魯海燕,陳 剛,倪 瑋

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江省河口海岸重點實驗室,浙江 杭州 310020;3.河海大學,江蘇 南京 210098)

1 問題的提出

浙江省 “水運強省”戰(zhàn)略的實施和后方運河水網(wǎng)的完善,為錢塘江港口碼頭的建設帶來了前所未有的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn),大量的原材料需進口及產(chǎn)成品需出口,迫切需要建設“出海碼頭”。但錢塘江航運的發(fā)展一直受到深槽線平面擺動、縱向龐大的沙坎淺水區(qū)和涌潮3個因素的制約。

錢塘江的河口整治,穩(wěn)定主槽、改善航運條件是其主要目標之一。經(jīng)過多年的論證,錢塘江河口確定了澉浦斷面控制16.5 km寬度的規(guī)劃堤線,目前,北岸規(guī)劃堤線已基本實施,南岸的堤線也在實施過程中。經(jīng)全線縮窄治理后,主槽擺動的幅度和頻次大幅消減,尖山北岸岸線到達規(guī)劃堤線后,河勢的控制節(jié)點已基本形成,彎道效應逐漸明顯,尖山河段南岸基本形成一條貼岸的深槽,蕭山、紹興、上虞等市均提出了建港的需求,其中上虞岸段因離澉浦深水航道距離短,水深大,流速及含沙量相對較小等,為建港選址相對較優(yōu)的區(qū)域。但是,上虞新港的建設面臨著一系列的關(guān)鍵技術(shù)問題急待解決:規(guī)劃堤線實施到位后上虞擬建新港區(qū)前沿深槽是否穩(wěn)定存在;乍浦深水港至擬建新港區(qū)潮位及流速如何分布,規(guī)劃堤線到位后其水沙條件如何變化;采取何種形式的船閘布置方式以減小引航道及口門外的淤積,采取何種助航措施和清淤、減淤措施等。

錢塘江河口建港條件的研究已有多位技術(shù)工作者進行了探討[1-2],其主要內(nèi)容是分析了上虞港區(qū)前沿深槽存在的可能性和其可能的深度,未對乍浦深水港區(qū)至上虞港區(qū)的水沙條件進行系統(tǒng)分析。本文建立了平面二維潮流泥沙數(shù)學模型,應用實測水文泥沙資料對模型參數(shù)進行了驗證,模擬了規(guī)劃岸線實施后擬建港區(qū)的水流、泥沙等動力條件,研究了進港條件的一些關(guān)鍵技術(shù):乍浦深水港至擬建新港區(qū)潮位及流速如何分布,規(guī)劃堤線到位后其水沙條件如何變化,這些成果可為上虞港的規(guī)劃和預可方案研究提供技術(shù)依據(jù)。

2 擬建港區(qū)水沙條件概況

上虞擬建港區(qū)位于錢塘江尖山河段南岸上虞與余姚市交界附近的岸段(見圖1),目前北岸尖山和南岸蕭山、紹興岸段已到達規(guī)劃堤線,上虞及余姚正在進行拋壩促淤工程,港區(qū)附近的-5 m等深線基本形成。江道呈 “洪淤潮沖” 的特點。

位于杭州灣灣頂澉浦站實測最大潮差9.0 m,平均潮差5.57m[3]。實測水文資料表明,擬建港區(qū)的潮差較澉浦站增加約0.80 m,港區(qū)曾出現(xiàn)近5 m/s的垂線平均流速。尖山河段泥沙中值粒徑為0.02～0.04 mm,港區(qū)最大垂線平均含沙量為6.01 kg/m3,測點最大含沙量達15.5 kg/m3,平均含沙量為1.35 kg/m3。

圖1 上虞港的位置示意圖

3 平面二維潮流泥沙數(shù)學模型的建立和驗證

錢塘江河口潮強流急,不僅水流存在著涌潮等間斷流動,而且泥沙場也可能存在著間斷現(xiàn)象,因有限體積法具有守恒好、計算穩(wěn)定、分辨高,能模擬間斷流等優(yōu)點,已被廣泛應用于模擬大梯度流動,是近年來計算淺水動力學的發(fā)展方向。潘存鴻等應用基于Boltzmann方程的有限體積KFVS格式求解水流法向數(shù)值通量[4],采用基于準確Riemann解的Godunov格式求解泥沙法向數(shù)值通量,應用干底Riemann解計算動邊界問題[5-6],建立了基于無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格空間二階精度的二維水流和泥沙輸移有限體積法數(shù)值模型[7]。本文采用該方法建立了大范圍的數(shù)學模型。其計算方程及離散格式見文獻[7]。

大范圍數(shù)學模型上邊界取富春江電站,下邊界在蘆潮港及鎮(zhèn)海連線,網(wǎng)格布置見圖2,在計算域內(nèi)共布置69 062個三角形單元,36 065個節(jié)點,最小空間步長為150 m,計算的時間步長為2 s。糙率系數(shù)按漲、落潮分別給定,上游糙率大于下游糙率,漲潮糙率取值0.004～0.015,落潮糙率取值0.006～0.020。

圖2 數(shù)學模型計算網(wǎng)格圖

應用2007,2008,2009年3次實測水文資料驗證了模型,驗證的潮位點達18個,流速點達19個,泥沙測點達6個。因數(shù)學模型計算全范圍內(nèi)缺乏與水文測驗同步的地形資料,驗證地形富春江電站至閘口為2004年3月實測水下地形,閘口至金山與驗證水文資料對應的當年7月水下地形,金山至蘆潮港為2003年4月水下地形。圖3為2009年5月港區(qū)附近實測潮位、流速及含沙量的驗證。結(jié)果表明,潮位和流速的計算值與實測值吻合良好,含沙量驗證基本合理,說明模型參數(shù)選取是合理的,可用于港區(qū)水沙條件的預測。

圖3 港區(qū)潮位、流速、含沙量計算值與實測值對比圖

4 數(shù)學模型計算條件

4.1 地形條件

預測現(xiàn)狀條件下乍浦深水港至港區(qū)水沙條件特點時,閘口至金山采用2007年11月的地形及岸邊界,其余河段與驗證時地形一致。預測規(guī)劃堤線實施后乍浦深水港至港區(qū)水沙條件特點時,閘口至金山以2007年11月的地形為基礎對上虞港區(qū)前沿及附近地形進行人工修正。具體如下:根據(jù)河床演變分析和動床物理模型試驗研究[8],錢塘江河口綜合規(guī)劃堤線實施后,岸邊會出現(xiàn)全線臨水,上虞境內(nèi)堤腳處200 m床面高程為-4.0～-7.0 m,其中東段堤腳床面高程為-6～-7.0 m,岸邊深槽寬約1.0～2.0 km。

4.2 水邊界條件

現(xiàn)狀條件及規(guī)劃堤線實施后,計算采用的上下游水邊界相同,上邊界富春江電站采用1 000 m3/s(接近平均流量),下邊界蘆潮港和鎮(zhèn)海采用大、中、小潮潮位過程。

5 乍浦深水港至港區(qū)的水沙特征

5.1 潮位特征

圖4為乍浦深水港至上虞港區(qū)大、中、小潮期間的水位過程線。由圖可知,由乍浦經(jīng)杭州灣跨海大橋南通航孔至陶家路閘(澉浦對面)至擬建港區(qū),高潮位沿程增大,高潮位由3.55 m增加至4.67 m,增幅達1.12 m;低潮位沿程降低,由-2.65 m降低至-3.08 m,減幅達0.33 m;潮差沿程增大,至擬建港區(qū)達到最大,由6.20 m增加至7.75 m;且漲潮歷時縮短,落潮歷時延長,潮波變形劇烈。

圖4 由乍浦深水港至擬建港區(qū)的水位過程線圖

5.2 流速特征

綜觀整個大面流場,漲潮時,進入杭州灣的潮波由正東方和東南方傳入的2股潮波組成,這2股潮波在金山、王盤一帶會合后,向西南挺進。漲潮流由口門向內(nèi)遞增,到尖山河灣達到最大,受澉浦淺灘的作用,在澉浦斷面分為南股、中股和北股分別上溯,其中北股潮流相對較強,最大流速達4 m/s以上,中股及南股潮流最大流速達3～3.5 m/s,在上虞擬建港區(qū)最大流速為3～3.5 m/s左右。落潮時,在尖山附近分為北股、中股、南股3股落潮流,在澉浦斷面匯合且落入杭州灣,其中北股為主要的落潮流通道。

圖5為上虞港區(qū)漲、落急流速矢量圖,圖6-a為上虞港區(qū)大、中、小潮期間水位流速過程線,圖6-b為乍浦深水港至上虞港區(qū)大潮期最大流速分布圖。由圖可知,通過澉浦斷面上溯的南岸漲潮流與余姚岸線約成40°交角,其頂沖點位置大致在臨海浦閘附近。漲潮流通過頂沖點后,其主流仍然緊貼堤腳,加上受中沙的壓縮作用,這是上虞東段岸邊深槽將得以存在的水動力條件,也是決定上虞港能否上馬的關(guān)鍵因素。上虞港區(qū)前沿漲潮流速為3～3.5m/s,落潮流速一般小于2 m/s,漲急時刻發(fā)生在中潮位附近?？梢?由乍浦深水港至擬建港區(qū)潮強流急,船舶進港時不僅要避開低潮位時水深的不足,同時需要避開漲急時的高流速時段。

圖5 擬建上虞港區(qū)漲、落急流速矢量圖

圖6-a 港區(qū)水位及流速過程線圖

圖6-b 由乍浦深水港至擬建港區(qū)最大流速分布圖

5.3 泥沙特征

圖7為乍浦港至港區(qū)最大含沙量等值線分布圖,圖示表明,乍浦深水港區(qū)含沙量較低,最大垂線平均含沙量約為0.5～1 kg/m3,澉浦泰山附近最大含沙量為2～4 kg/m3,擬建港區(qū)最大含沙量為2～6kg/m3,且在漲急和落急時含沙量達到最大。

6 規(guī)劃堤線實施后擬建港區(qū)潮流水沙條件變化

6.1 潮位變化

規(guī)劃堤線實施后,鹽官—乍浦高潮位抬高0.15～0.25 m,以大缺口—曹娥江口抬高幅度最大。鹽官—大缺口河段低潮位略有抬高,約0.03 m,大缺口—71#斷面低潮位降低約0.05 m,澉浦—乍浦低潮位抬高0.05 m。

6.2 流速變化

尖山河段漲潮流歷時縮短約15 min,相應的落潮流歷時延長約15 min;大缺口—曹娥江口漲潮平均流速增加10%～15%,落潮平均流速減小1%～5%,曹娥江口—澉浦河段北岸漲潮流速增加,南岸漲潮流速減小10%,落潮平均流速減小10%～15%。

6.3 含沙量變化

圖8為規(guī)劃堤線實施后乍浦深水港至港區(qū)的最大含沙量分布圖,其量值及分布規(guī)律與圖7基本一致,可見規(guī)劃堤線實施后,擬建港區(qū)的最大含沙量基本不變。

圖7 現(xiàn)狀條件下乍浦深水港至擬建港區(qū)最大含沙量分布圖

圖8 規(guī)劃堤線實施后乍浦深水港至擬建港區(qū)最大含沙量分布圖

7 結(jié) 論

本文建立了由富春江電站至蘆潮港的潮流泥沙數(shù)學模型,根據(jù)多次實測水文資料對模型進行了驗證,在此基礎上,對現(xiàn)狀岸線條件下上虞港擬建港區(qū)的潮流泥沙場進行了數(shù)值模擬,并對其潮流泥沙特征進行了分析,預測了河口綜合規(guī)劃方案實施后港區(qū)的潮流泥沙場的變化,得到以下主要結(jié)論:

(1)由乍浦至擬建港區(qū),高潮位沿程增大,低潮位沿程降低,潮差沿程增大,且漲潮歷時縮短,落潮歷時延長,潮波變形劇烈。

(2)現(xiàn)狀岸線條件下,擬建港區(qū)的潮差大于澉浦近0.80m,大潮時港區(qū)最大垂線平均流速為3～3.5 m/s,最大垂線平均含沙量為6 kg/m3,出現(xiàn)在漲急和落急時刻。

(3)河口綜合規(guī)劃堤線實施后,港區(qū)附近高潮位抬高0.20m,低潮位降低約0.05 m,港區(qū)漲潮歷時縮短15 min,落潮流歷時延長15 min,港區(qū)附近漲潮流速減小10%左右,含沙量基本無變化。

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