蔡劍武

(深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司福建分公司,福建 福州 350001)

1 研究背景

根據福州市委、市政府整合開發(fā)閩江沿岸旅游資源,高標準、高起點推進閩江游項目發(fā)展的重要決定,做大做強濱江濱海旅游市場的產業(yè)鏈,服務“海上福州”建設,擬建設倉山區(qū)會展島游艇碼頭項目位于魁浦大橋的上游,緊靠海峽國際會展中心,地理坐標東經119°22′、北緯26°1。

碼頭工程主要由水域部分及陸域部分組成,其中阻水部分主要包含碼頭陸域、浮碼頭定位樁等阻水體,由于游艇碼頭的建設,勢必會占用閩江部分行洪斷面,造成河道壅水及河勢變化,同時閩江洪水也會對擬建工程自身防洪安全造成影響,因此急需對工程建設前后的水位及流速等變化做出定量分析,以便優(yōu)化工程布置并提出影響補救措施。研究表明,工程建筑物壅水計算方法主要有經驗公式法、模型試驗法及數值模擬法,由于本工程布置較為復雜,且同時受閩江干流洪水及外海潮位雙重作用影響,目前尚未有精度高、可靠性強并滿足設計需求的經驗公式法可以使用。近幾年來,隨著計算機技術的飛速發(fā)展,一維及二維水動力模型運用的越來越廣泛,其在水利、環(huán)境、港口航道等工程領域中發(fā)揮的作用越來越明顯,為工程設計、洪水影響評價等方面提供了極其重要的指導作用。

本文以閩江下游北港擬建倉山區(qū)會展島游艇碼頭工程為例,根據閩江下游河道實測地形及工程區(qū)域2018年最新實測地形,利用MIKE21模型建立平面二維水流數學模型,計算分析游艇碼頭建設前后的水動力條件,為工程設計及洪水影響評價提供技術支撐。

2 數學模型建立

2.1 計算河段選擇及網格布置

二維數學模型計算河段上迄竹岐水文站斷面,下至白巖潭斷面,網格節(jié)點數78 178個,網格單元數146 851個,計算河段網格見圖1。為了盡可能準確的反映工程區(qū)域的流場,對碼頭局部網格進行加密處理,計算河段網格布置見圖2。

圖1 竹歧～白巖潭計算網格圖 圖2 游艇碼頭局部計算網格圖

2.1.1 設計洪水

1)干流竹歧站設計洪水

閩江下游設計洪水以竹岐水文站為代表站,該站控制集雨面積54 500 km2,占南、北港分流口淮安村以上集雨面積99.6%。本次設計洪水沿用水口水電站初步設計報告中的竹岐站設計洪水,即Qm=17 800 m3/s,Cv=0.33,Cs=3Cv,相應200 a一遇洪峰流量38 300 m3/s,100 a一遇洪峰流量35 600 m3/s。

2)白巖潭斷面設計洪水

白巖潭斷面洪水系由閩江竹岐站、大樟溪永泰站及該二站以下區(qū)間洪水組合的結果。由于區(qū)間匯入流量僅占總量2%以下,因此,本設計將忽略不計。另外,由于竹岐站至白巖潭斷面的洪水傳播時間與永泰站至白巖潭斷面的傳播時間相近,該二站距白巖潭斷面的距離不長,河道調蓄作用不很大。因此,為簡化處理起見,本次將竹岐站與永泰站同時刻流量和近似作為白巖潭斷面的相應流量。經統計分析,組合后的Q=17 950 m3/s,Cv=0.37,Cs/Cv=3.0,相應200 a一遇組合洪水流量為41 800 m3/s,100 a一遇組合洪水流量為38 600 m3/s。

2.1.2 白巖潭設計潮水位

根據白巖潭站1954-1998年實測潮水位資料,統計各年4-7月最高潮位,并用P-Ⅲ型分布進行頻率計算,根據成果可知8-10月潮位略低于4-7月,因此白巖潭以上河段的起始水位由4-7月的潮位決定。本次采用白巖潭站4-7月年最高潮位頻率適線成果。鑒于1998年“6.23”實際發(fā)生洪水白巖潭實測潮位已達6.61 m,因此在閩江下游防洪整治設計時,經研究討論100 a一遇白巖潭起始水位采用6.61 m,其余頻率為:200 a一遇采用6.66 m。

圖3 200年一遇洪水工況下游艇碼頭建設前后河道水位分布變化

圖4 100年一遇洪水工況下游艇碼頭建設前后河道水位分布變化

圖5 不同設計洪水工況下工程游艇碼頭建設前后流速矢量疊加圖

3 成果分析

3.1 游艇碼頭建設水位的影響分析

根據模型計算,提取不計算工況條件下擬建游艇碼頭工程前后河道水位變化等值線見圖3～圖4。由圖可知,擬建游艇碼頭工程實施后,其對不同設計洪水工況下的河道水位影響規(guī)律基本一致,工程前后竹岐至白巖潭河道(包括北港、南港)水位分布規(guī)律相似,碼頭影響范圍主要集中在北港河道工程局部范圍,碼頭陸域上游、浮碼頭區(qū)域及浮碼頭定位樁上游水位壅高,碼頭陸域下游、碼頭陸域前沿、浮碼頭定位樁之間以及浮碼頭下游水位降低。

3.2 游艇碼頭建設對流速的影響分析

3.2.1 工程區(qū)域流向變化

不同設計洪水工況下游艇碼頭工程建設前后流場對比見圖8,圖中黑色箭頭為工程前流速,紅色箭頭為工程后流速,由圖可以看出,碼頭工程區(qū)附近河道較順直,水流流向與碼頭前沿線基本平行。

圖6 200a一遇洪水工況下游艇碼頭建設前后河道流速分布變化

圖7 100a一遇洪水工況下游艇碼頭建設前后河道流速分布變化

圖8 閩江枯水遭遇白巖潭100a一遇潮位過程游艇碼頭建設前后河道漲急流速分布變化

受碼頭平面布置對河道邊界的影響,工程后碼頭陸域上游流向逆時針變動較為明顯,浮碼頭區(qū)域流向順時針變動,且流速箭頭有較大幅度變短,即流速值變小。碼頭建設后受碼頭陸域及浮碼頭定位樁阻水影響,碼頭支航道及港池區(qū)域流速有較大幅度減小,增加了泥沙落淤可能性。另外,碼頭建設束窄河道,水流受到右岸碼頭擠壓及大量的浮碼頭定位樁影響,支航道及港池區(qū)域流態(tài)較紊亂,這可能會給游艇停泊靠岸帶來一定影響。

圖9 閩江枯水遭遇白巖潭100a一遇潮位過程游艇碼頭建設前后河道落急流速分布變化

3.2.2 工程區(qū)域流速變化

根據模型計算,提取不同計算工況下擬建游艇碼頭工程前后河道流速變化等值線見圖9～圖10。由圖可知,擬建游艇碼頭工程實施后,其對不同設計洪水工況下的河道流速影響規(guī)律基本一致,工程前后竹岐至白巖潭河道(包括北港、南港)流速分布規(guī)律相似,碼頭影響范圍主要集中在北港河道工程局部范圍,碼頭陸域上游及其下游、浮碼頭區(qū)域、浮碼頭定位樁上下游流速減小,且流速減小幅度明顯;碼頭陸域前沿、浮碼頭定位樁之間、浮碼頭下游流速增加。

4 結語

本文簡要介紹了MIKE21模型和應用情況,以倉山區(qū)會展島游艇碼頭工程為例,根據碼頭模型建設前后在不同工況下的水位及流速變化模擬效果來看:模擬結果較好地反映了實際情況,可以有效應對洪潮雙重作用的下流場模擬。但值得注意的是,模型的運用需根據實測的洪水過程及水位資料進行率定,以便確定模型邊界參數是否能夠反映工程所在河段的實際情況,必要時還需采用物模的方法驗證。