李志永

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

蕭山臨江工業(yè)園區(qū)是經國家發(fā)改委批準設立的省級工業(yè)園區(qū),總規(guī)劃面積74.3 km2。隨著園區(qū)的發(fā)展,園區(qū)企業(yè)重件產品運輸問題逐步顯現(xiàn),迫在眉睫的就是東方電氣風力、潮汐發(fā)電機組產品外運問題。由于該產品單件重350 t以上,若采用陸路運輸則要求對超標特種設備重、大件辦理運輸許可,需對沿線建筑物 (包括橋梁和隧道等)加高、加固甚至作出賠償,相對水路運輸成本較高;但是工業(yè)園區(qū)無出海碼頭。為了解決近期東方電氣迫切需要出廠的產品運輸問題和改變臨江工業(yè)園區(qū)無出海碼頭的現(xiàn)狀,杭州蕭山臨江工業(yè)園區(qū)提出了在蕭圍東線3#隔堤下游約400 m處建設臨時重件碼頭的設想 (見圖1)。依據國家計委、水利部 《河道管理范圍內建設項目管理的有關規(guī)定》(水政[1992]7號)和《河道管理范圍內建設項目防洪評價報告編制導則》的要求,對河道管理范圍內建設的碼頭工程,應進行防洪評價,包括分析擬建工程水域江道演變情況、研究和評價臨時碼頭建設對工程河段行洪及河勢的影響。

圖1 錢塘江河口及工程位置圖

2 工程河段概況

工程地處尖山河段上段,上承鹽官順直河段,下與灣頂澉浦相銜接。江道從工程上游八堡的3.2 km至小尖山驟然放寬至7.1 km,致使?jié)q、落潮流路分歧,河勢復雜多變。海寧尖山圍涂前,工程河段基本呈現(xiàn)2種不同河勢:連續(xù)枯水年徑流偏枯時,以潮流作用為主,漲潮流頂沖蕭山一側,南槽發(fā)育,中沙北靠,為典型走南河勢;連續(xù)豐水年徑流偏豐時,落潮流勢力較強,北槽發(fā)育,中沙南靠,南岸蕭山紹興一帶堤前發(fā)育成寬闊的高灘,為走北河勢;此外,在年內遇洪水較大的梅汛期,工程的上段還常出現(xiàn)分汊河勢,中沙處于江中,南、北兩側主槽或同時存在,或其中一槽為支汊或不貫通。

1997年尖山北岸治江圍涂工程實施以來,岸線發(fā)生較大變化。至2007年,尖山河段北岸及南岸蕭圍東線海堤已全部到達規(guī)劃線。工程河段規(guī)劃線實施后現(xiàn)狀河勢形成——深槽基本穩(wěn)定在蕭圍東線前沿。但是,由于工程河段徑、潮流雙向水流作用的動力條件未發(fā)生大的改變,河灣形式也未發(fā)生根本改變,因此,尖山河段 “洪淤潮沖”特性也不會改變,工程河段的河勢及深槽的穩(wěn)定性還有待未來連續(xù)豐水年的考驗。

3 數學模型介紹

臨時碼頭工程的行洪影響可利用垂線平均的平面二維數學模型來進行預測。模型方程包括2個淺水潮波運動方程與1個連續(xù)方程[1],具體如下:

方程(1)為水流連續(xù)方程,方程(2)、(3)為x,y方向的動量守恒方程。式中:z為水位(m);u,v分別為x,y方向上的垂線平均流速分量(m/s);h為水深(m);g=9.81 m/s2為重力加速度;f為柯氏力參數(f=2ω sinφ,φ為緯度,ω為地球自轉速度);Cz為謝才系數,取,n為糙率系數;ex,ey分別為x,y方向的渦動擴散系數;Wx,Wy為x,y方向的風應力分量;x,y為直角坐標;t為時間。

求解上述模型的方法很多,計算選用基于三角形網格的有限體積法離散,變量取在三角形形心,控制體采用三角形網格。為方便離散將式 (1)～(3)寫成統(tǒng)一的計算表達式[2]:

其中

對方程(4)進行積分可得離散方程組:

式中,Ai為控制體三角形的面積,Fnij為三角形各邊的計算通量,△lij為三角形邊長,Si為方程源項。上述離散方程的關鍵是通量Fnij的計算,采用近似黎曼解的Roe格式離散對流通量,具體計算格式從略。

利用上述水流模型計算得到各方案實施前后的水動力條件變化,進而利用半經驗半理論的回淤強度公式進行沖淤估算,算式如下[3]:

4 工程行洪影響分析

4.1 工程概況

工程總投資約3400萬元,擬建在蕭圍東線3#隔堤下游約400 m處 (見圖1)。碼頭長102 m,寬28 m;碼頭前沿頂高程7.60m,碼頭前沿線距離現(xiàn)狀海堤軸線70 m。碼頭采用重力式,西側設進場道路、上下游各1段,與碼頭軸線夾角為20°,道路長約137 m。由于碼頭采用的是重力式結構,碼頭及其后方均采用實體結構,因此就防洪影響而言,該臨時碼頭工程可等效為實施相應面積的圍墾工程。

4.2 計算條件設計

由于工程地處強潮河口,工程實施引起的水位、流速變化除了與江道形勢密切相關外,還與錢塘江上游徑流、下游潮差大小等條件有關。尖山河段目前主要以走南和分汊2種河勢為主,對相同的工程而言走南河勢占用的過水面積及行洪影響相對較大,但汛期工程河段以分汊河勢較為多見,故行洪影響預測采用分汊河勢。根據相關研究,工程河段的汛期高水位主要受風暴潮控制。結合工程河段的防洪標準,計算時上邊界主要考慮頻率10%和頻率1%的洪水流量,下邊界主要考慮大潮和1%風暴潮等潮型,也即計算時重點考慮了工程河段遭遇洪汛、臺汛2種工況的影響 (見表1)。

表1 碼頭防洪影響計算典型工況

4.3 對汛期高水位的影響

研究表明,錢塘江河口遭遇1%頻率風暴潮時工程河段高水位變化幅度略大于上游遭遇1%頻率洪水的變化幅度,工程河段汛期的高水位主要受風暴潮控制;由于臨時碼頭工程本身及其占用的過水面積較小,臨時碼頭工程對汛期高水位的影響主要局限2#～3#盤頭之間的近岸水域,受碼頭阻水作用,汛期高水位有0.01～0.02 m的抬高,但對其他區(qū)域影響很小。圖2為錢塘江河口遭遇1%頻率風暴潮時碼頭附近水域高水位變化等值線。

圖2 遭遇1%頻率風暴潮時高水位變化等值線圖

4.4 對漲落潮流速的影響

工程河段遭遇1%頻率風暴潮時,臨時碼頭水域的潮動力十分強勁。以工程河段遭遇1%頻率風暴潮時,漲、落潮流速變化來說明工程河段漲落潮流速的影響。工程實施后,平面流態(tài)總體上差異不大,流態(tài)變化主要集中在碼頭附近的局部水域。受工程影響,上游約0.8 km,下游約0.4 km范圍的漲潮平均流速減小幅度超過0.10m/s,流速減小百分比在5%以上;落潮時工程上游—3#盤頭、工程下游約0.8 km范圍的落潮平均流速減小0.05 m/s以上,流速減小幅度在2%以上,工程外圍水域影響逐漸減小。因此,工程實施后除工程前沿局部水域流速有所加強外,工程上下游近岸水域的水流都有所減弱,近岸邊灘會有所淤積。

4.5 對河床的影響

工程對河床沖淤分布及河勢的影響計算取現(xiàn)狀走南河勢作為數學模型計算的基本條件,對于同一工程上述河勢下占用的過水面積會相對較大,預測結果是偏安全的。根據工程前后的水動力條件結合式(6)計算得到,臨時碼頭工程建成1 a后和影響達到平衡后的河床沖淤分布。計算表明,臨時碼頭工程對河床沖淤的影響是局部的,不會對工程河段的河勢產生影響。圖3為工程實施1 a后的河床沖淤分布圖,圖4為工程影響達到平衡后的河床沖淤分布圖。由圖可知:①臨時碼頭工程實施后,除碼頭前沿局部水域因工程的局部擾流作用存在一定幅度的沖刷外,河床以淤積為主;②受工程影響,碼頭前沿河床將會有1 m左右的沖刷幅度;工程上下游側鄰近水域則因為該工程的挑流隱蔽作用,呈現(xiàn)一定幅度的淤積,淤積影響貼岸呈帶狀分布,外圍水域淤積影響逐漸減小。工程上游1.2 km(3#隔堤上游0.6 km)、下游1.2 km(2#隔堤附近)范圍內的淤積幅度超過0.2 m;工程上下游0.2 km范圍內的淤積幅度超過1.0 m,工程附近近岸區(qū)域最大淤積幅度2.0～3.0 m?？傮w上看,因臨時碼頭工程建設引起的年沖淤幅度小于工程河段現(xiàn)狀條件下的河床季節(jié)性沖淤變化幅度;③臨時碼頭工程建設后第1年的淤積約占最終平衡狀態(tài)下的淤積量的40%～50%,工程引起的水動力條件變化可以使河床在2～3 a內達到沖淤平衡,與所在河段類似工程的實踐經驗基本符合。

圖3 工程實施1 a后的河床沖淤分布圖

圖4 工程影響達到平衡后的河床沖淤分布圖

5 結 論

擬建蕭山臨時碼頭工程規(guī)模較小,離岸70 m左右,占用的過水面積較小,同時該工程受上下游2個150m左右的盤頭掩護。研究表明,臨時碼頭工程對汛期高水位的影響主要局限于2#～3#盤頭之間的近岸水域,受碼頭阻水作用,汛期高水位有0.01～0.02 m的抬高,但對其他區(qū)域影響很小;工程前后平面流態(tài)總體差異不大,變化主要集中在碼頭附近的局部水域,工程實施后除工程前沿局部水域流速有所加強外,工程上下游近岸水域的水流都有所減弱,近岸邊灘會有所淤積。由于受影響區(qū)域內無重要涉水工程,工程對防洪水位影響不大,工程建設不會改變或影響河勢,因此蕭山臨時碼頭對錢塘江河口行洪影響較小。

[1]史英標.潮汐河口平面二維泥沙輸移及河床變形數學模型研究[C].第八屆全國泥沙情報網學術交流會論文集.烏魯木齊:新疆人民出版社,2000.

[2]于普兵.二維淺水水流數值模擬技術研究-無結構網格有限體積法 [D].南京:南京水利科學研究院,2006.

[3]錢繼春,史英標,張舒羽.濱海灘涂動態(tài)演變數值模擬研究及應用 [J].水道港口,2009(4):82-88.