道網(wǎng)的不斷完善、通航船舶數(shù)量的不斷增加，不同類型航道的自然條件對于通航安全的影響將逐步顯現(xiàn)[1]。航道、海事部門通過大力建設VTS、AIS等監(jiān)管系統(tǒng)[2]來保證船舶通航安全。根據(jù)內河航道現(xiàn)狀情況分析，內河航道中對存在通航安全隱患的航段主要包括交叉航段、急彎航段、橋區(qū)航段、船閘航段等[3]。其中，交叉航道因航段由于多條航道交織，交叉水域水流條件較為紊亂，船舶在區(qū)段內通航時飄移量增大，導致船舶操縱難度增大，同時，相鄰各航道內船舶進出頻繁，進一步加大了水上交通事故的風險。另一個方面，由于交叉航段水流為多方匯集，航段底部水流在沖向航道兩壁的過程中，將大量的泥砂也帶到航段區(qū)域淤積，泥砂淤積的地方往往形成水下潛洲，導致航道內局部水深變淺，容易造成區(qū)域內通航船舶擱淺事故。綜上可見，交叉航段水流激烈碰撞，且易產生漩渦及泥砂淤積，同時在交叉航段船舶會讓的概率增大，是事故多發(fā)地段。本文以秦淮河航道與溧水河、句容河交叉的三岔口航段為例，開展交叉航段通航安全評估技術研究;梳理交叉航段通航安全關鍵因素;提出交叉航段通航安全評估方法，為類似工程提供借鑒。

1 評估重點分析

交叉航道的交匯區(qū)流態(tài)復雜，水流泥砂運動規(guī)律各異，對船舶通航的影響主要包括兩個方面，一是由于各航道水文條件不一，當航道內水流流量差異較大時，會產生相互頂托甚至倒灌，對交叉段航道的水流條件產生較大的影響;二是會在交匯滯流區(qū)泥砂落淤，漂浮物聚積，對航道的水深條件產生較大影響。

由于河道交匯區(qū)水流相互頂托，交匯口處呈現(xiàn)明顯的環(huán)流二次流，水面坡降、交匯點位置隨著匯流比的變化而改變，淺灘相對較多，河床變化較多，因此，該交叉航段通航安全評估除一般的氣象條件外，應重點針對航道橫流、航道二次環(huán)流和交匯口泥沙淤積，三個主要因素進行評估。具體評估要求見表1

2 評估對象

根據(jù)上文分析，本文以秦淮河航道與溧水河、句容河交叉的三岔口航段為例，介紹交叉航段通航安全評估方法。秦淮河流域位于長江下游南側，秦淮河是長江的一條支流，在南京市區(qū)入長江，流域北側為寧鎮(zhèn)山區(qū)，南為橫山和東廬山，西南為牛首山、云臺山，東到句容市的茅山，流域面積2631km2。上游有南北兩源，南源出于溧水縣東蘆山北，北源出于句容市寶華山西南。南北兩源分別經(jīng)溧水河、句容河在江寧區(qū)西北村匯合，匯合處以上流域面積為1942km2。

3 評估內容和方法

采用二維水流模型模擬交叉航段水流流態(tài)，對航道中橫流的大小、二次環(huán)流的范圍、河道交匯口泥沙淤積礙航等影響航道通航安全的關鍵因素進行評價。

3.1模型范圍

模型范圍：北邊界距擬建秦淮河大橋約870m，東邊界距擬建秦淮河大橋址處約1400m，南邊界距擬建秦淮河大橋約1270m。模型范圍見圖1。

計算網(wǎng)格：采用三角形網(wǎng)格，為精確模擬橋墩附近水流，網(wǎng)格尺度取為2～20m。計算模型共有網(wǎng)格節(jié)點16414個，三角形單元31995個。

3.2計算參數(shù)

河道糙率取0.02～0.025，時間步長取為30s。

3.3計算工況

根據(jù)在江寧區(qū)航道站的調研及相關資料分析，工程河段上下游均受閘門控制，非汛期河道內水流流態(tài)平緩，因此，本次研究主要分析計算最高通航水位、50年一遇洪水水位及100一遇洪水水位下的水流流態(tài)，計算組次見表2。

3.4計算結果

（1）交叉航段水流流態(tài)：圖2為秦淮河交叉航段水流流態(tài)圖，由圖可以看出，不同工況下，由于河道交匯區(qū)水流相互頂托，交匯點位置隨著匯流比的變化而改變;工況1交匯口處呈現(xiàn)兩個明顯的環(huán)流二次流。

（2）橫流：為分析秦淮河航道交叉航段橫流情況，沿航道中心線處布置了17個采樣點，見圖3。表3給出3種工況下橫流值，可以看出，不同工況下橫流最大值出現(xiàn)在匯流口（9#），最高通航水位下相應的各采樣點航道橫流值均較小，最大不超過10cm/s，50年一遇及100年一遇洪水工況下航道橫流值也較小，最大為12cm/s，航道橫流值均沒有超過規(guī)范限定值30cm/s。

4 評估結果及建議

（1）由于河道交匯區(qū)水流相互頂托，交匯點位置隨著匯流比的變化而改變;工況1交匯口處呈現(xiàn)兩個明顯的環(huán)流二次流，在這一段區(qū)域范圍內流向不穩(wěn)，對船舶操縱產生一定的影響。

（2）不同工況下橫流最大值出現(xiàn)在匯流口，流致漂移量問題是船舶安全通航應該注意的一個重要問題。

（3）兩航道的水流交匯后，在江心洲的末端，由于兩股水流碰撞后流速抵消，大量水流在此附近旋轉形成駐點。由于水流中含有大量的泥砂，水流在江心洲末端旋轉停留的過程中，也將泥砂帶到此地淤積而形成淺水。如果淤積程度導致此地的水深小于船舶的吃水，船舶就會擱淺。

（4）由于交叉航道“面流向心、底流朝岸”的特性，導致交叉航道附近存在航道底部到水面的環(huán)流分量。當船舶在經(jīng)過交叉航道時，受這一環(huán)流分量的影響，船體水線以下的各個部位受到水流的側向力不一致，船體傾斜比較嚴重。同時交叉航道船舶流量較大，兩分道的船舶都匯集于此，船舶交織、穿梭情況較多。船舶運動在交叉航道產生興波，這種興波會對他船產生沖擊，引起他船傾斜加劇，為了減少船舶的傾斜量，建議航段內船舶合理配載。

參考文獻：

[1] 謝小強， 關于復雜通航環(huán)境下通航安全的思考[J]. 中國水運， 2021，21（4）：9-10

[2] 趙顯峰， 孔晨， 牟學東. 內河通航水域安全監(jiān)管手段研究[J]. 中國水運，2021（1）：55-57.

[3] 孔憲衛(wèi)，張慶河，楊宗默，等. 河床演變影響下橋區(qū)水域通航安全研究[J]. 中國安全科學學報， 2021，31（3） ： 128-134.