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(jīng)國家發(fā)改委批準(zhǔn)設(shè)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(chǎn)品運(yùn)輸問題逐步顯現(xiàn),迫在眉睫的就是東方電氣風(fēng)力、潮汐發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品外運(yùn)問題。由于該產(chǎn)品單件重350 t以上,若采用陸路運(yùn)輸則要求對超標(biāo)特種設(shè)備重、大件辦理運(yùn)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(yùn)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(chǎn)品運(yùn)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(shè)臨時(shí)重件碼頭的設(shè)想 (見圖1)。依據(jù)國家計(jì)委、水利部 《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目管理的有關(guān)規(guī)定》(水政[1992]7號)和《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目防洪評價(jià)報(bào)告編制導(dǎo)則》的要求,對河道管理范圍內(nèi)建設(shè)的碼頭工程,應(yīng)進(jìn)行防洪評價(jià),包括分析擬建工程水域江道演變情況、研究和評價(jià)臨時(shí)碼頭建設(shè)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(fù)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(shí),以潮流作用為主,漲潮流頂沖蕭山一側(cè),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(shí),落潮流勢力較強(qiáng),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(nèi)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(cè)主槽或同時(shí)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(shí)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(dá)規(guī)劃線。工程河段規(guī)劃線實(shí)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(dòng)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(huì)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(yàn)。

3 數(shù)學(xué)模型介紹

臨時(shí)碼頭工程的行洪影響可利用垂線平均的平面二維數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行預(yù)測。模型方程包括2個(gè)淺水潮波運(yùn)動(dòng)方程與1個(gè)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(dòng)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(shù)(f=2ω sinφ,φ為緯度,ω為地球自轉(zhuǎn)速度);Cz為謝才系數(shù),取,n為糙率系數(shù);ex,ey分別為x,y方向的渦動(dòng)擴(kuò)散系數(shù);Wx,Wy為x,y方向的風(fēng)應(yīng)力分量;x,y為直角坐標(biāo);t為時(shí)間。

求解上述模型的方法很多,計(jì)算選用基于三角形網(wǎng)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(wǎng)格。為方便離散將式 (1)～(3)寫成統(tǒng)一的計(jì)算表達(dá)式[2]:

其中

對方程(4)進(jìn)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(jì)算通量,△lij為三角形邊長,Si為方程源項(xiàng)。上述離散方程的關(guān)鍵是通量Fnij的計(jì)算,采用近似黎曼解的Roe格式離散對流通量,具體計(jì)算格式從略。

利用上述水流模型計(jì)算得到各方案實(shí)施前后的水動(dòng)力條件變化,進(jìn)而利用半經(jīng)驗(yàn)半理論的回淤強(qiáng)度公式進(jìn)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(cè)設(shè)進(jìn)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(jié)構(gòu),碼頭及其后方均采用實(shí)體結(jié)構(gòu),因此就防洪影響而言,該臨時(shí)碼頭工程可等效為實(shí)施相應(yīng)面積的圍墾工程。

4.2 計(jì)算條件設(shè)計(jì)

由于工程地處強(qiáng)潮河口,工程實(shí)施引起的水位、流速變化除了與江道形勢密切相關(guān)外,還與錢塘江上游徑流、下游潮差大小等條件有關(guān)。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(yù)測采用分汊河勢。根據(jù)相關(guān)研究,工程河段的汛期高水位主要受風(fēng)暴潮控制。結(jié)合工程河段的防洪標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算時(shí)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(fēng)暴潮等潮型,也即計(jì)算時(shí)重點(diǎn)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(jì)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(fēng)暴潮時(shí)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(fēng)暴潮控制;由于臨時(shí)碼頭工程本身及其占用的過水面積較小,臨時(shí)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(fēng)暴潮時(shí)碼頭附近水域高水位變化等值線。

圖2 遭遇1%頻率風(fēng)暴潮時(shí)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(fēng)暴潮時(shí),臨時(shí)碼頭水域的潮動(dòng)力十分強(qiáng)勁。以工程河段遭遇1%頻率風(fēng)暴潮時(shí),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(shí)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(shí)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(shí)施后除工程前沿局部水域流速有所加強(qiáng)外,工程上下游近岸水域的水流都有所減弱,近岸邊灘會(huì)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(jì)算取現(xiàn)狀走南河勢作為數(shù)學(xué)模型計(jì)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(huì)相對較大,預(yù)測結(jié)果是偏安全的。根據(jù)工程前后的水動(dòng)力條件結(jié)合式(6)計(jì)算得到,臨時(shí)碼頭工程建成1 a后和影響達(dá)到平衡后的河床沖淤分布。計(jì)算表明,臨時(shí)碼頭工程對河床沖淤的影響是局部的,不會(huì)對工程河段的河勢產(chǎn)生影響。圖3為工程實(shí)施1 a后的河床沖淤分布圖,圖4為工程影響達(dá)到平衡后的河床沖淤分布圖。由圖可知:①臨時(shí)碼頭工程實(shí)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(huì)有1 m左右的沖刷幅度;工程上下游側(cè)鄰近水域則因?yàn)樵摴こ痰奶袅麟[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(nèi)的淤積幅度超過0.2 m;工程上下游0.2 km范圍內(nèi)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(shí)碼頭工程建設(shè)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(shí)碼頭工程建設(shè)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(dòng)力條件變化可以使河床在2～3 a內(nèi)達(dá)到?jīng)_淤平衡,與所在河段類似工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基本符合。

圖3 工程實(shí)施1 a后的河床沖淤分布圖

圖4 工程影響達(dá)到平衡后的河床沖淤分布圖

5 結(jié) 論

擬建蕭山臨時(shí)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(shí)該工程受上下游2個(gè)150m左右的盤頭掩護(hù)。研究表明,臨時(shí)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(shí)施后除工程前沿局部水域流速有所加強(qiáng)外,工程上下游近岸水域的水流都有所減弱,近岸邊灘會(huì)有所淤積。由于受影響區(qū)域內(nèi)無重要涉水工程,工程對防洪水位影響不大,工程建設(shè)不會(huì)改變或影響河勢,因此蕭山臨時(shí)碼頭對錢塘江河口行洪影響較小。

[1]史英標(biāo).潮汐河口平面二維泥沙輸移及河床變形數(shù)學(xué)模型研究[C].第八屆全國泥沙情報(bào)網(wǎng)學(xué)術(shù)交流會(huì)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(shù)值模擬技術(shù)研究-無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限體積法 [D].南京:南京水利科學(xué)研究院,2006.

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