都安紅渡作業(yè)區(qū)碼頭工程對河道防洪的影響分析

吳梓賢，覃振威，張小飛

（廣西大學(xué)，廣西 南寧 530004）

西南水運(yùn)出海中線通道包括南、北盤江及紅水河。紅水河始于南盤江與北盤江匯合處，止于廣西象州石龍三江口，是西南水運(yùn)中線通道的重要組成部分，流域內(nèi)資源豐富，在珠江水系內(nèi)河運(yùn)輸中具有突出地位?！笆晃濉币?guī)劃以來，域內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的滯后一直嚴(yán)重阻礙著紅水河通航功能的充分發(fā)揮，其中尤以龍灘樞紐通航設(shè)施建設(shè)的滯后為甚。在龍灘升船機(jī)建設(shè)方案懸而未定的情況下，為盡快恢復(fù)紅水河航道的全線通航，廣西紅水河復(fù)航工作領(lǐng)導(dǎo)小組決定實施“龍灘翻壩”項目，分兩期進(jìn)行建設(shè)。其中，擬建的一期工程都安紅渡作業(yè)區(qū)碼頭工程位于百龍灘壩下約3 km 處的紅水河左岸處，距都安紅渡大橋約1 km，距都安縣約6 km，屬涉河工程。而根據(jù)我國相關(guān)法律規(guī)定，涉河工程應(yīng)在修建之前進(jìn)行防洪評價[1]?；诖?，在滿足實際工程需要的前提下，本文根據(jù)現(xiàn)有水文資料運(yùn)用水文分析計算軟件建立了都安紅渡作業(yè)區(qū)碼頭所在河段的二維水流計算模型，對比分析不同工況下碼頭修建前后其所在河段的水文情勢，分析都安紅渡作業(yè)區(qū)碼頭的建設(shè)對其所在河道行洪的影響。

1 模型的建立

1.1 模型計算方法及原理

為了研究碼頭建設(shè)前后不同工況下河道不同位置的水位、流態(tài)的變化情況，本次計算分析中采用二維水流計算模型對工程建設(shè)前后不同水文條件下的河道水流進(jìn)行數(shù)值模擬計算。模型計算方法為采用單元中心的有限體積法對二維淺水控制方程組進(jìn)行求解，模型邊界條件為上邊界給定流量，下邊界給定水位。其二維淺水控制方程如下：

整合水流動量方程和連續(xù)方程，在水深上h=η+d，可得到二維淺水方程：

式中：t 是指時間；x,y,z 為右手 Cartesian 坐標(biāo)系；d 為靜止水深；h=η+d 為總水深；η 為水位；u,v,w 分別為流速在 x,y,z 方向上的分量；ρ 為水的密度，ρ0則是參考水密度；pa為當(dāng)?shù)氐拇髿鈮?；f=2Ωsinφ 為 Coriolis 參數(shù)（Ω 是地球自轉(zhuǎn)角速率，φ 為地理緯度）；fvˉ和fuˉ為地球自轉(zhuǎn)引起的加速度；Sxx,Syy,Syx,Syy為輻射應(yīng)力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平粘滯應(yīng)力項，S 為源匯項，(us,vs)源匯項水流流速。橫線表示深度的平均值。例如，uˉ和vˉ是平均深度的速度，被定義為：

橫向上Tij包括粘滯摩擦，動蕩的摩擦和差別平流。它們的估測使用的是一種基于平均深度流速梯度的渦粘性公式：

1.2 計算區(qū)域的概況與模型的建立

擬建的紅渡作業(yè)區(qū)碼頭位于百龍灘電站下游3 km 紅水河左岸，上距紅渡大橋約1 km。場地所處河道河面較窄，枯水水面寬約75 m，兩岸為石質(zhì)岸坡，坡度陡峭。碼頭以上河道順直，以下700 m 左右進(jìn)入一個偏左近90°的彎道。

根據(jù)碼頭工程所處河段的特點選擇模型計算區(qū)域河道長約4.6 km。模型計算河段上邊界在紅渡大橋以上，位于擬建碼頭上游約1.8 km；下邊界位于彎道出口處，距碼頭工程約2.8 km；兩岸邊界沿河岸最高點，高程約148 m～155 m。綜合考慮計算區(qū)域面積、地形特點以及涉水工程尺寸等因素，采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，為使網(wǎng)格大小能有效模擬工程實際，對碼頭附近的局部河段進(jìn)行加密處理。計算地形資料采用實測1/1000 地形圖，計算網(wǎng)格及區(qū)域數(shù)字化地形圖見圖 1 和圖 2。

圖1 計算區(qū)域網(wǎng)格圖

圖2 計算區(qū)域數(shù)字化地形圖

2 模型的率定

采用《紅水河惡灘水電站擴(kuò)建工程可行性研究（初設(shè)）報告》中洪水回水水面線成果對模型進(jìn)行率定。率定流量為18800 m3/s，《紅水河惡灘水電站擴(kuò)建工程可行性研究（初設(shè)）報告》中對應(yīng)百龍灘壩下水位148.55 m，都安水文站水位147.6 m。河道糙率值取為0.036～0.042 左右。

水位率定結(jié)果見表1 和圖3，可見水位計算值和惡灘水電站擴(kuò)建工程回水成果吻合較好，水位值偏差在0.03 m以內(nèi)。其中《紅水河惡灘水電站擴(kuò)建工程可行性研究（初設(shè)）報告》中回水位比本次率定水位最多高0.03 m，最多低0.02 m。

表1 水面線率定成果表

圖3 水面線率定成果圖

模型率定結(jié)果表明計算值與惡灘水電站擴(kuò)建工程回水成果吻合較好，模擬精度能夠滿足對本河段洪水分析計算的要求。

3 工程建設(shè)對河道行洪的影響

為了比較不同洪水情況下碼頭對行洪的影響，本次分別考慮發(fā)生 100 年一遇洪水、50 年一遇洪水、20 年一遇洪水、10 年一遇洪水、5 年一遇洪水、2 年一遇洪水時的情況，共計6 個工況，對每個工況碼頭修建前后的洪水水位、流場進(jìn)行分析比較。河段水流模擬計算條件為上邊界采用設(shè)計洪水流量，下邊界采用出口處洪水位，各工況的上下游邊界條件見表2。同時，沿河道45 個斷面的深泓線、兩岸分別布置了采樣點，用于對整個河段流態(tài)的總體分析，采樣點布設(shè)情況見圖4。

表2 防洪影響計算工況及上下邊界條件表

圖4 斷面流態(tài)測點分布圖

為分析紅渡碼頭對其所在水域水流所產(chǎn)生的影響以及影響分布的狀況、程度和范圍，對反映河道水文情勢的相關(guān)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，特征數(shù)據(jù)主要包括水位壅高最大值、水位變化相對較大值及其所涉及范圍、流速變化最大值、流速變化相對較大值及其所涉及范圍等內(nèi)容。100 年一遇洪水、20 年一遇洪水采樣點特征數(shù)據(jù)計算值的統(tǒng)計結(jié)果見表3～表4。工程建設(shè)前后其所在水域內(nèi)平面在通過100 年一遇洪水、20 年一遇洪水時水位、流速變化情況見圖5～圖8。

表3 工程建設(shè)前后深泓線水位統(tǒng)計表 單位：m

表4 工程建設(shè)前后深泓線流態(tài)統(tǒng)計表

斷面 100 年一遇 20 年一遇大小(m/s) 方向(度) 大小(m/s) 方向(°)下200建前 2.494 149.42 2.358 146.91建后 2.484 149.27 2.345 146.53增量 -0.010 -0.15 -0.013 -0.39下500建前 2.083 139.47 1.859 138.94建后 2.083 139.45 1.859 138.94增量 0.000 -0.02 0.000 0.00下1000建前 1.960 122.74 1.639 124.54建后 1.960 122.74 1.639 124.54增量 0.000 0.00 0.000 0.00下1500建前 2.737 98.00 2.294 96.45建后 2.737 98.00 2.294 96.45增量 0.000 0.00 0.000 0.00下2000建前 2.588 73.43 2.192 77.45建后 2.588 73.43 2.192 77.45增量 0.000 0.00 0.000 0.00下2700建前 2.019 44.14 2.009 36.12建后 2.019 44.14 2.009 36.12增量 0.000 0.00 0.000 0.00

圖5 100 年一遇洪水工程修建前后水位差值圖

圖6 100 年一遇洪水工程修建前后流速差值圖

圖7 20 年一遇洪水工程修建前后水位差值圖

圖8 20 年一遇洪水工程修建前后流速差值圖

計算結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)生計算工況的6 個頻率洪水時，計算水域水位變化范圍在-0.077 m～0.049 m 之間，最大壅高值為0.049 m，最大降低值為0.077 m。水位變化集中在碼頭上游1100 m 至下游500 m 范圍的水域內(nèi)，在碼頭附近達(dá)到最大，并且向河道上下游迅速消減，在碼頭上游400 m 和下游200 m 的范圍之外即消減到0.01 m 以下，碼頭修建對其它水域水位沒有影響。

碼頭修建對河道水域水位影響范圍隨流量增加而增大，當(dāng)發(fā)生100 年一遇洪水時，水位受影響范圍不超過碼頭上游1100 m～下游500 m，當(dāng)發(fā)生2 年一遇洪水時，水位受影響范圍不超過碼頭上游900 m～下游400 m。

計算水域各頻率洪水下各點流速一般都在2.5 m/s 以下，流速最大值約為3.5 m/s，碼頭附近水域最大流速不超過2.8 m/s。碼頭工程建成后，流速變化與水位變化趨勢基本一致，流速發(fā)生變化的范圍與水位變化范圍接近，碼頭上游、下游水域流速有一定減小，碼頭內(nèi)、外側(cè)由于過水?dāng)嗝婵s窄，水流受到擠壓，流速總體有一定增加，但總的變化量不大，最大增加值為 0.138 m/s，最大減小值為 0.185 m/s，且在 200 m～400 m 左右范圍內(nèi)即迅速消減至0.01 m/s 以下。

4 結(jié)論

1）都安紅渡作業(yè)區(qū)碼頭工程建于紅水河左岸，工程修建后碼頭平臺及其立柱和各泊位占據(jù)了部分行洪斷面，侵占部分過水面積，導(dǎo)致洪水過水面積減小，產(chǎn)生阻水作用。在計算的6 種工況下，工程建設(shè)后最大侵占過水面積不超過0.78%，侵占比例較小，擬建碼頭不會對河道行洪水位和流場產(chǎn)生大的影響。

2）當(dāng)發(fā)生100 年一遇至2 年一遇6 個頻率洪水時，河道水位變化幅度在-0.077 m～0.049 m 之間，水位變化集中在碼頭上游1100 m 至下游500 m 范圍的水域內(nèi)，在碼頭附近達(dá)到最大，并且向河道上下游迅速消減，在碼頭上游400 m 和下游200 m的范圍之外即消減到0.01 m 以下；在碼頭附近流速總體有一定增減，最大增加值為0.138 m/s，最大減小值為0.185 m/s，且在200 m～400 m 左右范圍內(nèi)即迅速消減至0.01 m/s 以下，流速變化值在0.1 m/s 以上的影響區(qū)域不大。

3）都安紅渡作業(yè)區(qū)碼頭工程建成后，對擬建工程所在河段河道行洪水位和所在水域流場的影響均不大，不會對所在河段河道行洪、河勢帶來明顯不利的影響。