碼頭工程建設(shè)對(duì)長(zhǎng)江中游典型河段水流影響的數(shù)值模擬研究

　　摘要：為了研究碼頭工程建設(shè)對(duì)荊江公安河段河道水流的影響，通過(guò)建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析了工程建設(shè)前后附近河段的水位、流速變化情況。結(jié)果表明：工程建設(shè)對(duì)其所在河段的水位和流速影響較小，不會(huì)對(duì)工程河段河勢(shì)、行洪帶來(lái)較大影響。建立的二維水流數(shù)學(xué)模型可準(zhǔn)確模擬工程河段水流運(yùn)動(dòng)特性，可為研究工程前后河道水流、水位變化提供較為可靠的依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：水位;流速;數(shù)學(xué)模型;碼頭工程;公安河段;長(zhǎng)江中游

　　1概況

　　1.1河段概況

　　長(zhǎng)江是我國(guó)第一大河流，其干支流通航里程已超過(guò)6.5萬(wàn)km，占全國(guó)內(nèi)河的52%，水運(yùn)量占80%，是溝通我國(guó)東、中、西部地區(qū)的水路運(yùn)輸大動(dòng)脈，在流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有極其重要的地位，素有“黃金水道”之稱。目前，長(zhǎng)江干線已成為世界上運(yùn)輸最繁忙、運(yùn)量最大的通航河流。與其他交通運(yùn)輸方式相比，長(zhǎng)江水運(yùn)具有占地少、成本低、能耗小、污染輕、運(yùn)能大、效益高等優(yōu)勢(shì)。隨著水運(yùn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，長(zhǎng)江沿岸碼頭工程的數(shù)量越來(lái)越多，碼頭對(duì)附近水域產(chǎn)生的阻水作用很有可能對(duì)該河段的河勢(shì)及行洪產(chǎn)生影響。因此，研究碼頭建設(shè)對(duì)其所在河段水流的影響極為必要。本文以荊江公安河段左岸某碼頭工程為例，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型，對(duì)工程建設(shè)前后的河道水流流速、水位的變化情況進(jìn)行了模擬計(jì)算，為該河段工程建設(shè)提供技術(shù)支撐。

　　長(zhǎng)江公安河段上起觀音寺，下止新廠，全長(zhǎng)約54km，由陡湖堤河彎、郝穴河彎及過(guò)渡段組成，河型為微彎分汊。據(jù)歷史資料記載，白元朝至1756年，陡湖堤至郝穴河段為單一的微彎河段，從觀音寺到馬家寨，河道緊靠現(xiàn)在的荊江大堤。1830年后，隨著陡湖堤河彎南岸不斷崩塌，河面不斷展寬，逐漸形成突起洲。郝穴河彎中的采石、白沙、新淤、新泥和白腳等5個(gè)江心洲將河道分為左、右兩汊，左汊為主河槽，右汊即黃水套。1852年起，郝穴一帶開(kāi)始實(shí)施護(hù)岸，由于歷年泥沙的不斷淤長(zhǎng)，采石洲等5個(gè)江心洲逐漸聯(lián)成一個(gè)整體，成為現(xiàn)在的南五洲。近30a來(lái)，公安河段河勢(shì)演變基本平穩(wěn)，岸線、深泓及灘槽位置相對(duì)穩(wěn)定。隨著三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用，大量泥沙被攔截在庫(kù)內(nèi)，下泄泥沙量大幅度減少，公安河段沖刷強(qiáng)度普遍增[1-2]，公安河段河勢(shì)見(jiàn)圖1。

　　1.2工程概況

　　碼頭工程位于荊州市江陵縣郝穴鎮(zhèn)城區(qū)上游，長(zhǎng)江左岸的郝穴作業(yè)區(qū)，對(duì)應(yīng)荊江大堤樁號(hào)為鄂江左712+492-712+960。上距在建的荊州長(zhǎng)江公鐵大橋約4.5km、距沙市水文站約45km，下距江陵縣城約3km。

　　碼頭工程水工建筑物主要為4個(gè)3000噸級(jí)貨運(yùn)泊位，包括高樁直立式碼頭1座，浮碼頭2座(見(jiàn)圖2)。為了減少碼頭對(duì)荊江大堤的不利影響，碼頭采用順岸布置，碼頭前沿線與上游中航糧油綜合碼頭前沿線呈折線，夾角為174°，布置丁21-22m等高線附近，與水流方向基本一致。泊位總長(zhǎng)468m。

　　高樁碼頭平臺(tái)長(zhǎng)220m，寬25m，頂標(biāo)高40.5m。碼頭平臺(tái)通過(guò)2座引橋和1條皮帶機(jī)廊道分別與大堤和后方陸域廊道相接，上游1號(hào)固定引橋長(zhǎng)58.4m，寬12m，下游2號(hào)固定引橋長(zhǎng)75m，寬12m，2座引橋與大堤平交后，通過(guò)下堤道路與規(guī)劃道路連接。皮帶機(jī)廊道布置在1號(hào)固定引橋的上游側(cè)，采用多跨鋼引橋結(jié)構(gòu)跨堤，并與后方陸域廊道對(duì)接。

　　浮碼頭每個(gè)泊位從江側(cè)往大堤方向均設(shè)置1艘75.0mx16.0m(長(zhǎng)×寬)鋼質(zhì)躉船、2座鋼撐桿系統(tǒng)、1座60mx4.5m(長(zhǎng)×寬)活動(dòng)鋼引橋和1座轉(zhuǎn)運(yùn)樓墩臺(tái)，墩臺(tái)頂高40.77m。兩個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)樓墩臺(tái)之間各通過(guò)1座鋼引橋連接到2號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)樓墩臺(tái)，墩臺(tái)頂高程47.70m，2號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)樓墩臺(tái)通過(guò)固定鋼引橋與后方陸域連接，引橋全長(zhǎng)360.74m，寬8m。

　　2模型原理

　　本次數(shù)學(xué)模型基于正交曲線坐標(biāo)系下沿水深平均的平面二維水流運(yùn)動(dòng)方程組，微分方程的數(shù)值離散采用有限體積法[3-8]。定解條件包括初始條件與邊界條件，邊界條件為上游給定垂線平均流速沿河寬的分布，下游出水位沿河寬的分布。對(duì)于岸邊界，則采用水流無(wú)滑移條件，即取岸邊水流流速為0。在計(jì)算時(shí)，由計(jì)算開(kāi)始時(shí)刻上、下邊界的水位確定初始條件，初始流速取0，隨著計(jì)算的進(jìn)行，初始條件的偏差將逐漸得到修正，對(duì)最終計(jì)算結(jié)果的精度不會(huì)產(chǎn)生影響[9]。

　　3模型建立與驗(yàn)證

　　3.1模型建立

　　模型選取觀音寺附近至茅林口全長(zhǎng)約49.15km的河段作為二維數(shù)學(xué)模型的計(jì)算區(qū)域(見(jiàn)圖1)。計(jì)算河段的地形資料采用2016年10月實(shí)測(cè)地形資料。

　　計(jì)算網(wǎng)格采用正交曲線網(wǎng)格，在工程河段布置600x120個(gè)網(wǎng)格，其中ξ方向網(wǎng)格數(shù)600個(gè)，平均斷面間距8lm;η方向網(wǎng)格數(shù)120個(gè)，平均網(wǎng)格寬度約33m。同時(shí)，為使網(wǎng)格大小與工程實(shí)際尺寸一致，對(duì)工程附近的局部河段進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理。

　　3.2模型驗(yàn)證

　　采用2014年12月該河段實(shí)測(cè)的水面線與垂線平均流速資料進(jìn)行水位與流速驗(yàn)證。水位驗(yàn)證成果見(jiàn)表1，流速驗(yàn)證成果見(jiàn)圖3。水位、流速計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本一致，水位誤差大部分在5cm以內(nèi)，流速誤差在0.1m/s之內(nèi)，符合JST/T231-4-2018《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》要求。因此，模型中相關(guān)參數(shù)的取值是合理的，可以模擬碼頭修建對(duì)河道水位與垂線平均流速的影響。

　　4工程影響計(jì)算分析

　　4.1工程概化

　　碼頭工程主要阻水建筑物為樁柱、墩臺(tái)，在防洪設(shè)計(jì)洪水時(shí)還有現(xiàn)澆承臺(tái)及部分引橋橋面。為在模型中反映碼頭工程對(duì)河道水流的影響，在網(wǎng)格剖分時(shí)，盡可能在碼頭附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，同時(shí)采用局部地形修正與局部糙率調(diào)整來(lái)進(jìn)行概化處理。

　　推薦閱讀：《水資源保護(hù)》雜志是河海大學(xué)和環(huán)境水利研究會(huì)合辦的科學(xué)技術(shù)期刊。該刊以宣傳貫徹國(guó)家水資源保護(hù)方針政策，反映國(guó)內(nèi)外水資源保護(hù)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，促進(jìn)我國(guó)水資源保護(hù)和管理以及水環(huán)境保護(hù)工作為宗旨。