钱塘江南岸上虞拟建港区潮流泥沙数模研究

鲁海燕,陈 刚,倪 玮

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江省河口海岸重点实验室,浙江 杭州 310020;3.河海大学,江苏 南京 210098)

1 问题的提出

浙江省 “水运强省”战略的实施和后方运河水网的完善,为钱塘江港口码头的建设带来了前所未有的发展机遇和挑战,大量的原材料需进口及产成品需出口,迫切需要建设“出海码头”。但钱塘江航运的发展一直受到深槽线平面摆动、纵向庞大的沙坎浅水区和涌潮3个因素的制约。

钱塘江的河口整治,稳定主槽、改善航运条件是其主要目标之一。经过多年的论证,钱塘江河口确定了澉浦断面控制16.5 km宽度的规划堤线,目前,北岸规划堤线已基本实施,南岸的堤线也在实施过程中。经全线缩窄治理后,主槽摆动的幅度和频次大幅消减,尖山北岸岸线到达规划堤线后,河势的控制节点已基本形成,弯道效应逐渐明显,尖山河段南岸基本形成一条贴岸的深槽,萧山、绍兴、上虞等市均提出了建港的需求,其中上虞岸段因离澉浦深水航道距离短,水深大,流速及含沙量相对较小等,为建港选址相对较优的区域。但是,上虞新港的建设面临着一系列的关键技术问题急待解决:规划堤线实施到位后上虞拟建新港区前沿深槽是否稳定存在;乍浦深水港至拟建新港区潮位及流速如何分布,规划堤线到位后其水沙条件如何变化;采取何种形式的船闸布置方式以减小引航道及口门外的淤积,采取何种助航措施和清淤、减淤措施等。

钱塘江河口建港条件的研究已有多位技术工作者进行了探讨[1-2],其主要内容是分析了上虞港区前沿深槽存在的可能性和其可能的深度,未对乍浦深水港区至上虞港区的水沙条件进行系统分析。本文建立了平面二维潮流泥沙数学模型,应用实测水文泥沙资料对模型参数进行了验证,模拟了规划岸线实施后拟建港区的水流、泥沙等动力条件,研究了进港条件的一些关键技术:乍浦深水港至拟建新港区潮位及流速如何分布,规划堤线到位后其水沙条件如何变化,这些成果可为上虞港的规划和预可方案研究提供技术依据。

2 拟建港区水沙条件概况

上虞拟建港区位于钱塘江尖山河段南岸上虞与余姚市交界附近的岸段(见图1),目前北岸尖山和南岸萧山、绍兴岸段已到达规划堤线,上虞及余姚正在进行抛坝促淤工程,港区附近的-5 m等深线基本形成。江道呈 “洪淤潮冲” 的特点。

位于杭州湾湾顶澉浦站实测最大潮差9.0 m,平均潮差5.57m[3]。实测水文资料表明,拟建港区的潮差较澉浦站增加约0.80 m,港区曾出现近5 m/s的垂线平均流速。尖山河段泥沙中值粒径为0.02～0.04 mm,港区最大垂线平均含沙量为6.01 kg/m3,测点最大含沙量达15.5 kg/m3,平均含沙量为1.35 kg/m3。

图1 上虞港的位置示意图

3 平面二维潮流泥沙数学模型的建立和验证

钱塘江河口潮强流急,不仅水流存在着涌潮等间断流动,而且泥沙场也可能存在着间断现象,因有限体积法具有守恒好、计算稳定、分辨高,能模拟间断流等优点,已被广泛应用于模拟大梯度流动,是近年来计算浅水动力学的发展方向。潘存鸿等应用基于Boltzmann方程的有限体积KFVS格式求解水流法向数值通量[4],采用基于准确Riemann解的Godunov格式求解泥沙法向数值通量,应用干底Riemann解计算动边界问题[5-6],建立了基于无结构三角形网格空间二阶精度的二维水流和泥沙输移有限体积法数值模型[7]。本文采用该方法建立了大范围的数学模型。其计算方程及离散格式见文献[7]。

大范围数学模型上边界取富春江电站,下边界在芦潮港及镇海连线,网格布置见图2,在计算域内共布置69 062个三角形单元,36 065个节点,最小空间步长为150 m,计算的时间步长为2 s。糙率系数按涨、落潮分别给定,上游糙率大于下游糙率,涨潮糙率取值0.004～0.015,落潮糙率取值0.006～0.020。

图2 数学模型计算网格图

应用2007,2008,2009年3次实测水文资料验证了模型,验证的潮位点达18个,流速点达19个,泥沙测点达6个。因数学模型计算全范围内缺乏与水文测验同步的地形资料,验证地形富春江电站至闸口为2004年3月实测水下地形,闸口至金山与验证水文资料对应的当年7月水下地形,金山至芦潮港为2003年4月水下地形。图3为2009年5月港区附近实测潮位、流速及含沙量的验证。结果表明,潮位和流速的计算值与实测值吻合良好,含沙量验证基本合理,说明模型参数选取是合理的,可用于港区水沙条件的预测。

图3 港区潮位、流速、含沙量计算值与实测值对比图

4 数学模型计算条件

4.1 地形条件

预测现状条件下乍浦深水港至港区水沙条件特点时,闸口至金山采用2007年11月的地形及岸边界,其余河段与验证时地形一致。预测规划堤线实施后乍浦深水港至港区水沙条件特点时,闸口至金山以2007年11月的地形为基础对上虞港区前沿及附近地形进行人工修正。具体如下:根据河床演变分析和动床物理模型试验研究[8],钱塘江河口综合规划堤线实施后,岸边会出现全线临水,上虞境内堤脚处200 m床面高程为-4.0～-7.0 m,其中东段堤脚床面高程为-6～-7.0 m,岸边深槽宽约1.0～2.0 km。

4.2 水边界条件

现状条件及规划堤线实施后,计算采用的上下游水边界相同,上边界富春江电站采用1 000 m3/s(接近平均流量),下边界芦潮港和镇海采用大、中、小潮潮位过程。

5 乍浦深水港至港区的水沙特征

5.1 潮位特征

图4为乍浦深水港至上虞港区大、中、小潮期间的水位过程线。由图可知,由乍浦经杭州湾跨海大桥南通航孔至陶家路闸(澉浦对面)至拟建港区,高潮位沿程增大,高潮位由3.55 m增加至4.67 m,增幅达1.12 m;低潮位沿程降低,由-2.65 m降低至-3.08 m,减幅达0.33 m;潮差沿程增大,至拟建港区达到最大,由6.20 m增加至7.75 m;且涨潮历时缩短,落潮历时延长,潮波变形剧烈。

图4 由乍浦深水港至拟建港区的水位过程线图

5.2 流速特征

综观整个大面流场,涨潮时,进入杭州湾的潮波由正东方和东南方传入的2股潮波组成,这2股潮波在金山、王盘一带会合后,向西南挺进。涨潮流由口门向内递增,到尖山河湾达到最大,受澉浦浅滩的作用,在澉浦断面分为南股、中股和北股分别上溯,其中北股潮流相对较强,最大流速达4 m/s以上,中股及南股潮流最大流速达3～3.5 m/s,在上虞拟建港区最大流速为3～3.5 m/s左右。落潮时,在尖山附近分为北股、中股、南股3股落潮流,在澉浦断面汇合且落入杭州湾,其中北股为主要的落潮流通道。

图5为上虞港区涨、落急流速矢量图,图6-a为上虞港区大、中、小潮期间水位流速过程线,图6-b为乍浦深水港至上虞港区大潮期最大流速分布图。由图可知,通过澉浦断面上溯的南岸涨潮流与余姚岸线约成40°交角,其顶冲点位置大致在临海浦闸附近。涨潮流通过顶冲点后,其主流仍然紧贴堤脚,加上受中沙的压缩作用,这是上虞东段岸边深槽将得以存在的水动力条件,也是决定上虞港能否上马的关键因素。上虞港区前沿涨潮流速为3～3.5m/s,落潮流速一般小于2 m/s,涨急时刻发生在中潮位附近。可见,由乍浦深水港至拟建港区潮强流急,船舶进港时不仅要避开低潮位时水深的不足,同时需要避开涨急时的高流速时段。

图5 拟建上虞港区涨、落急流速矢量图

图6-a 港区水位及流速过程线图

图6-b 由乍浦深水港至拟建港区最大流速分布图

5.3 泥沙特征

图7为乍浦港至港区最大含沙量等值线分布图,图示表明,乍浦深水港区含沙量较低,最大垂线平均含沙量约为0.5～1 kg/m3,澉浦泰山附近最大含沙量为2～4 kg/m3,拟建港区最大含沙量为2～6kg/m3,且在涨急和落急时含沙量达到最大。

6 规划堤线实施后拟建港区潮流水沙条件变化

6.1 潮位变化

规划堤线实施后,盐官—乍浦高潮位抬高0.15～0.25 m,以大缺口—曹娥江口抬高幅度最大。盐官—大缺口河段低潮位略有抬高,约0.03 m,大缺口—71#断面低潮位降低约0.05 m,澉浦—乍浦低潮位抬高0.05 m。

6.2 流速变化

尖山河段涨潮流历时缩短约15 min,相应的落潮流历时延长约15 min;大缺口—曹娥江口涨潮平均流速增加10%～15%,落潮平均流速减小1%～5%,曹娥江口—澉浦河段北岸涨潮流速增加,南岸涨潮流速减小10%,落潮平均流速减小10%～15%。

6.3 含沙量变化

图8为规划堤线实施后乍浦深水港至港区的最大含沙量分布图,其量值及分布规律与图7基本一致,可见规划堤线实施后,拟建港区的最大含沙量基本不变。

图7 现状条件下乍浦深水港至拟建港区最大含沙量分布图

图8 规划堤线实施后乍浦深水港至拟建港区最大含沙量分布图

7 结 论

本文建立了由富春江电站至芦潮港的潮流泥沙数学模型,根据多次实测水文资料对模型进行了验证,在此基础上,对现状岸线条件下上虞港拟建港区的潮流泥沙场进行了数值模拟,并对其潮流泥沙特征进行了分析,预测了河口综合规划方案实施后港区的潮流泥沙场的变化,得到以下主要结论:

(1)由乍浦至拟建港区,高潮位沿程增大,低潮位沿程降低,潮差沿程增大,且涨潮历时缩短,落潮历时延长,潮波变形剧烈。

(2)现状岸线条件下,拟建港区的潮差大于澉浦近0.80m,大潮时港区最大垂线平均流速为3～3.5 m/s,最大垂线平均含沙量为6 kg/m3,出现在涨急和落急时刻。

(3)河口综合规划堤线实施后,港区附近高潮位抬高0.20m,低潮位降低约0.05 m,港区涨潮历时缩短15 min,落潮流历时延长15 min,港区附近涨潮流速减小10%左右,含沙量基本无变化。

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