(1.長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430011；2. 長(zhǎng)江科學(xué)院 農(nóng)業(yè)水利研究所，湖北 武漢 430010)

蘇州港太倉(cāng)港區(qū)現(xiàn)代物流糧油碼頭工程對(duì)航道的影響研究

楊建東1喬偉2

(1.長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢430011；2.長(zhǎng)江科學(xué)院農(nóng)業(yè)水利研究所，湖北武漢430010)

為研究大型碼頭工程建設(shè)對(duì)航道條件的影響，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型，分析了蘇州港太倉(cāng)港區(qū)現(xiàn)代物流糧油碼頭工程修建前后的通航水流條件。對(duì)工程前后分流比和潮位及流速進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明，該工程對(duì)上、下游河勢(shì)及附近河段的防洪及排澇、航道通航造成的影響不大，同時(shí)也論證了碼頭修建的可行性。

航道通航；碼頭；太倉(cāng)港區(qū)

1 工程概況

近年來(lái)，隨著上海國(guó)際航運(yùn)中心建設(shè)速度加快，長(zhǎng)江口12.5 m深水航道上延至太倉(cāng)工程完工，蘇州港太倉(cāng)港區(qū)憑借其得天獨(dú)厚的區(qū)位優(yōu)勢(shì)和水、陸條件，迎來(lái)了一個(gè)全新的高速發(fā)展時(shí)期，國(guó)家計(jì)委、交通部明確將蘇州港太倉(cāng)港區(qū)定位為上海國(guó)際航運(yùn)中心北翼干線港，擬逐步發(fā)展成為以國(guó)際集裝箱運(yùn)輸為主，相應(yīng)開(kāi)展石油化工品及臨江工業(yè)的原材料和產(chǎn)成品運(yùn)輸?shù)亩喙δ?、綜合性重要港口[1]，主要為太倉(cāng)、昆山及蘇州市區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和對(duì)外開(kāi)放提供直接的港口服務(wù)，為蘇錫常地區(qū)乃至長(zhǎng)江沿線腹地的外向型經(jīng)濟(jì)發(fā)展和以集裝箱為主的外貿(mào)物資中轉(zhuǎn)提供港口運(yùn)輸服務(wù)。

太倉(cāng)港沿岸長(zhǎng)江水域?qū)拸V，岸線順直，深水近岸，深槽寬深且長(zhǎng)期穩(wěn)定，掩護(hù)條件良好，波浪較小，長(zhǎng)江主航道中心線偏向港區(qū)一側(cè)，海輪可直達(dá)太倉(cāng)港。為適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水運(yùn)市場(chǎng)需求，位于長(zhǎng)江下游長(zhǎng)江口南支河段瀏河水道南岸七丫口至瀏河口岸段的太倉(cāng)港區(qū)現(xiàn)代物流糧油碼頭工程將開(kāi)始修建，工程總體呈“干”字型布置，擬建17個(gè)大小泊位，具體為：主碼頭建設(shè)10萬(wàn)噸級(jí)泊位1個(gè)，7萬(wàn)噸級(jí)泊位1個(gè)，5萬(wàn)噸級(jí)泊位1個(gè)，1萬(wàn)噸級(jí)泊位1個(gè)，15 000噸級(jí)泊位5個(gè)；二檔碼頭建設(shè)5 000噸級(jí)泊位4個(gè)；近岸碼頭建設(shè)2 000噸級(jí)泊位4個(gè)。使用岸線長(zhǎng)度955 m，年設(shè)計(jì)糧食吞吐量1 800萬(wàn)t。

2 二維水流數(shù)學(xué)模型

為克服天然河道蜿蜒曲折帶來(lái)的計(jì)算域邊界起伏變化較大的問(wèn)題,采用貼體正交曲線坐標(biāo)系下的水流連續(xù)方程和水流動(dòng)量方程。

2.1 水流連續(xù)方程

(1)

2.2ξ方向運(yùn)動(dòng)方程

(2)

2.3η方向運(yùn)動(dòng)方程

(3)

式中,u，v分別為ξ、η兩個(gè)方向的速度，m/s；ω是σ坐標(biāo)系下的垂向速度，m/s；f為柯氏力系數(shù)，依賴于計(jì)算水域所在的緯度φ和地球自轉(zhuǎn)角速度Ω，f=2Ωsinφ；ρ0是水的密度，取103kg/m3；Pξ和Pη分別是(ξ,η,z)坐標(biāo)系中ξ和η方向的靜壓梯度；Fξ和Fη則是ξ,η兩個(gè)方向的湍流動(dòng)量流量，kg/s2·m；νV是垂直渦粘性系數(shù)。

數(shù)值求解上述基本控制方程，便可得到河道水流二維流場(chǎng)。采用有限差分法的ADI法求解上述方程[2]。

2.4 邊界條件及灘地動(dòng)邊界處理

(1)邊界條件。對(duì)于陸地邊界，流速的法向速度為零；對(duì)于水邊界，ξ=i(t)或Q=Qi(t)，Φ=i(t)。其中，ξ、Q為水邊界i上實(shí)測(cè)潮位、流量過(guò)程線，或由天文潮預(yù)報(bào)及插值等方法確定。

(2)灘地動(dòng)邊界。在實(shí)際河道中往往存在較大范圍的灘地等，隨著水位變化，這些淺灘時(shí)露時(shí)沒(méi)，成為影響流動(dòng)的主要因素之一。本文采用網(wǎng)格干濕判別法來(lái)解決這一問(wèn)題。該法是一種眾多學(xué)者常用的動(dòng)邊界模擬技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是方便、易實(shí)現(xiàn)。

其數(shù)值實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：若網(wǎng)格(i,j)在前一時(shí)步為干網(wǎng)格，只要在當(dāng)前時(shí)步滿足以下任一條件，則網(wǎng)格判斷為濕網(wǎng)格，即該網(wǎng)格浸入水中，

(1)Hi-1/2,j>δ；

(2)Hi+1/2,j>δ;

(3)Hi,j-1/2>δ;

(4)Hi,j+1/2>δ。

其中，δ為最小量，取0.05 m。

若網(wǎng)格(i,j)在前一時(shí)步為濕網(wǎng)格，只要在當(dāng)前時(shí)步該網(wǎng)格四邊中點(diǎn)的最大水深小于δ，則該網(wǎng)格判斷為干網(wǎng)格，說(shuō)明該網(wǎng)格露出水面。

2.5 計(jì)算網(wǎng)格的劃分

根據(jù)工程建設(shè)方案的規(guī)模及其影響范圍，要求模型范圍需足夠大。考慮計(jì)算水邊界需遠(yuǎn)離該工程影響的區(qū)域，同時(shí)兼顧到方便獲取水文條件等相關(guān)資料的因素。上游的徐六涇斷面、北側(cè)的崇頭斷面、下游共青圩、橫沙斷面都設(shè)有潮位站，資料比較完整，且遠(yuǎn)離工程區(qū)域，可作為本次計(jì)算的上、下邊界。同時(shí)計(jì)算區(qū)域內(nèi)有多站的潮位、流速資料，為模型的率定和驗(yàn)證提供條件。因此計(jì)算邊界為：徐六涇斷面作為上邊界，崇頭斷面作為北邊界，共青圩、橫沙斷面作為下邊界。

計(jì)算網(wǎng)格采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，為了提高模擬計(jì)算精度及減小計(jì)算工作量，在碼頭工程建設(shè)區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行局部加密，空間步長(zhǎng)最小約10 m；遠(yuǎn)離工程的水域，網(wǎng)格相對(duì)疏一些，如圖1所示。

圖1 數(shù)模計(jì)算網(wǎng)格

2.6 模型驗(yàn)證

(1)潮位驗(yàn)證。主要采用2012年9月25日～10月1日白茆站、楊林站大、小潮期間的實(shí)測(cè)潮位資料，其計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的驗(yàn)證過(guò)程線如圖2所示。從圖中可以看出，潮位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好。

圖2 潮位驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比

圖3 流速及流向驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比

(2)流速及流向驗(yàn)證。采用2012年9月工程區(qū)域的1、2號(hào)水文測(cè)點(diǎn)大潮及小潮期的流速、流向過(guò)程的實(shí)測(cè)資料。其計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的驗(yàn)證過(guò)程線如圖3所示。從圖中可以看出，流速和流向計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好。

通過(guò)模型計(jì)算斷面的潮位和流速可以得出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料吻合均較好，最大誤差均小于5%，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》(JTJ/T233—98)的相關(guān)要求。說(shuō)明二維水流數(shù)學(xué)模型的建立和數(shù)值計(jì)算方法合理，在計(jì)算區(qū)域所建立模型是可靠的，模型及參數(shù)可以用于碼頭防洪工程的計(jì)算。

表1 工程前后各主要口門分流比變化 %

注：表中“+”值表示增加，“-”值表示減少，下同。

3 工程影響分析

3.1 計(jì)算水文條件

本次計(jì)算主要目的是分析碼頭建成后對(duì)鄰近水域防洪的影響，因此所選擇的計(jì)算水文條件應(yīng)為對(duì)防洪最不利的水文條件。

1997年8月18～20日9711臺(tái)風(fēng)形成的風(fēng)、暴、潮三碰頭在長(zhǎng)江口產(chǎn)生高潮位。通過(guò)1919年以來(lái)的潮位資料和《江蘇省水文特征手冊(cè)》分析，1997年年最高潮位為1919年以來(lái)最大值，其重現(xiàn)期為80 a。因此，從長(zhǎng)江口歷年的大潮考慮，應(yīng)選擇1997年8月18～20日的實(shí)測(cè)潮位資料作為計(jì)算的水文條件。1998年的7～8月大通流量最大值為82 100 m3/s，7～8月大通流量約70 000～80 000 m3/s，大流量及高水位持續(xù)的時(shí)間都較長(zhǎng)，僅次于1954年洪水，有些特征值甚至超過(guò)1954年洪水。因此該次計(jì)算采用1998年典型大洪水及1997年典型大潮兩種水文條件。

3.2 工程對(duì)河段內(nèi)河勢(shì)的影響

采用上述模型，在選定的水文條件下進(jìn)行工程前后白茆沙南北水道斷面、新寶山水道上段斷面、南沙頭通道上段斷面，南、北港分流口斷面潮量及分流比較計(jì)算，分析工程建設(shè)對(duì)該河段河勢(shì)的影響。1997年典型大潮及1998年典型大洪水分流比變化計(jì)算結(jié)果如表1 所示。 從表1計(jì)算結(jié)果可以看出，在1998年典型大洪水及1997年典型大潮兩種計(jì)算水文條件下，碼頭工程的實(shí)施對(duì)南水道水流有一定的阻隔作用，白茆沙南斷面和南港斷面的分流比有降低的趨勢(shì)，但變化幅度小于0.02%，對(duì)附近河段主要汊道的潮量基本無(wú)影響。因此工程建成后不會(huì)對(duì)上、下游河勢(shì)造成不利影響。

3.3 工程對(duì)潮位的影響

為了分析糧油碼頭建設(shè)對(duì)附近水域最高、低潮位變化的影響，在擬建碼頭上下游及前沿、附近深槽淺灘處、附近主要通江口門處、主要涉水工程附近等分別布置了30個(gè)計(jì)算比較點(diǎn)，整個(gè)計(jì)算區(qū)域輸出點(diǎn)位置如圖4所示。計(jì)算并統(tǒng)計(jì)出工程前后最高、低潮位變化，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖4 計(jì)算區(qū)域輸出點(diǎn)位置示意

從表2計(jì)算結(jié)果可以看出，碼頭工程建成后，工程上游的低潮位壅高，最大壅高約2 cm，發(fā)生在主碼頭及二檔碼頭上游，工程位置及下游低潮位降低，最大降低約3 cm，發(fā)生在主碼頭下端點(diǎn)附近。在1997年水文條件下，碼頭建成后，工程區(qū)域及緊鄰的上下游最高潮位略有降低，降低的最大幅度約1 cm，在1998年水文條件下，工程前后高潮位無(wú)明顯變化。

綜上所述，糧油碼頭建成后對(duì)漲、落潮流的阻力較小，由此引起的最高潮位壅高不明顯甚至略有降低，最低潮位壅高值不超過(guò)2 cm，所以擬建碼頭工程不會(huì)對(duì)其附近河段的防洪及排澇造成不利影響。

3.4 工程對(duì)船舶通航的影響

在現(xiàn)行航道布置條件下，擬建碼頭工程及其船舶停泊水域距離深水航道及小型船舶推薦航路右側(cè)邊線均有一定安全距離，不占用規(guī)定的航道水域，因此對(duì)航道內(nèi)順航道行駛的船舶影響較小。超大型船舶、大型船舶、高速船舶應(yīng)在深水航道中的通航分道內(nèi)行駛，而小型船舶必須按規(guī)定的推薦航路和特定航路行駛，且要求船舶各自靠右航行。這就要求到港船舶進(jìn)出碼頭時(shí)，有可能穿越主航道水域，因此會(huì)對(duì)在規(guī)定通航分道、推薦航路內(nèi)正常行駛的船舶產(chǎn)生一定影響，建議船舶駕駛?cè)藛T嚴(yán)格遵守本航段內(nèi)關(guān)于船舶避讓的特定規(guī)定：靠離碼頭的船舶，應(yīng)主動(dòng)避讓在規(guī)定的通航分道、推薦航路或特定航路內(nèi)正常行駛的船舶。

表2 工程前后潮位變化

注：表中“+”值表示潮位抬高，“-”值表示潮位降低。

從船舶回旋水域與航道布置關(guān)系來(lái)看，該工程設(shè)計(jì)代表船型10萬(wàn)噸級(jí)散貨船回旋水域均在深水航道外側(cè)，但需借用大部分推薦航路水域，對(duì)沿推薦航路下行的小型船舶有較大影響。建議采取拖帶輪輔助作業(yè)，以減小船舶作業(yè)時(shí)的回旋水域，從而減小船舶回旋作業(yè)對(duì)主航道內(nèi)過(guò)往船舶正常航行的影響。

4 結(jié) 論

通過(guò)構(gòu)建太倉(cāng)港區(qū)現(xiàn)代糧油碼頭工程二維水流模型，分析了該工程建設(shè)前后對(duì)河段內(nèi)河勢(shì)、潮位以及船舶通航的影響，得出如下結(jié)論。

(1)本文所構(gòu)建的二維水流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料吻合均較好，最大誤差均小于5%，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》(JTJ/T233—98)的相關(guān)要求，說(shuō)明該模型的建立和數(shù)值計(jì)算方法合理，在計(jì)算區(qū)域所建立模型是可靠的，模型及參數(shù)可以用于碼頭防洪工程的計(jì)算。

(2)在1998年典型大洪水及1997年典型大潮兩種水文條件下，通過(guò)模型計(jì)算得出，工程建設(shè)前后對(duì)該河段內(nèi)的河勢(shì)、潮位影響均有限，因此，該工程不會(huì)對(duì)上、下游河勢(shì)產(chǎn)生不利影響，也不會(huì)對(duì)其附近河段的防洪及排澇造成影響。

(3)碼頭工程處于白茆河口以下太倉(cāng)港區(qū)。工程局部河床近30 a來(lái)沖淤變化較大，但太倉(cāng)港深槽歷年來(lái)變化較小，穩(wěn)定在河床右側(cè)，且碼頭前沿水域?qū)掗?，水深良好?2.5 m深槽貫通，基本具備碼頭工程建設(shè)的水域條件。在現(xiàn)行航道布置條件下，擬建碼頭水工建筑物及停泊水域均與主航道有一定安全距離，不占用航道水域，對(duì)現(xiàn)行航道布置影響較小，對(duì)未來(lái)航道布置調(diào)整的影響也較小，且擬建碼頭前沿與相鄰碼頭前沿線平順銜接，因此認(rèn)為，該碼頭平面布置基本滿足航道管理規(guī)定要求。

[1] 梁碧,王平義. 金沙江銀江大件碼頭對(duì)航道的影響研究[J].山西建筑,2009,35(19):367-368.

[2] 楊小文,許光祥.祥利碼頭工程對(duì)航道的影響研究[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,28(5):934-937.

(編輯：唐湘茜)

2017-04-20

楊建東，男，長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，工程師.

1006-0081(2017)08-0017-05

U612.32

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