文章編號(hào)：1006-0081（2019）09-0018-04

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

中圖法分類號(hào)：TV147

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：IO.15974/j.cnki.slsdkb.2019.09.004

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)證成果見表1，流速驗(yàn)證成果見圖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。

（1）工程樁柱增加了過水濕周，從而引起阻力的增加。由于碼頭樁基尺寸小于網(wǎng)格尺寸，采用局部糙率修正的方法進(jìn)行概化[10]，即樁柱處局部綜合糙率為

np=√ n12+n22 （1）式中，np為修正后的局部糙率;n1為樁壁面糙率;n2為河道糙率。

（2）將碼頭平臺(tái)、樁柱等的阻水面積平均加高到相應(yīng)位置的計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，以考慮建筑物的阻水作用。

4.2計(jì)算條件

碼頭上游約45km處有沙市水文站，其間沒有大的支流人匯，沙市站流量可代表公安河段來(lái)水量。計(jì)算工況有以下3種，結(jié)果詳見表2。

（1）1998年洪水的防洪設(shè)計(jì)洪水條件。1998年沙市站實(shí)測(cè)最大流量為53700m3/s，相應(yīng)水位45.22m（凍結(jié)吳淞高程）。由丁沙巾市站至擬建碼頭間無(wú)大的支流，因此1998年擬建工程處最大流量取53700m3/s，通過水面比降推得相應(yīng)水位為40.52m。

（2）防洪設(shè)計(jì)洪水條件。根據(jù)《長(zhǎng)江流域防洪規(guī)劃》，沙市同水位的流量值主要受荊江與洞庭湖匯合口城陵磯水位影響。同樣地，沙市、城陵磯水位低，則泄量大;城陵磯水位高，頂托影響增加，泄量就小。根據(jù)近年資料分析，當(dāng)沙市站水位為防洪設(shè)計(jì)水位45.0m（相應(yīng)城陵磯水位34.40m，凍結(jié)吳淞高程）時(shí)，相應(yīng)泄量采用53200m3/s，因此擬建工程處防洪設(shè)計(jì)洪水取53200m3/s，相應(yīng)水位為40.13m。

（3）平灘流量條件。沙市站的平灘流量約為30000m3/S，因此擬建工程處平灘流量取30000m3/S，相應(yīng)水位為36.35m。

4.3計(jì)算成果分析

4.3.1工程阻水比

碼頭工程阻水面積如表3所示，表中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)所在統(tǒng)計(jì)斷面為過水?dāng)嗝婷娣e變化幅度最大的斷面。

4.3.2壅水計(jì)算分析

碼頭工程修建后，河道水位的變化主要集中在碼頭附近的局部區(qū)域內(nèi)，具體表現(xiàn)為工程上游水位壅高，而其下游水位則有所降低。在不同的上游來(lái)流條件下，水位的變化趨勢(shì)基本一致，但變化幅度不同。選取水位變化dz=0.003m和0.005m兩條等高線繪制水位變化等值線圖（見圖4），水位變化結(jié)果見表4。

4.3.3流速影響計(jì)算分析

工程對(duì)流速的影響主要集中在工程上、下游及碼頭前沿的局部區(qū)域內(nèi)，且影響范圍隨著流量的增加而增大。選取流速變化dv=O.Olm/s和0.02m/s兩條等值線繪制流速變化等值線圖（見圖5），流速變化結(jié)果見表5。

5結(jié)論

本文通過建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了碼頭工程建設(shè)前后附近河段的水位、流速變化情況。數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證表明：流速、水位的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為一致，模型能較好地反映公安河段的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此將該模型用于計(jì)算分析該河道是可行的。計(jì)算結(jié)果表明：①1998年洪水條件下，碼頭附近水位變化的最大值為0.028m，變化值大于0.003m的范圍最遠(yuǎn)到達(dá)工程上游約572m。工程修建對(duì)水位變化的影響較小。②1998年洪水條件下，碼頭附近流速變化的最大值為0.35m，變化值大于0.02m/s的范圍最遠(yuǎn)到達(dá)工程下游約791m。工程修建對(duì)流速變化的影響較小。因此，碼頭工程建設(shè)對(duì)河道水流的影響較小，不會(huì)對(duì)工程河段河勢(shì)、行洪帶來(lái)影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]周成成.三峽水庫(kù)蓄水后荊江河段河床沖淤及水位變化特點(diǎn)分析[C]//三峽工程運(yùn)用10年長(zhǎng)江中游江湖演變與治理學(xué)術(shù)研討會(huì)，2013.

[2]許全喜.三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)水庫(kù)淤積和壩下沖刷研究[J].人民長(zhǎng)江，2012，43（7）：1-6.

[3]于日旻.正交曲線坐標(biāo)系下復(fù)雜邊界二維水流數(shù)值模擬研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[4]周雪漪，計(jì)算水力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1995.

[5] 謝鑒衡.河流模擬[M].北京：水利電力出版社，1990.

[6]謝作濤，張小峰，袁晶，等，一般曲線坐標(biāo)系平面二維水沙數(shù)學(xué)模型研究與應(yīng)用[J].泥沙研究，2005（6）：58-64.

[7]張為，何俊，袁品，等，二維水流數(shù)學(xué)模型在馬家咀航道整治工程防洪評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月）， 2010， 10（12）： 190-192.

[8]趙建鋒，李國(guó)斌，尚倩倩.長(zhǎng)江下游江心洲河段航道整治工程防洪評(píng)價(jià)[J].人民長(zhǎng)江，2013（S1）：73-75.

[9]簡(jiǎn)秋敏，劉軼，李子龍，等.松虎航道整治工程水流數(shù)學(xué)模型的建立與應(yīng)用[J].水利水電快報(bào)，2016，37（7）：27-31.

[1O]張細(xì)兵，余新明，橋渡壅水對(duì)河道水位流場(chǎng)影響二維數(shù)值模擬[J].人民長(zhǎng)江，2003，34（4）：23-24.

（編輯：李曉瀠）

收稿日期：2019-04-08

作者簡(jiǎn)介：吳國(guó)君，女，工程師，主要從事港口航道工程設(shè)計(jì)等方面工作。E-mail： 542640865@qq.com