吳偉如,劉光生

(1.浙能嘉興港煤炭物流有限公司,浙江 嘉興 314200;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

獨(dú)山排澇閘外閘位于杭州灣北岸獨(dú)山外側(cè)六里灣岸段,其肩負(fù)杭嘉湖地區(qū)防洪的重要使命。排澇閘上游側(cè)已建有嘉興電廠取排水設(shè)施及一、二、三期碼頭,下游側(cè)建有嘉興糧食碼頭。獨(dú)山外閘上游300 m擬建3個(gè)泊位的3.5萬噸級(jí)煤炭中轉(zhuǎn)碼頭,據(jù)嘉興港岸線利用及總體規(guī)劃,獨(dú)山排澇閘下游的獨(dú)山港區(qū)將有30多個(gè)3.5萬噸及以上泊位待建(見圖1)。鑒于獨(dú)山閘處于緩慢的淤積環(huán)境,自然狀態(tài)下邊灘處于淤積狀態(tài),煤炭中轉(zhuǎn)碼頭建設(shè)將加劇獨(dú)山排澇外閘前灘面淤積[1],為減小煤炭碼頭對(duì)獨(dú)山外閘的影響,管理部門提出將煤炭中轉(zhuǎn)碼頭向西移動(dòng),以遠(yuǎn)離獨(dú)山外閘。為此,本文分別對(duì)煤炭中轉(zhuǎn)碼頭平移前后工程水域流場特征及沖淤變化進(jìn)行分析,為管理部門提供決策依據(jù)。

2 研究區(qū)域概況

圖1 研究區(qū)域工程示意圖

本工程所處的乍浦至金山水域主要的地貌單元有北岸深槽,獨(dú)山排澇閘位于六里灣深槽邊緣,排澇閘前沿水深約3.0m,煤炭中轉(zhuǎn)碼頭前沿水深約-14.0 m,地形坡度較大。2011年實(shí)測水文資料顯示,測次期間嘉興電廠日潮差為6.1m左右,夜潮潮差為5.2 m,潮差較大;漲急流速約為0.68～1.01 m/s,落急流速約0.60～0.88 m/s,漲急流向在235°左右,落急流在 54°左右;含沙量為 0.2～1.5 kg/m3。受錢塘江上游徑流、外海潮汐、河勢變化等自然因素的共同作用,以及上下游人類活動(dòng)的影響,獨(dú)山外閘附近灘、槽均呈現(xiàn)持續(xù)淤積態(tài)勢。嘉興電廠碼頭建設(shè)后,碼頭后方灘地明顯淤積,平均淤積幅度2 m左右,其中碼頭建成初期,后方灘地的淤積幅度已達(dá)到目前的1/2左右。

擬建煤炭中轉(zhuǎn)碼頭位于下游獨(dú)山閘和上游嘉興電廠煤炭碼頭之間,距獨(dú)山外閘軸線340 m,距上游側(cè)嘉興電廠一二期煤炭碼頭270 m,碼頭西移后,緊鄰上游嘉興電廠煤炭碼頭,距獨(dú)山外閘軸線增至610 m(見圖2)。

圖2 獨(dú)山煤炭中轉(zhuǎn)碼頭相對(duì)位置示意圖

3 二維潮流數(shù)學(xué)模型的建立

3.1 模型的選擇

工程引起的沖淤變化主要是由于新建工程破壞原有水域水沙平衡所致,潮流場的分布和變化是海域泥沙運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因素,因此需建立潮流數(shù)學(xué)模型。杭州灣水域潮強(qiáng)流急、垂向摻混充分,應(yīng)采用垂向平均的二維潮流數(shù)學(xué)模型。

3.2 控制方程

沿垂線平均的平面二維非恒定流數(shù)學(xué)模型:

式中:z0為河床高程(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),即河床高程與潮位之和;g=9.81m/s2為重力加速度;f為柯氏力參數(shù)(f=2φ sinφ,φ為緯度,ω為地球自轉(zhuǎn)速度);Cz為謝才系數(shù);εx,εy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(s)。

方程(1)為水流連續(xù)方程,方程(2)、(3)分別為x、y方向的動(dòng)量守恒方程。上述方程中未知數(shù) h、u、v在一定初始條件和邊界條件下可得數(shù)值解。

有了以上條件,即可用一定的離散格式求出方程解。求解上述方程的數(shù)值方法很多,較為流行的有ADI法、破開算子法、直接差分法、特征線法、有限元法及有限體積法等,鑒于三角形網(wǎng)格的有限體積法計(jì)算簡單、守恒性好、比較容易擬合復(fù)雜的邊界、網(wǎng)格布設(shè)靈活、局部加密方便、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),本次采用基于三角形網(wǎng)格的有限體積算法。

3.3 計(jì)算條件

根據(jù)數(shù)學(xué)模型的主要任務(wù)及計(jì)算邊界條件選取的要求,同時(shí)考慮邊界選取的便利性,模型上邊界設(shè)在鹽官斷面,下邊界設(shè)在杭州灣口門的蘆潮港—鎮(zhèn)海一線。模擬水域面積為5 600 km2,邊界潮位由實(shí)測資料提供。計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格布設(shè)考慮了水流、地形梯度的差異和工程布置,對(duì)水流和地形復(fù)雜及工程區(qū)域的計(jì)算網(wǎng)格作了進(jìn)一步加密,以便更好地反映該地區(qū)的水流、地形的變化特征,保證流場模擬精度。

由于碼頭單樁尺寸很小、樁群結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大,因此數(shù)學(xué)模型不能完全準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行模擬,必須進(jìn)行概化。按照等效過水面積對(duì)碼頭及棧橋的樁基進(jìn)行概化,即將樁群占用的面積陸地化處理,使其不參與潮流計(jì)算,最小空間步長3 m,整個(gè)計(jì)算域內(nèi)共174 462個(gè)三角形單元,88 194個(gè)有效節(jié)點(diǎn),水流計(jì)算的時(shí)間步長為0.05 s。模型范圍及樁基概化網(wǎng)格見圖3。

圖3 模型范圍及樁基概化網(wǎng)格圖

3.4 潮位和潮流驗(yàn)證

采用2011年4月大潮期的水文測量資料進(jìn)行驗(yàn)證,圖4a、4b給出了研究區(qū)域內(nèi)的代表潮位及潮流點(diǎn)的驗(yàn)證圖。模型的驗(yàn)證結(jié)果表明,模型采用的計(jì)算參數(shù)基本合理,計(jì)算方法基本可靠,能夠模擬研究區(qū)域的潮流運(yùn)動(dòng)。

圖4 a 潮位驗(yàn)證圖

圖4 b 流速、流向驗(yàn)證圖

4 碼頭西移可行性分析

4.1 碼頭軸線與水流夾角

研究區(qū)域沒有島嶼,水流主要受岸線的主導(dǎo),漲落急流向均比較穩(wěn)定,上游漲落急流向均大于下游漲落急流向。圖5為現(xiàn)狀情況下碼頭所在水域小范圍漲落急流速分布圖,為方便比較流場與碼頭之間的關(guān)系,將擬建獨(dú)山煤炭中轉(zhuǎn)碼頭的2個(gè)方案位置圖放入流場中。

圖5 研究區(qū)域漲落急流速圖(左:漲急 右:落急)

為便于分析碼頭軸線與工程區(qū)域水流之間的夾角關(guān)系,分別在2個(gè)方案的煤炭中轉(zhuǎn)碼頭前沿取3個(gè)代表點(diǎn),代表點(diǎn)L1位于平移后的煤炭中轉(zhuǎn)碼頭前沿處,代表點(diǎn)L3位于平移前的煤炭中轉(zhuǎn)碼頭前沿處,代表點(diǎn)L2位于2個(gè)方案碼頭交叉處,具體點(diǎn)位見圖6。

通過工程水域小范圍流矢圖可以看出,由于碼頭前沿水域距圍墾線比較近,受圍堤線的控制,現(xiàn)方案碼頭前沿水流與碼頭軸線夾角較小,而西移后碼頭前沿水流與碼頭軸線之間夾角增大。表1給出了碼頭前沿各代表點(diǎn)流向特征值,統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),漲落急時(shí)刻均存在代表點(diǎn)L1處水流與碼頭軸線之間的夾角較L2和L3處大,漲急時(shí)刻夾角達(dá)8°,落急時(shí)刻夾角達(dá)10°。

圖6 碼頭前沿代表點(diǎn)布置圖

表1 碼頭前沿代表點(diǎn)位現(xiàn)狀流向特征值表

4.2 碼頭建設(shè)對(duì)周邊水域的影響

獨(dú)山閘位于煤炭中轉(zhuǎn)基地碼頭工程下游,落潮時(shí)獨(dú)山閘受到的影響占主導(dǎo)地位,為說明煤炭中轉(zhuǎn)基地碼頭工程建設(shè)對(duì)獨(dú)山閘所在水域水流的影響,圖7為2個(gè)方案實(shí)施后工程水域落潮平均流速變化圖。

由圖7可知,以10%流速減小等值線為準(zhǔn),現(xiàn)方案10%減小等值線距獨(dú)山閘前沿約150 m,10%帶狀寬度約160 m,而西移方案10%減小等值線距獨(dú)山閘前沿約100 m,10%帶狀寬度約180 m,此主要為碼頭軸線與水流之間夾角增大使水域影響范圍變廣所致;以20%流速減小等值線為準(zhǔn),西移方案的20%等值線距獨(dú)山排澇閘前沿較遠(yuǎn),此主要為20%等值線范圍較小,隨碼頭直接西移270 m遠(yuǎn)離獨(dú)山排澇閘引起。

圖7 a 碼頭建設(shè)后研究區(qū)域落潮平均流速相對(duì)變化圖(平移前,%)

圖7 b 碼頭建設(shè)后研究區(qū)域落潮平均流速相對(duì)變化圖(平移后,%)

為定量分析煤炭中轉(zhuǎn)碼頭建設(shè)后對(duì)獨(dú)山外閘的影響,在獨(dú)山排澇閘附近布置了5個(gè)代表點(diǎn),分別位于獨(dú)山外閘中心以及排澇閘前方100,200,325,450 m處(見圖8)。

圖8 獨(dú)山排澇閘代表點(diǎn)位布置圖

表2給出了煤炭中轉(zhuǎn)碼頭工程實(shí)施后各代表點(diǎn)漲落潮平均流速變化百分比,可以看出:碼頭平移后獨(dú)山外閘200 m范圍內(nèi)所在水域特征流速減小幅度均增大,碼頭平移前代表點(diǎn)A、B、C漲潮平均流速減小幅度為1%～2%,落潮平均流速減小幅度為5%～14%,碼頭平移后漲潮平均流速減小幅度為2%～4%,落潮平均流速減小幅度為6%～17%;碼頭平移后獨(dú)山外閘200m范圍外所在水域特征流速減小幅度均減小,水流有所改善,碼頭平移前代表點(diǎn)D漲潮平均流速減小幅度為3%,落潮平均流速減小幅度為15%,碼頭平移后漲潮平均流速減小幅度為2%,落潮平均流速減小幅度為9%。綜合來講,西移后的獨(dú)山煤炭中轉(zhuǎn)碼頭建設(shè)對(duì)獨(dú)山外閘所在水域的水流條件沒有明顯改善。

表2 煤炭中轉(zhuǎn)碼頭工程實(shí)施后代表點(diǎn)漲落潮平均流速變化表 %

續(xù)表2

5 結(jié) 語

(1)煤炭中轉(zhuǎn)基地碼頭平移后,碼頭前沿水域水流與碼頭軸線之間的夾角進(jìn)一步增大,最大夾角達(dá)10°,夾角愈大對(duì)船舶靠泊愈不利。

(2)碼頭泊位西移后,獨(dú)山外閘所在水域的水流條件沒有明顯改善,不能從根本上解決獨(dú)山外閘閘下淤積問題。

[1]吳修廣,劉光生.鄰近碼頭對(duì)獨(dú)山外閘閘下沖淤影響分析報(bào)告[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2011.