尹公洲水道通航條件水流數(shù)值模擬研究

東培華，徐孟飄

（華設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

尹公洲航道全長約20 公里，其中航寬不足300 米的航段約13 公里，航道呈90 度彎曲，為單向控制段，目前主要存在航道彎曲、狹窄、流態(tài)復(fù)雜和通航密度大等問題，是長江江蘇段著名的兩個瓶頸航段之一。

自長江南京以下12.5 米深水航道二期工程試運行以來，長江江蘇段航運組織進(jìn)一步優(yōu)化，黃金水道效益進(jìn)一步發(fā)揮。但受尹公洲水道通航的制約，12.5 米深水航道并未實質(zhì)性延伸到南京，使得南京港未能充分享受深水航道船舶大型化的紅利，港口綜合競爭力難以提升。

本文基于尹公洲水道現(xiàn)狀條件，建立二維水流數(shù)學(xué)模型，模擬計算不同代表流量條件下尹公洲水道內(nèi)的水動力特征及航道水流條件，為船舶操縱模擬試驗提供基礎(chǔ)流暢數(shù)據(jù)，為尹公洲水道通航能力提升研究提供技術(shù)支撐。

1 水道自然條件

1.1 河道概況

尹公洲水道（即和暢洲南水道）位于長江鎮(zhèn)揚河段下段，長江鎮(zhèn)揚河段上起三江口，下迄鎮(zhèn)江五峰山，全長約74km，自上而下依次由儀征水道、世業(yè)洲汊道、和暢洲水道組成。和暢洲水道自世業(yè)洲尾～五峰山，包含六圩彎道、和暢洲汊道及大港水道，和暢洲汊道又分為和暢洲北水道及和暢洲南水道（尹公洲水道）。

和暢洲水道右汊為通航主汊道，上段航道稱為焦山尾水道或尹公洲航道段，右汊中下段～五峰山為丹徒直水道，下連口岸直水道，其平面形態(tài)上呈“Z”字形。該段航道彎曲多變、航寬狹窄、流態(tài)紊亂、通航密度大，歷來是長江鎮(zhèn)江段事故多發(fā)地帶，是長江下游深水航道的“瓶頸”[3-4]。

1.2 潮位特征

據(jù)鎮(zhèn)江水文站長期潮位觀測資料統(tǒng)計，歷年最高潮位6.7m，最低潮位-0.65m，最大潮差2.32m，最小潮差0m，多年平均潮差為0.96m。

1.3 水流特征

根據(jù)近年多次實測水流資料統(tǒng)計，尹公洲水道測流斷面上垂線平均最大流速基本出現(xiàn)在主泓，最小流速基本出現(xiàn)在兩岸邊，表明各斷面流速一般中間大兩岸小。

1.4 分流比特征

（1）12.5 米深水航道二期整治工程實施前：和暢洲左汊口門控制工程實施后，工程限流效果較明顯，左汊枯季分流比由工程前76.0%左右減少至73.0%左右；2008年以后，左汊分流比又有緩慢抬升的跡象[5]。

（2）12.5 米深水航道二期整治工程實施后：左汊限流、右汊增流的效果十分顯著，和暢洲右汊分流比逐步抬高，由25.4%上升至40%。

2 數(shù)學(xué)模型的建立及驗證

2.1 模型建立

模型的計算網(wǎng)格及地形如下圖1 所示。平面二維水流數(shù)學(xué)模型上起世業(yè)洲匯流口，下至五峰山，全長約48km。為準(zhǔn)確模擬復(fù)雜分汊河道，模型采用三角形網(wǎng)格，同時于關(guān)注區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格尺度在50～80m之間。

2.2 模型驗證

采用2018年7月洪季及2019年2月枯季實測水文資料，分別對洪枯季的水面線、流速分布及汊道分流比進(jìn)行驗證。圖2 為洪枯季水位站及測流斷面分布圖。驗證結(jié)果表明：從水面線來看，水位一般誤差為±0.04m；從斷面流速分布來看，除個別垂線點外，絕大部分點流速誤差均在±5%以內(nèi)；從分流比來看，偏差在0.2%以內(nèi)。以上驗證結(jié)果均滿足《水運工程模擬試驗技術(shù)規(guī)范》（JTS-T 231-2021）的要求。限于篇幅，僅給出部分驗證結(jié)果。

表1 2018年洪季水面線率定部分驗證結(jié)果表

表2 2018年洪季分流比驗證表

3 計算特征水文條件

本文選取了5 個計算流量級，分別為航道整治流量（16500m3/s）、多年平均流量（28500m3/s）、平灘流量（46000 m3/s）、多年平均洪峰流量（57500 m3/s）及防洪設(shè)計流量（85400 m3/s）。下游控制水位利用多年實測資料，建立大港港區(qū)的水位（中潮位）與大港實測流量關(guān)系，再由流量確定相應(yīng)的水位。

4 計算結(jié)果分析

為更準(zhǔn)確地分析尹公洲航道的水動力條件，于航道中心線沿程布置多個采樣點。圖4 為航道中心線沿程采樣點布置圖。限于篇幅，本文僅對最小流量級及最大流量級下（航道整治流量及防洪設(shè)計流量）的計算結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 航道整治流量條件下

圖5 為航道整治流量下尹公洲水道流場圖。在航道整治流量條件下，自#107 黑浮至分流區(qū)水道內(nèi)流態(tài)較為平順，通航條件良好，橫流流速約在0.1m/s 以內(nèi)。分流段附近由于轉(zhuǎn)角較大，航道內(nèi)流態(tài)較亂，航道中心線走向與水流流向約呈20°～40°夾角，橫流流速最大達(dá)0.17m/s。右汊進(jìn)口段深水航道內(nèi)流態(tài)平順，通航條件良好，橫流流速在0.1m/s 以內(nèi)。右汊中段（彎道段）水流流向與航道中心線夾角約呈5～20°，橫流流速最大達(dá)0.16m/s。右汊中下段及下段流向與航道中心線夾角較小，橫流較小，橫流流速在0.1m/s 以內(nèi)。匯流段附近由于左、右汊下泄水流在深水航道內(nèi)交匯，流態(tài)紊亂，水流流向與航道中心線夾角約為12～14°，橫流相對較大，最大達(dá)0.14m/s；黃港～99#黑浮航段內(nèi)流態(tài)平順，通航條件良好。

4.2 防洪設(shè)計流量條件下

圖6 為防洪設(shè)計流量下尹公洲水道流場圖。在防洪設(shè)計流量條件下，自#107 黑浮至分流區(qū)水道內(nèi)流向與中心線夾角較小，深水航道中心流速為2.34～2.76m/s，橫流流速約在0.4m/s 以內(nèi)。分流段附近水流流向與中心線夾角較大，橫流流速較大，最大約為0.62m/s。右汊進(jìn)口段航道中心線水流流向與航道中心線夾角較小，流速約為1.45～2.06m/s，橫流流速約在0.35m/s 以內(nèi)。右汊中段（彎道段）水流流向與航道中心線夾角約呈2～21°，橫流流速相對較大，最大約為0.61m/s。右汊中下段及下段流態(tài)較為平順，流速約為2.0～2.21m/s，橫流流速在0.3m/s 以內(nèi)。匯流段附近水流流向與航道中心線夾角約為13～14°，流速約為2.02～2.18m/s，橫流流速相對較大，最大約為0.54m/s；黃港～99#黑浮航段內(nèi)流態(tài)平順，水流流速約為2.15～2.20m/s。

5 結(jié)論

本文通過建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型，計算分析不同代表流量條件下尹公洲水道內(nèi)水動力特征，為船舶操縱仿真試驗提供基礎(chǔ)流場環(huán)境數(shù)據(jù)，為尹公洲水道通航能力提升研究提供技術(shù)支撐。主要結(jié)論如下：

（1）尹公洲水道流態(tài)特征：各典型代表水文條件下航道流態(tài)情況基本相似。分流口（尹公洲水道進(jìn)口水域）由于轉(zhuǎn)角較大，航道內(nèi)流態(tài)較亂，航道中心線走向與水流流向約呈20°～40°夾角；彎道段（右汊中段）水流流向與航道中心線夾角約呈5～20°；順直段（#107黑浮至分流區(qū)水道、尹公洲水道進(jìn)口段、出口段及大港水道）內(nèi)流態(tài)相對較為平順，水流流向與中心線夾角約10°以內(nèi)；匯流口（黃港附近）由于左、右汊下泄水流在深水航道內(nèi)交匯，流態(tài)紊亂，水流流向與航道中心線夾角約為12～14°。

（2）尹公洲水道流速特征：航道內(nèi)流速隨著流量級別的增大而增大，航道整治流量條件下航道內(nèi)流速最小，防洪設(shè)計流量條件下航道內(nèi)流速最大。分流口、彎道段以及匯流口的橫流相對較大，順直段（#107 黑浮至分流區(qū)航道、尹公洲水道進(jìn)口段、出口段及大港水道）較于分流口、匯流口以及彎道段，流速相對更大。