感潮河段碼頭建設(shè)對(duì)河道 行洪能力影響分析的研究

張玉蘭，余蝶雙

(寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315000)

我國(guó)東南沿海的感潮河口河段，匯聚了其所在流域上游的洪水，河道行洪壓力較大。與此同時(shí)，河口段又是航運(yùn)作業(yè)最為忙碌的河段，河道兩岸由于航運(yùn)的需要建設(shè)了較多貨運(yùn)碼頭，而這些碼頭的建設(shè)會(huì)對(duì)河道的行洪造成一定的影響。如何科學(xué)評(píng)價(jià)其影響程度，均衡好航運(yùn)建設(shè)與防洪安全之間的關(guān)系成為了當(dāng)務(wù)之急。然而，感潮河口段水流復(fù)雜，洪潮交織[1- 3]，同時(shí)水下地形影響較大，因此傳統(tǒng)的一維模型已不能滿足其影響評(píng)估需求，亟需采用更為精細(xì)的二維模型進(jìn)行研究和評(píng)估。

1 流域及碼頭工程概況

甬江，由姚江、奉化江在寧波市三江口匯合而成。甬江自三江口向東北蜿蜒伸展25.6km，至鎮(zhèn)海游山外入海。從姚江源頭夏家?guī)X眠崗山至游山入海口，全長(zhǎng)133km；從奉化江源頭大灣崗至入?？?，全長(zhǎng)119km。甬江河道彎曲，江面一般寬300～450m，平均水深4～5m，水面比降小于0.01‰，為寧波市主要航道及姚江、奉化江的主要出海通道和行洪通道。甬江干流為感潮河段，咸淡水體交替，以徑流和潮流共同作用為主，水動(dòng)力條件復(fù)雜。

該碼頭工程位于甬江干流北岸，所處河面較寬。本工程所處河段的兩岸現(xiàn)狀堤防防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。工程附近水利工程設(shè)施主要有孔浦閘、楊木碶閘和新楊木碶閘。

工程附近河道主槽河底高程為-4.5m～-5.5m，邊灘河底高程為-0.5m～1.7m。甬江的潮汐屬正規(guī)半日潮，潮流呈往復(fù)流。據(jù)多年實(shí)測(cè)潮位資料統(tǒng)計(jì)分析，歷年最高潮位3.3m，歷年最低潮位-3.85m，歷年平均高潮位1.07m，歷年平均低潮位-0.67m，歷年最大潮差3.53m，平均潮差1.74m。

2 影響分析研究

2.1 模型原理

本碼頭工程所處的河段為寬淺型河流，采用二維水動(dòng)力方程即可反映河段的水流運(yùn)動(dòng)特性。所以，本文建立河口段二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型。該模型在國(guó)內(nèi)多個(gè)橋梁等涉河工程中得到實(shí)踐應(yīng)用，能準(zhǔn)確分析一般沖積性河段及工程附近的水動(dòng)力變化情況。

(1)控制方程

本次采用的二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型[4- 6]綜合考慮洪水演進(jìn)過(guò)程，可以全面模擬計(jì)算域內(nèi)水流過(guò)程。水動(dòng)力學(xué)模型的控制方程由水流連續(xù)方程與運(yùn)動(dòng)方程等方程組成，主要控制方程如下：

我國(guó)鹽湖鋰資源儲(chǔ)量大，相比國(guó)外鹽湖，鎂鋰比高，提鋰難度大，這長(zhǎng)期制約著我國(guó)鹽湖提鋰工業(yè)的發(fā)展。本項(xiàng)目提鋰生產(chǎn)線的成功穩(wěn)定生產(chǎn)，將引領(lǐng)我國(guó)鹽湖提鋰技術(shù)的綠色升級(jí)，促使我國(guó)占領(lǐng)高鎂鋰比型鹽湖提鋰領(lǐng)域的技術(shù)制高點(diǎn)，有力推動(dòng)我國(guó)鋰電新能源發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施。

水流連續(xù)方程：

(1)

水流運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

(3)

式中，H=h+ζ—垂線水深；ζ—水位；u、v—x、y方向的垂線平均流速分量；ε—紊動(dòng)運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；n—糙率系數(shù)；g—重力加速度。

(2)數(shù)值計(jì)算格式

本模型采用非均勻網(wǎng)格，擬在碼頭工程附近區(qū)域和地形較大的局部區(qū)定向加密網(wǎng)格。計(jì)算時(shí)采用有限體積法，控制方程離散時(shí)，結(jié)果變量U、V位于單元中心，跨邊界通量垂直于單元邊。

(3)邊界條件

初始條件：對(duì)于建模的給定的計(jì)算區(qū)域，給定水位和流速初始值。

邊界條件：進(jìn)口邊界條件，給出進(jìn)口開(kāi)邊界處的水位、流量過(guò)程，由全流域模型或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)給出；出口邊界條件，本文是自然開(kāi)邊界，主要是經(jīng)下邊界或側(cè)邊界出流的河流，由全流域模型或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)給出。

2.2 模型概化

(1)網(wǎng)格概化

本次建立的二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，計(jì)算范圍從上游白沙公園至下游梅墟閘，總長(zhǎng)約9.0km。為了反映河道地形和工程情況，同時(shí)滿足流場(chǎng)計(jì)算精度要求，網(wǎng)格寬度設(shè)為15～30m。在本碼頭工程附近進(jìn)行逐個(gè)加密，加密網(wǎng)格寬度設(shè)置為0.5～3m。模型計(jì)算網(wǎng)格剖分圖如圖1所示，模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)9655個(gè)，網(wǎng)格數(shù)18687個(gè)，本碼頭工程區(qū)局部加密網(wǎng)格概化圖如圖2所示。

圖1 模型網(wǎng)格概化圖

圖2 碼頭工程區(qū)局部網(wǎng)格概化圖

(2)地形概化

數(shù)學(xué)模型地形資料采用2018年甬江實(shí)測(cè)地形(包括邊灘和主槽)，以及2019年本碼頭附近區(qū)重新加密測(cè)量的水下地形，兩份資料疊加而成，概化如圖3所示。

圖3 模型水下地形概化圖

(3)碼頭概化

本工程涉及浮碼頭和高樁板梁碼頭兩種形態(tài)，本次根據(jù)工程上采用的調(diào)整碼頭樁群區(qū)域糙率[7- 8]的方式對(duì)工程區(qū)群樁阻水進(jìn)行概化，工程區(qū)糙率取值為0.04～0.05。

(4)邊界條件

本模型共設(shè)置2組開(kāi)邊界，其中上邊界為白沙公園斷面，下邊界為梅墟閘斷面。模型驗(yàn)證的邊界條件采用2017年實(shí)測(cè)水文資料進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算工況的邊界條件選取甬江整體流域模型中得到的水位、流量過(guò)程。

2.3 模型驗(yàn)證

2017年2月27日—2017年3月6日對(duì)工程附近區(qū)域進(jìn)行了水文測(cè)驗(yàn)，具備詳盡的實(shí)測(cè)資料，可為模型驗(yàn)證使用。模型驗(yàn)證邊界采用白沙公園、梅墟閘下的實(shí)測(cè)資料，潮位驗(yàn)證選取工程附近3個(gè)測(cè)點(diǎn)作為驗(yàn)潮站，流速驗(yàn)證采用橋位3個(gè)測(cè)點(diǎn)。

模型在調(diào)試過(guò)程中，采用灘槽不同糙率模擬流場(chǎng)阻力，使模型計(jì)算的潮位及流場(chǎng)與實(shí)測(cè)的誤差滿足規(guī)定要求。經(jīng)比選后確定河槽糙率取n為0.01～0.025，灘地糙率取n為0.03～0.04，模型驗(yàn)證成果分述如下。

(1)潮位驗(yàn)證

模型計(jì)算潮位過(guò)程與實(shí)測(cè)潮位過(guò)程基本吻合，相位差控制在半小時(shí)以內(nèi)，高、低潮位的誤差不超過(guò)0.10m，滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(2)流速驗(yàn)證

各測(cè)點(diǎn)計(jì)算流速與實(shí)測(cè)流速基本接近，最大流速和憩流出現(xiàn)時(shí)刻與實(shí)測(cè)基本一致，除個(gè)別點(diǎn)的漲急或落急流速有所偏差外，其余點(diǎn)流速驗(yàn)證情況良好，漲、落潮平均流速的誤差在10%以內(nèi)，滿足潮流模擬的有關(guān)規(guī)程要求。

綜上所述，本次所建立的定床模型能較好地復(fù)演天然情況下河道的漲、落潮水流運(yùn)動(dòng)，模型計(jì)算所得的水位變化過(guò)程和流速分布過(guò)程與原型基本一致，表明模型的相似性較好，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行工程方案的計(jì)算研究。

2.4 影響分析

(1)壅水計(jì)算成果分析

本工程所處河段的兩岸現(xiàn)狀堤防防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。按照流域規(guī)劃的100年一遇成果作為邊界。在此條件下，與碼頭工程建設(shè)前相比，工程建設(shè)會(huì)造成碼頭斷面上游產(chǎn)生最大水位壅高為3cm，壅水長(zhǎng)度約310m，主要位于上游左岸邊灘。如圖4所示。

圖4 100年一遇洪水條件下碼頭建設(shè)水位壅高等值圖

在碼頭工程上游2.0km甬江左岸布設(shè)有孔浦閘，本工程上游0.7km甬江右岸布設(shè)楊木碶閘，本工程下游甬江右岸布設(shè)有新楊木閘。結(jié)合上游壅水分析可知，孔浦閘位于壅水影響范圍以外，楊木碶閘和新楊木碶閘均位于河道右岸，亦無(wú)壅水影響，由此可得本工程的建設(shè)，對(duì)附近水閘排水基本不產(chǎn)生影響。

(2)流速變化成果分析

經(jīng)模型測(cè)算，碼頭工程建設(shè)后，100年一遇流量條件下，碼頭斷面上游流速減小，減幅為0.01～0.12m/s，范圍自上游200m至下游100m區(qū)域。碼頭斷面受水流壓縮影響，流速略有增大，增幅為0.01～0.11m/s。碼頭下游，碼頭掩護(hù)區(qū)流速呈現(xiàn)減小特征，減幅為0.01～0.04m/s，右岸邊灘及主槽基本不變。碼頭工程建設(shè)前、后流速變化等值圖如圖5所示。

圖5 100年一遇洪峰流量下工程前后流速變化等值圖

本碼頭工程建設(shè)實(shí)施后，上、下游邊灘流速呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，碼頭斷面流速略有增大。再綜合實(shí)測(cè)大小潮流速，分析可得正常潮汐條件下，碼頭工程建設(shè)前左岸邊灘流速為0.5～0.8m/s，碼頭工程建設(shè)后左岸邊灘流速減小約0.01～0.08m/s，進(jìn)一步測(cè)算得到因本工程建設(shè)新增年淤積厚度約0.10～0.15m，淤積范圍自上游200m至下游100m。因此，建議配套相應(yīng)的清淤措施，減小影響。

3 結(jié)語(yǔ)

為了協(xié)調(diào)沿海感潮河段的航運(yùn)與防洪安全間的關(guān)系，有必要對(duì)航運(yùn)碼頭的建設(shè)進(jìn)行科學(xué)的洪水影響分析。但感潮河段水力條件復(fù)雜，因此需要建立合適的模型進(jìn)行分析。本文選定二維水動(dòng)力模型為分析手段，以甬江北岸某碼頭的建設(shè)為例，概化了該碼頭上下游共9km的河段為計(jì)算范圍，進(jìn)行了網(wǎng)格剖分并對(duì)碼頭工程區(qū)進(jìn)行了網(wǎng)格加密。在模型通過(guò)實(shí)測(cè)水文資料的檢驗(yàn)后，以河段百年一遇防洪防潮標(biāo)準(zhǔn)的洪水為邊界條件，進(jìn)行了壅水分析和流速變化等水動(dòng)力分析。得到結(jié)論：本碼頭建設(shè)引起壅水對(duì)附近水閘排水無(wú)顯著影響；建設(shè)導(dǎo)致的上、下游邊灘流速呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，會(huì)引起淤積，建議配套清淤措施。本文的分析方法可為感潮河段碼頭、橋梁等類(lèi)似涉水建筑的影響分析提供一定參考。