倪靖宇,白志剛
(1.天津大學(xué),天津 300073;2.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200120)
為滿足天津臨港港區(qū)口門段泊位的建設(shè)需要,現(xiàn)擬在大沽沙航道現(xiàn)有防波堤的基礎(chǔ)之上延續(xù)修建東、北防波堤潛堤段工程,該工程共有南北兩條海堤構(gòu)成,全長3 850 m。工程建成后將與已建東、北防波堤銜接并連成一體,會在大沽沙主航道兩側(cè)形成阻航屏障,切斷了東沽漁船原有的航行路線,漁船必須繞行本工程的南側(cè)水域方可通行。由于增加了航行里程,導(dǎo)致漁船進(jìn)出港的時(shí)間變長,油耗增多。為此,決定設(shè)計(jì)一套減少航行里程,方便漁船通航的防波堤建設(shè)調(diào)整方案。
方案設(shè)計(jì)原則如下:
1)盡量減少對大沽沙主航道大型運(yùn)輸船舶的正常航行安全的影響;
2)確保已建東、北防波堤及擬建東、北防波堤潛堤段的堤身安全;
3)不對船舶在港內(nèi)的正常作業(yè)和安全靠泊產(chǎn)生影響;
4)確保漁船通航的安全。
擬建防波堤共分為兩個(gè)標(biāo)段:一標(biāo)段位于大沽沙主航道南側(cè),包括一條防波堤和一座燈塔,防波堤起點(diǎn)為現(xiàn)狀東防波堤東端點(diǎn),沿與航道平行的方向向海側(cè)延伸1 500 m,堤頂高程5.5 m為出水堤;二標(biāo)段位于大沽沙主航道北側(cè),包括一條防波堤,一座燈塔,兩座燈浮標(biāo)和一座AIS航標(biāo),防波堤起點(diǎn)為現(xiàn)狀北防波堤東端點(diǎn)沿與航道平行的方向向海側(cè)延伸2 350 m,堤頂高程5.5 m為出水堤,堤頂高程2.5 m為潛堤[3]。
為準(zhǔn)確計(jì)算漁船通航尺度要求,筆者對東沽漁港進(jìn)行了實(shí)地考察,通過漁政管理部門的統(tǒng)計(jì)資料查得,東沽東沽漁港注冊的漁船共有47艘,選取船型尺度最大的津塘漁02358/02259作為本次方案的設(shè)計(jì)代表船型。根據(jù)漁民要求,方案的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按照雙向通航,全潮航行的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。
1)通航寬度
航道通航寬度計(jì)算根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS-165-2013)[2]6.4.2節(jié),雙線通航公式計(jì)算:
算得W=58.27 m,取整為W=60 m。
2)通航水深
航道通航水深計(jì)算根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS-165-2013)6.4.6節(jié)公式計(jì)算:
算得D0=4.49 m,取整為D0=4.50 m。
按照全潮通航設(shè)計(jì)時(shí),水位取該海域設(shè)計(jì)低水位0.5 m,則航道設(shè)計(jì)開挖底高程=0.5-4.5=-4.0 m(新港理論最低潮面作為基準(zhǔn)面,下同)。
根據(jù)工程區(qū)的水深測圖,該區(qū)域現(xiàn)狀水深較大,灘面高程在-4.5~-6.5 m,故水深滿足要求,無需進(jìn)行疏浚和開挖。
綜合考慮工程各方面的實(shí)際情況,初步擬定如下兩個(gè)平面布置方案。方案1漁船通道緊鄰已建防波堤堤頭,航線長度最短,但該位置正處在新老防波堤轉(zhuǎn)折銜接處,易出現(xiàn)波浪集中、潮流紊亂的情況,漁船在這里通航安全性最差;方案2為避開新老防波堤轉(zhuǎn)角浪流匯集的問題,特將漁船通道沿?cái)M建防波堤軸線平移了200 m,漁船通道對稱布置。
方案1:擬在新老防波堤接點(diǎn)處,東堤C點(diǎn)、北堤G點(diǎn),布置對稱通道,寬度均為60 m,平面位置詳見圖1。
方案2:擬在新建防波堤起點(diǎn)段附近,布置對稱通道,寬度均為60 m,平面位置詳見圖2。
圖1 漁港通道方案1平面布置示意
圖2 漁港通道方案2平面布置示意
潮流計(jì)算采用Mike 21軟件的三角形網(wǎng)格水動(dòng)力模塊(HD模塊),水流運(yùn)動(dòng)控制方程是二維淺水方程,在控制方程的求解過程中使用有限體積法進(jìn)行離散,使用三角形網(wǎng)格;時(shí)間積分采用顯式歐拉格式;計(jì)算中采用干濕網(wǎng)格方法對淺灘進(jìn)行考慮;模型邊界水位由中國近海潮汐軟件Chinatide提供并根據(jù)潮汐預(yù)報(bào)表和實(shí)測水位進(jìn)行人為調(diào)整以使計(jì)算水位與實(shí)測水位基本重合。
本工程位于渤海灣內(nèi),港口邊界復(fù)雜,防波堤和航道深入外海較遠(yuǎn),為考慮外海地形變化對潮流場及航道的影響,模型范圍取為包括整個(gè)渤海灣在內(nèi)的水域,計(jì)算水域面積約為1.3萬km2,并在工程附近海域進(jìn)行局部加密來模擬潮流場。模型網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格,模型的最小網(wǎng)格邊長為10 m,計(jì)算時(shí)間步長為0.5 s。方案設(shè)計(jì)中漁船通道處航道底寬為60 m,兩側(cè)為斜坡堤,為此在網(wǎng)格劃分中取航道底兩側(cè)各約40 m范圍為從斜坡頂?shù)胶降赖撞烤€性變化的地形,方案2與方案1相近不再羅列[4]。
由大范圍漲落急流場圖可以看出,港區(qū)南部外海漲落潮方向基本為W-E向,港區(qū)東部和北部外海漲落潮方向?yàn)槠玏NW-ESE方向,港區(qū)附近在漲潮期間口門外側(cè)潮流分為向西北、西南和港內(nèi)方向流動(dòng),落潮期間流向相反,潮流在港區(qū)口門外側(cè)匯合后向東流動(dòng),防波堤延伸段對整體流場影響不大。由于大范圍流場圖無法看出漁船通道實(shí)施后的局部流場變化,因此根據(jù)漁船通道處的流速情況作出了不同方案實(shí)施后的漁船通道局部的流場[5],詳見圖3和圖4。
圖3 漲潮局部流場
圖4 落潮局部流場
從不同方案的局部流場圖來看,港外的潮流沿北防波堤和東防波堤延伸段流動(dòng)到漁船通道附近后從漁船通道位置進(jìn)出港內(nèi),北防波堤漁船通道處水流在漲潮期間流入港內(nèi),落潮期間港內(nèi)水體沿漁船通道流向港外,但東防波堤漁船通道處水流方向受外部水體影響大部分時(shí)間港外水流由漁船通道處流向港內(nèi)然后與港內(nèi)水體匯合一起沿航道方向流動(dòng),只有在漲潮轉(zhuǎn)為落潮期間東防波堤漁船通道處的水流才由港內(nèi)流向港外。
為了對漁船通道內(nèi)流速進(jìn)行分析,在每個(gè)方案的漁船通道處設(shè)置了3排每排5個(gè)共15個(gè)流速采樣點(diǎn),除漁船通道附近布置流速采樣點(diǎn)外進(jìn)行分析,由于船舶航行時(shí)受橫流影響較大,本次分析統(tǒng)計(jì)了不同方案漁船通道中線處的最大橫向、順向流速,詳見表1。
表1 漁船通道附近大潮流速計(jì)算結(jié)果
由計(jì)算結(jié)果可知,不同方案均在漁船通道靠近港池內(nèi)側(cè)的采樣點(diǎn)橫流較大,且東防波堤漁船通道內(nèi)最大橫流流速小于北防波堤,不同方案北防波堤漁船通道最大橫流為0.45~0.50 m/s,最大順流流速為0.59~0.64 m/s。
根據(jù)文獻(xiàn)[6]中潮流數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)的研究結(jié)論,東、北防波堤潛堤段工程建成后,航道附近回流范圍和強(qiáng)度明顯減弱,口門航道處水流平順,橫流較小,最大橫流在0.14 m/s左右。
根據(jù)本次潮流數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)的研究結(jié)論,兩方案均在開口靠近航道內(nèi)側(cè)的采樣點(diǎn)處橫流較大,東防波堤漁船通道內(nèi)最大橫流小于北防波堤漁船通道,北防波堤開口附近最大橫流為0.45~0.50 m/s。
根據(jù)上述兩次潮流數(shù)模試驗(yàn)的研究數(shù)據(jù)可知,漁船通道實(shí)施后對大沽沙航道靠近漁船通道開口內(nèi)側(cè)附近水域的橫流流速影響較大。參考《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中5.3.2條款,航道口門區(qū)的水面最大流速應(yīng)符合表2規(guī)定。
表2 口門區(qū)水面最大流速限值
由數(shù)模結(jié)論可知,本次研究方案中漁船通道口門處垂直航線的橫向流速0.45~0.50 m/s,已超過表2中數(shù)值,不滿足規(guī)范要求,故從橫向流速方面判斷實(shí)施漁船通道兩個(gè)方案均不可行。
漁船通道對大范圍漲落急流場的影響不大,但對通道局部水域的影響較為顯著,而且通道寬度越窄,流態(tài)變化越明顯,紊流和擾流多集中在通道口門處,詳見圖3和圖4。由流場分析結(jié)果可知,方案2較方案1在潮流梳理方面稍有優(yōu)勢,但無論通道寬度是60 m還是200 m均無法避免在通道口門附近出現(xiàn)較為集中的潮流紊亂現(xiàn)象,漲落潮期間的局部流場紊亂會給漁船通航帶來操船困難,對漁船航行安全十分不利,加之通道口門兩側(cè)為保護(hù)新建防波堤而設(shè)置了堤頭防護(hù)措施,在潮流紊亂的情況下極有可能出現(xiàn)漁船擱淺、碰撞的情況。因此,從工后流場情況分析上看,漁船通道同樣不可行。
從潮流數(shù)模分析得出的結(jié)論可知,在高標(biāo)準(zhǔn)航道防波堤上預(yù)留漁船通道是不合理、不科學(xué)、不滿足通航安全要求的,該結(jié)論可以推廣應(yīng)用至其他類似項(xiàng)目當(dāng)中。另外,在解決現(xiàn)代航運(yùn)和傳統(tǒng)漁業(yè)共生矛盾的路徑問題上,筆者認(rèn)為從工程設(shè)計(jì)階段著手為時(shí)已晚,應(yīng)該在港口規(guī)劃論證階段全面調(diào)查、重點(diǎn)分析,對應(yīng)予保護(hù)的漁業(yè)設(shè)施做好選址遷建,最大限度地保護(hù)漁民的生存權(quán)利,同時(shí)也避免為港口后續(xù)的建設(shè)和運(yùn)營留下隱患。