萧山临江工业园区临时码头行洪影响分析

李志永

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

萧山临江工业园区是经国家发改委批准设立的省级工业园区,总规划面积74.3 km2。随着园区的发展,园区企业重件产品运输问题逐步显现,迫在眉睫的就是东方电气风力、潮汐发电机组产品外运问题。由于该产品单件重350 t以上,若采用陆路运输则要求对超标特种设备重、大件办理运输许可,需对沿线建筑物 (包括桥梁和隧道等)加高、加固甚至作出赔偿,相对水路运输成本较高;但是工业园区无出海码头。为了解决近期东方电气迫切需要出厂的产品运输问题和改变临江工业园区无出海码头的现状,杭州萧山临江工业园区提出了在萧围东线3#隔堤下游约400 m处建设临时重件码头的设想 (见图1)。依据国家计委、水利部 《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》(水政[1992]7号)和《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则》的要求,对河道管理范围内建设的码头工程,应进行防洪评价,包括分析拟建工程水域江道演变情况、研究和评价临时码头建设对工程河段行洪及河势的影响。

图1 钱塘江河口及工程位置图

2 工程河段概况

工程地处尖山河段上段,上承盐官顺直河段,下与湾顶澉浦相衔接。江道从工程上游八堡的3.2 km至小尖山骤然放宽至7.1 km,致使涨、落潮流路分歧,河势复杂多变。海宁尖山围涂前,工程河段基本呈现2种不同河势:连续枯水年径流偏枯时,以潮流作用为主,涨潮流顶冲萧山一侧,南槽发育,中沙北靠,为典型走南河势;连续丰水年径流偏丰时,落潮流势力较强,北槽发育,中沙南靠,南岸萧山绍兴一带堤前发育成宽阔的高滩,为走北河势;此外,在年内遇洪水较大的梅汛期,工程的上段还常出现分汊河势,中沙处于江中,南、北两侧主槽或同时存在,或其中一槽为支汊或不贯通。

1997年尖山北岸治江围涂工程实施以来,岸线发生较大变化。至2007年,尖山河段北岸及南岸萧围东线海堤已全部到达规划线。工程河段规划线实施后现状河势形成——深槽基本稳定在萧围东线前沿。但是,由于工程河段径、潮流双向水流作用的动力条件未发生大的改变,河湾形式也未发生根本改变,因此,尖山河段 “洪淤潮冲”特性也不会改变,工程河段的河势及深槽的稳定性还有待未来连续丰水年的考验。

3 数学模型介绍

临时码头工程的行洪影响可利用垂线平均的平面二维数学模型来进行预测。模型方程包括2个浅水潮波运动方程与1个连续方程[1],具体如下:

方程(1)为水流连续方程,方程(2)、(3)为x,y方向的动量守恒方程。式中:z为水位(m);u,v分别为x,y方向上的垂线平均流速分量(m/s);h为水深(m);g=9.81 m/s2为重力加速度;f为柯氏力参数(f=2ω sinφ,φ为纬度,ω为地球自转速度);Cz为谢才系数,取,n为糙率系数;ex,ey分别为x,y方向的涡动扩散系数;Wx,Wy为x,y方向的风应力分量;x,y为直角坐标;t为时间。

求解上述模型的方法很多,计算选用基于三角形网格的有限体积法离散,变量取在三角形形心,控制体采用三角形网格。为方便离散将式 (1)～(3)写成统一的计算表达式[2]:

其中

对方程(4)进行积分可得离散方程组:

式中,Ai为控制体三角形的面积,Fnij为三角形各边的计算通量,△lij为三角形边长,Si为方程源项。上述离散方程的关键是通量Fnij的计算,采用近似黎曼解的Roe格式离散对流通量,具体计算格式从略。

利用上述水流模型计算得到各方案实施前后的水动力条件变化,进而利用半经验半理论的回淤强度公式进行冲淤估算,算式如下[3]:

4 工程行洪影响分析

4.1 工程概况

工程总投资约3400万元,拟建在萧围东线3#隔堤下游约400 m处 (见图1)。码头长102 m,宽28 m;码头前沿顶高程7.60m,码头前沿线距离现状海堤轴线70 m。码头采用重力式,西侧设进场道路、上下游各1段,与码头轴线夹角为20°,道路长约137 m。由于码头采用的是重力式结构,码头及其后方均采用实体结构,因此就防洪影响而言,该临时码头工程可等效为实施相应面积的围垦工程。

4.2 计算条件设计

由于工程地处强潮河口,工程实施引起的水位、流速变化除了与江道形势密切相关外,还与钱塘江上游径流、下游潮差大小等条件有关。尖山河段目前主要以走南和分汊2种河势为主,对相同的工程而言走南河势占用的过水面积及行洪影响相对较大,但汛期工程河段以分汊河势较为多见,故行洪影响预测采用分汊河势。根据相关研究,工程河段的汛期高水位主要受风暴潮控制。结合工程河段的防洪标准,计算时上边界主要考虑频率10%和频率1%的洪水流量,下边界主要考虑大潮和1%风暴潮等潮型,也即计算时重点考虑了工程河段遭遇洪汛、台汛2种工况的影响 (见表1)。

表1 码头防洪影响计算典型工况

4.3 对汛期高水位的影响

研究表明,钱塘江河口遭遇1%频率风暴潮时工程河段高水位变化幅度略大于上游遭遇1%频率洪水的变化幅度,工程河段汛期的高水位主要受风暴潮控制;由于临时码头工程本身及其占用的过水面积较小,临时码头工程对汛期高水位的影响主要局限2#～3#盘头之间的近岸水域,受码头阻水作用,汛期高水位有0.01～0.02 m的抬高,但对其他区域影响很小。图2为钱塘江河口遭遇1%频率风暴潮时码头附近水域高水位变化等值线。

图2 遭遇1%频率风暴潮时高水位变化等值线图

4.4 对涨落潮流速的影响

工程河段遭遇1%频率风暴潮时,临时码头水域的潮动力十分强劲。以工程河段遭遇1%频率风暴潮时,涨、落潮流速变化来说明工程河段涨落潮流速的影响。工程实施后,平面流态总体上差异不大,流态变化主要集中在码头附近的局部水域。受工程影响,上游约0.8 km,下游约0.4 km范围的涨潮平均流速减小幅度超过0.10m/s,流速减小百分比在5%以上;落潮时工程上游—3#盘头、工程下游约0.8 km范围的落潮平均流速减小0.05 m/s以上,流速减小幅度在2%以上,工程外围水域影响逐渐减小。因此,工程实施后除工程前沿局部水域流速有所加强外,工程上下游近岸水域的水流都有所减弱,近岸边滩会有所淤积。

4.5 对河床的影响

工程对河床冲淤分布及河势的影响计算取现状走南河势作为数学模型计算的基本条件,对于同一工程上述河势下占用的过水面积会相对较大,预测结果是偏安全的。根据工程前后的水动力条件结合式(6)计算得到,临时码头工程建成1 a后和影响达到平衡后的河床冲淤分布。计算表明,临时码头工程对河床冲淤的影响是局部的,不会对工程河段的河势产生影响。图3为工程实施1 a后的河床冲淤分布图,图4为工程影响达到平衡后的河床冲淤分布图。由图可知:①临时码头工程实施后,除码头前沿局部水域因工程的局部扰流作用存在一定幅度的冲刷外,河床以淤积为主;②受工程影响,码头前沿河床将会有1 m左右的冲刷幅度;工程上下游侧邻近水域则因为该工程的挑流隐蔽作用,呈现一定幅度的淤积,淤积影响贴岸呈带状分布,外围水域淤积影响逐渐减小。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)范围内的淤积幅度超过0.2 m;工程上下游0.2 km范围内的淤积幅度超过1.0 m,工程附近近岸区域最大淤积幅度2.0～3.0 m。总体上看,因临时码头工程建设引起的年冲淤幅度小于工程河段现状条件下的河床季节性冲淤变化幅度;③临时码头工程建设后第1年的淤积约占最终平衡状态下的淤积量的40%～50%,工程引起的水动力条件变化可以使河床在2～3 a内达到冲淤平衡,与所在河段类似工程的实践经验基本符合。

图3 工程实施1 a后的河床冲淤分布图

图4 工程影响达到平衡后的河床冲淤分布图

5 结 论

拟建萧山临时码头工程规模较小,离岸70 m左右,占用的过水面积较小,同时该工程受上下游2个150m左右的盘头掩护。研究表明,临时码头工程对汛期高水位的影响主要局限于2#～3#盘头之间的近岸水域,受码头阻水作用,汛期高水位有0.01～0.02 m的抬高,但对其他区域影响很小;工程前后平面流态总体差异不大,变化主要集中在码头附近的局部水域,工程实施后除工程前沿局部水域流速有所加强外,工程上下游近岸水域的水流都有所减弱,近岸边滩会有所淤积。由于受影响区域内无重要涉水工程,工程对防洪水位影响不大,工程建设不会改变或影响河势,因此萧山临时码头对钱塘江河口行洪影响较小。

[1]史英标.潮汐河口平面二维泥沙输移及河床变形数学模型研究[C].第八届全国泥沙情报网学术交流会论文集.乌鲁木齐:新疆人民出版社,2000.

[2]于普兵.二维浅水水流数值模拟技术研究-无结构网格有限体积法 [D].南京:南京水利科学研究院,2006.

[3]钱继春,史英标,张舒羽.滨海滩涂动态演变数值模拟研究及应用 [J].水道港口,2009(4):82-88.