吳淞江泄洪對(duì)京杭運(yùn)河通航影響的數(shù)值分析

夏 熙，朱 林，于建忠，沙 鵬

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000)

京杭運(yùn)河作為承載太湖流域腹地水量交換的骨干行水通道，不僅是江蘇省“兩縱四橫”干線航道網(wǎng)中的主干航道，也是全國(guó)水運(yùn)主通道的重要組成部分，素有“黃金水道”之稱。近年來(lái)隨著現(xiàn)代水運(yùn)事業(yè)的快速發(fā)展，運(yùn)河各類船舶的載重規(guī)模及數(shù)量呈逐年上升趨勢(shì)，汛期泄洪對(duì)運(yùn)河通航安全影響分析的必要性日益凸顯[1]。

目前吳淞江在瓜涇口樞紐下游約1.8km處與京杭運(yùn)河呈敞口近“X”字型交匯，且運(yùn)河?xùn)|、西兩側(cè)未完全“對(duì)口”相接，如圖1所示。在瓜涇口樞紐規(guī)劃最大泄洪流量410m3/s的情況下，河道行洪水流導(dǎo)致京杭運(yùn)河橫流流速不滿足JTS 180—2—2011《運(yùn)河通航標(biāo)準(zhǔn)》6.2.3條“運(yùn)河口中取、泄水口和其它匯流口的水域，航道橫向流速不應(yīng)超過(guò)0.3m/s，回流流速不超過(guò)0.4m/s”的要求，使運(yùn)河行駛船舶偏離航道，對(duì)船舶航行安全構(gòu)成一定的威脅。考慮到橫流強(qiáng)度主要與夾角和流速大小相關(guān)，但受現(xiàn)場(chǎng)建筑物限制，京杭運(yùn)河與行洪水流的夾角基本上沒(méi)有大幅調(diào)整的條件，因此需要局部?jī)?yōu)化交匯區(qū)河線布置或設(shè)置整流措施，以確保運(yùn)河橫向流速滿足規(guī)范要求。為保障吳淞江泄洪期間京杭運(yùn)河船舶通行安全，本文采用二維數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算不同運(yùn)行工況下的交匯區(qū)水流條件，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出有效的工程措施[2- 4]。

圖1 吳淞江與京杭運(yùn)河交匯區(qū)現(xiàn)狀示意圖

1 工程概況

吳淞江(江蘇段)整治工程[5]位于太湖流域陽(yáng)澄淀泖區(qū)，自江蘇境內(nèi)東太湖瓜涇口，由西向東，穿京杭運(yùn)河，充分利用吳淞江現(xiàn)有河道疏(拓)浚至蘇滬交界，并與上海段河道相接，河道整治全長(zhǎng)61.7km(其中蘇滬交界段5.28km)。作為流域防洪治理的骨干工程，規(guī)劃恢復(fù)吳淞江行洪通道，不僅能夠促進(jìn)長(zhǎng)三角地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通，同時(shí)可進(jìn)一步完善太湖流域防洪工程體系，增加太湖洪水外排出路，提高流域東出黃浦江能力和工程沿線區(qū)域防洪除澇能力，并兼顧增強(qiáng)水資源配置、改善水環(huán)境和航運(yùn)等綜合效益，更加有力支撐保障了長(zhǎng)三角一體化的高質(zhì)量發(fā)展。

2 計(jì)算模型

為了分析吳淞江與京杭運(yùn)河交匯區(qū)的通航水流條件，針對(duì)工程所在河道形狀及水流特征，采用丹麥水力研究所(簡(jiǎn)稱DHI)開(kāi)發(fā)的MIKE21水動(dòng)力學(xué)軟件，沿水深平均的平面二維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)交匯區(qū)的水流條件進(jìn)行分析計(jì)算[6- 8]。

2.1 基本方程

在實(shí)際水流運(yùn)動(dòng)中，各水力要素不僅有沿程和垂直方向水深的變化，同時(shí)又有橫向河寬的變化，一般屬于三維水流運(yùn)動(dòng)。對(duì)于在天然河流中水平運(yùn)動(dòng)尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度的情況，水深、流速等水力參數(shù)沿垂直方向的變化要遠(yuǎn)小于沿水平方向的變化，從而將三維流動(dòng)的控制方程沿水深積分，并取水深平均可得平面二維水流數(shù)學(xué)模型，其基本方程分別為水流連續(xù)方程和x、y方向水平動(dòng)量方程[9- 10]。

2.2 網(wǎng)格劃分

如圖2所示，數(shù)學(xué)模型根據(jù)河線布置及非恒定流影響范圍，并考慮計(jì)算所需上下游長(zhǎng)度，選取的計(jì)算范圍為吳淞江與京杭運(yùn)河交匯區(qū)上下游河道。采用三角形網(wǎng)格對(duì)模型區(qū)域進(jìn)行劃分，模型網(wǎng)格區(qū)域最大面積為50m2，對(duì)靠近橋墩等流態(tài)較為復(fù)雜區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了加密，網(wǎng)格區(qū)域最大面積為5m2。

圖2 吳淞江與京杭運(yùn)河交匯區(qū)計(jì)算網(wǎng)格劃分圖

2.3 邊界條件

2.4 參數(shù)選取

根據(jù)地形資料，通過(guò)分析相關(guān)研究成果，河道糙率取0.025，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取5s。渦粘系數(shù)一般取0.25～1.00，本次計(jì)算取0.50。同時(shí)為保證模型計(jì)算的連續(xù)性，采用“干濕判別”來(lái)確定計(jì)算區(qū)域，當(dāng)水深小于0.05m時(shí)，標(biāo)記為“干”，不參加計(jì)算；水深大于0.1m時(shí)，標(biāo)記為“濕”，參加計(jì)算[11]。

3 計(jì)算工況

交匯區(qū)的水流條件同時(shí)受吳淞江及京杭運(yùn)河泄洪流量的影響，水流條件較為復(fù)雜，工況設(shè)計(jì)選用工程所在區(qū)域最不利降雨典型條件時(shí)可能出現(xiàn)的各種不利水位流量組合逐一進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)太湖流域一維河網(wǎng)模型計(jì)算結(jié)果[12]，選用4組典型不利計(jì)算工況見(jiàn)表1。

表1 不同工況計(jì)算參數(shù)表

工況1為“吳淞江最大流量、此時(shí)相應(yīng)交匯區(qū)水位最低”工況，即瓜涇口樞紐泄洪流量達(dá)到設(shè)計(jì)流量410m3/s時(shí)，交匯區(qū)水位為可能出現(xiàn)的最低水位3.8m，此時(shí)京杭運(yùn)河對(duì)應(yīng)的流量為50m3/s；

工況2為“吳淞江最大流量、此時(shí)相應(yīng)運(yùn)河流量最大”工況，即瓜涇口樞紐泄洪流量達(dá)到設(shè)計(jì)流量410m3/s時(shí)，京杭運(yùn)河為可能出現(xiàn)的最大流量80m3/s，此時(shí)交匯區(qū)對(duì)應(yīng)水位為4.1m；

工況3為“吳淞江最大流量、交匯區(qū)以北運(yùn)河倒流流量最大”工況，即瓜涇口樞紐泄洪流量達(dá)到設(shè)計(jì)流量410m3/s時(shí)，此時(shí)交匯區(qū)以北京杭運(yùn)河小范圍出現(xiàn)自南向北倒流，流量最大為40m3/s；

工況4為“吳淞江、運(yùn)河流量同時(shí)相對(duì)較大”工況，由于京杭運(yùn)河與瓜涇口樞紐錯(cuò)峰泄洪，兩者泄洪流量不會(huì)同時(shí)達(dá)到最大值，但在2股水流共同作用下，存在交匯區(qū)水流流速較大的情況，此時(shí)吳淞江和京杭運(yùn)河泄洪流量分別為230、190m3/s。

4 數(shù)值分析

4.1 無(wú)整流墩時(shí)交匯區(qū)流態(tài)

按照“降低交匯區(qū)水流流速且減少征地拆遷”為原則，確定交匯區(qū)河線方案采用流線型布置，保證河道拓浚寬度與水流擴(kuò)散寬度基本一致，即拓寬尺度在最大限度增大過(guò)水?dāng)嗝婷娣e、降低水流流速的同時(shí)，盡可能減少征地和降低投資。同時(shí)考慮吳淞江泄洪期間水流流態(tài)及運(yùn)河?xùn)|西兩側(cè)未“對(duì)口”相接的實(shí)際情況，整體利用北側(cè)岸線，向南側(cè)偏移拓浚，形成喇叭口，以引導(dǎo)行洪水流主體向東行泄至運(yùn)河以東吳淞江，如圖3所示。

圖3 吳淞江與京杭運(yùn)河交匯區(qū)河線布置示意圖

本小節(jié)在工況1的基礎(chǔ)上，分析吳淞江泄洪對(duì)京杭運(yùn)河航運(yùn)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，隨著河道向南拓寬，吳淞江與京杭運(yùn)河交匯區(qū)橫流強(qiáng)度逐漸降低，但拓寬到250m后除運(yùn)河航寬水域邊緣局部橫向流速仍超過(guò)0.3m/s不能滿足規(guī)范要求外，其余均滿足要求。同時(shí)在擴(kuò)散角一定的前提下，河道起始拓寬位置上移對(duì)橫流改善有利，但將引起更大的征遷。如圖4所示，在河道起始拓寬位置不大幅上移的前提下，若進(jìn)一步拉大交匯區(qū)河道喇叭口間距，交匯區(qū)水流形態(tài)基本上不會(huì)發(fā)生明顯變化，相應(yīng)河道中心主流流速也無(wú)法明顯降低，難于達(dá)到改善交匯區(qū)的通航水流條件的目的。此外，受征地拆遷限制，交匯區(qū)河道拓寬尺度及范圍也不具備大幅擴(kuò)大的條件。

圖4 吳淞江與京杭運(yùn)河交匯區(qū)流場(chǎng)及橫流分布圖1(流速單位：m/s)

4.2 有整流墩時(shí)交匯區(qū)流態(tài)

局部橫流超標(biāo)位置處于河道主流中心位置如圖4所示，主要是由于河道主流流速較大，因此在不增加河道拓寬尺度及范圍的情況下，需進(jìn)一步采取整流措施，以降低河道主流流速。同時(shí)考慮到吳淞江運(yùn)河以西段為等外級(jí)航道，故在不影響該段通航的前提下，多方案調(diào)整、試算，在交匯區(qū)西側(cè)河道中心橋墩下設(shè)整流墩，促使水流進(jìn)入交匯區(qū)水域前將主流分流，降低主流流速，從而減輕對(duì)京杭運(yùn)河的航運(yùn)影響。

如圖5所示，增設(shè)整流墩后，吳淞江運(yùn)河以西段河道泄洪主流遇整流墩后向南北兩側(cè)分成2股，雖然2股水流繞過(guò)整流墩后又匯合，但在“分-合”過(guò)程中增大了水流擴(kuò)散范圍，同時(shí)在整流墩東側(cè)形成了一個(gè)小范圍的靜水區(qū)，有效降低了主流中心流速，從而使得圖4中橫流超標(biāo)位置的水流流速明顯降低，橫流強(qiáng)度也均降低到0.3m/s以下。在交匯區(qū)4種最不利水位-流量組合工況下，京杭運(yùn)河的橫流強(qiáng)度均降低到0.3m/s以下，滿足規(guī)范要求，即吳淞江泄洪對(duì)京杭運(yùn)河通航安全基本無(wú)影響。

圖5 吳淞江與京杭運(yùn)河交匯區(qū)流場(chǎng)及橫流分布圖2(增設(shè)整流墩)(流速單位：m/s)

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)，針對(duì)吳淞江泄洪期間可能對(duì)京杭運(yùn)河通航水流條件產(chǎn)生影響，以滿足橫向流速限值為要求，對(duì)工程所在區(qū)域最不利降雨典型的4種不同水位、流量組合進(jìn)行了數(shù)值分析。研究表明，交匯區(qū)西側(cè)河線布置在規(guī)劃河道規(guī)模的基礎(chǔ)上，利用北側(cè)岸線向南側(cè)偏移拓浚形成喇叭口，并且增設(shè)整流墩，能有效改善交匯區(qū)的流態(tài)和航道內(nèi)的通航水流條件，對(duì)確保京杭運(yùn)河船舶航行安全有著十分重要的意義。此外考慮到數(shù)學(xué)模型本身的局限性，建議后期從物理模型試驗(yàn)和船模航行試驗(yàn)2個(gè)方面分析交匯區(qū)通航水流條件。