鎮(zhèn)江危險品錨地疏浚工程對徑潮流河段通航條件的影響研究

王暉，金雪晴，汪江園，孔偉程，李有為，張偉

（1.長江鎮(zhèn)江航道處，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.鎮(zhèn)江市港發(fā)綠色資源有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.長江航道勘察設(shè)計院（武漢）有限公司，湖北 武漢 430040；4.長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430040）

錨地作為稀缺的港口資源，是港口發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在沿江經(jīng)濟(jì)港口和航運(yùn)發(fā)展中具有重要作用[1]。但由于泥沙淤積問題，導(dǎo)致錨地的水深條件不足，影響船只的正常錨泊，嚴(yán)重時甚至?xí)斐伤习踩鹿蔥2]。疏浚工程通過應(yīng)用水力或機(jī)械的方法，挖掘水下的土石方或泥沙并進(jìn)行輸移處理，是維護(hù)錨地水深的有效手段[3]。然而，疏浚工程的實(shí)施同時也可能引起工程河段的河勢調(diào)整、河床沖淤變化，對工程河段的通航安全、航道整治工程等可能帶來不利的影響[4]。數(shù)學(xué)模型通過獲取上下游邊界，可精確模擬河段的水沙時空動態(tài)變化，對于工程方案的比選與實(shí)施具有重要的指導(dǎo)意義[5,6]。本研究以鎮(zhèn)江危險品錨地為例，利用數(shù)學(xué)模型模擬錨地不同疏浚方案下對應(yīng)河段的水條條件及地形沖淤變化，分析工程建設(shè)對河段通航條件的影響，以期為保證錨地和河段通航安全的最優(yōu)方案確定提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

鎮(zhèn)江危險品錨地位于長江下游揚(yáng)中河段口岸直水道落成洲左緣，船只錨泊需求量大，順?biāo)飨蜷L1975m，垂直水流寬400～530m，面積約91.97 萬m2，其上游72m 處建有一處丁壩護(hù)底排體邊界，錨地設(shè)計底高程-8.3m（85 國家高程基準(zhǔn)），能同時錨泊5000 噸級液化船3 艘、3000 噸級液化船1 艘，并可兼顧錨泊10000 噸級液化船。

圖1 研究區(qū)域圖

1.2 數(shù)據(jù)資料

本研究收集了包括2017年11月、2019年4月和2021年7月全揚(yáng)中河段1：10000 實(shí)測河道地形圖以及2018年2月口岸直水道航道測圖在內(nèi)的地形數(shù)據(jù)；2007年8月1日-8月2日和2021年6月～7月洪水全河段水文測驗(yàn)資料以及2021年1月枯水全河段全潮水文測驗(yàn)資料在內(nèi)的水文數(shù)據(jù)。通過收集的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的率定和驗(yàn)證，進(jìn)而分析不同疏浚方案對航道通航條件的影響。

1.3 模型原理

本研究采用平面二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型模擬揚(yáng)中河段的水沙運(yùn)動過程，其基本控制方程主要包括基于深度平均的淺水二維動力學(xué)模型、懸沙運(yùn)動方程、推移質(zhì)運(yùn)動方程、河床變形方程，分別如式（1）～（8）所示。

水流連續(xù)方程為：

水流動量方程為：

其中，t 為時間；x 和y 為空間坐標(biāo)；h 為水深；u 和v 為x 和y 方向的水流流速；Zb為河床高程；qc為源匯項(xiàng)；g 為重力加速度，本文中取9.8 m/s2；vt為紊動擴(kuò)散系數(shù)，u、v 為x 和y 方向的水流流速，=經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，水沙混合密度，c 為總含沙量；為河床泥沙飽和濕密度；為水、泥沙及河床干密度；p0為床面泥沙孔隙率；，分別為x 和y 方向的地形坡度；，分別為x 和y 方向的阻力坡度，n為Manning 糙率；為紊動粘性系數(shù)，為均勻系數(shù)，在本文中取0.2，k 為卡門常數(shù)，在本文中取0.4，u*為摩阻流速。

二維懸移質(zhì)不平衡輸沙方程

二維推移質(zhì)不平衡輸沙方程：

推移質(zhì)河床變形方程：

總河床變形方程：

根據(jù)張瑞謹(jǐn)公式計算總挾沙力，即

1.4 方案設(shè)置

考慮到錨地疏浚工程位于航道整治建筑物的保護(hù)范圍內(nèi)，距離最近航道整治建筑物排體邊緣僅72m，疏浚維護(hù)可能對整治建筑物穩(wěn)定性帶來不利影響，本研究在錨地距離LL5 排邊緣下端300m 實(shí)施疏浚至-8.3m 底高程，錨地上邊距離排邊緣300m，以減弱對整治建筑物的影響，其疏浚量約215.8 萬方，疏浚后可停泊3 艘5000 噸級、1 艘1000 噸級危險品船舶。

2 結(jié)果分析

2.1 工程后航道內(nèi)水力要素變化

表1為工程前后航道內(nèi)的水力要素變化最大值統(tǒng)計表。從表中可以看出，在各計算水文條件下，工程實(shí)施后航道內(nèi)水位最大變化值保持在1cm 內(nèi)；漲急時刻航道流速整體以降低為主，流速最大降幅為0.02m/s，落急時刻航道流速變化趨勢與漲急時刻保持一致，流速降幅介于0.01m/s～0.03m/s，在洪水大潮穩(wěn)定期航道流速最大降低值達(dá)到0.04m/s，航道流速變化幅度整體較低；同時，航道內(nèi)水流流向也整體呈現(xiàn)出較低變化幅度，漲急時刻流向最大增加1.0°，流向最大減小0.9°，落急時刻流向最大增加0.3°，流向最大減小0.8°，洪水大潮穩(wěn)定期流向最大增加0.2°，最大降低0.4°?？傮w而言，平面二維水沙數(shù)值模擬結(jié)果表明疏浚工程實(shí)施前后對于航道內(nèi)的水流條件變化幅度較低，對于河段的原有通航條件影響較小。

表1 不同水文條件下工程實(shí)施后的航道內(nèi)水力要素變化情況

2.2 工程后航道典型斷面沖淤變化

表2為典型水沙年末工程前后斷面地形相對沖淤最大變化值。從S1 斷面圖來看，相比起始地形，經(jīng)過一個典型大水大沙2020年水文過程后，航道內(nèi)相對淤積為0.066m，LL5 排邊緣區(qū)域內(nèi)相對沖刷分別為0.199m，工程實(shí)施后對大水期上游整治建筑物的沖淤影響不大。經(jīng)過一個典型小水小沙2011年水文過程后：工程實(shí)施后相對沖刷為0.039m，對小水期上游整治建筑物的沖淤影響不大。從S2 斷面圖來看，相比起始地形，經(jīng)過一個典型大水大沙2020年水文過程后，航道內(nèi)相對淤積為0.418m，錨地疏浚區(qū)域內(nèi)相對淤積為1.048m。經(jīng)過一個典型小水小沙2011年水文過程后，航道內(nèi)相對淤積分別為0.274m，錨地疏浚區(qū)域內(nèi)相對淤積為0.273m，相對沖刷為0.031m，整治工程區(qū)則無相對沖淤變化。從航道內(nèi)的沖淤特點(diǎn)來看，典型水沙年末，航道區(qū)域內(nèi)以絕對沖刷、相對淤積為主，工程實(shí)施后雖然減弱了局部航槽的水動力條件，但相對淤積數(shù)值低于航道絕對沖刷值，對12.5m 深水航道的穩(wěn)定性影響較低。

表2 典型水沙年末工程前后斷面地形相對沖淤最大變化值（m）

3 結(jié)語

本研究通過收集地形、水文以及水沙資料，建立了揚(yáng)中河段的平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，模擬了鎮(zhèn)江危險品錨地疏浚后河段的水力要素及沖淤變化，分析了工程實(shí)施對揚(yáng)中河段通航條件的影響，驗(yàn)證了水沙數(shù)學(xué)模型在工程建設(shè)前的重要論證作用?？傮w而言，本研究中針對鎮(zhèn)江危險品錨地的疏浚工程對于揚(yáng)中河段的水力要素及沖淤情況影響較小，不會改變該河段原有的通航條件。