海河口泵站对大沽沙航道通航安全影响数值分析

季树凯

(天津水务投资集团有限公司，天津 300204)

1 问题的提出

海河是以行洪为主，兼顾排涝、蓄水供水、航运、旅游等综合利用的河道。规划海河沿河至河口20年一遇设计涝水洪峰流量为914m3/s，已超过海河设计行洪流量800m3/s。为减轻海河的排水压力、改善河口排水条件、保证海河治涝区的排水安全，新建海河口泵站工程是非常必要的。

海河口泵站利用原有渔航道作为泵站引水河，泵站设计流量230m3/s。泵站运行必然引起大沽沙航道的水流条件发生变化，同时易引起局部泥沙冲淤，影响港区的航道水深，产生通航安全隐患。本文通过建立水动力数值模型，分析泵站建设运行对航道水流、冲淤及通航安全的影响，为工程建设及运行管理提供科学依据。

2 MIKE21数值模型建立

2.1 水位条件

根据塘沽海洋站实测资料统计:历年最高高潮位为4.81m，历年最低低潮位为－0.03m，历年平均高潮位为2.74m，历年平均低潮位为0.34m，历年平均海平面为1.56m，历年最大潮差为3.37m，历年平均潮差为2.40m。

该工程的设计水位为1.07m，设计高水位为2.56m，设计低水位为－0.2m。

2.2 数值模型建立

本模型采用DHI Mike21二维潮流数学模型进行计算。模型计算采用包含渤海、二道闸下游海河在内的区域作为计算域。建立数学模型时，采用了渤海海图、天津港及附近海图、大沽沙航道水深测图，为配合本项目研究海河下游、海河防潮闸至临港工业区码头海区、渔船闸上下游局部实测的地形图。所有被采用的水深数据统一到平均海平面作为起算基面。

模型计算域三角形网格从1000m过渡到5m，既保证了计算精度又有效减少了网格数量，从而减少了模拟计算量。详见图1。

图1 工程附近局部网格划分

2.3 数值模型验证

模型验证选取附近海域三个潮位观测站点、五个潮流观测站点，控制潮汐过程、流速、流向与实际一致。经验证调试，不同海域糙率取值在0.017～0.02之间。验证结果表明，潮位、潮流模拟计算精度满足“海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程”的要求，可进行工程方案模拟计算。

3 数值计算成果分析

3.1 泵站开启对大沽沙航道水动力影响分析

为比较不同工况下泵站开启对航道水流条件的影响，将模型工况分为无风天气状况下的工况1、2、3以及6级SE风向工况4、5、6，组合工况情况见表1。

表1 模拟计算组合工况

通过模型计算，得到设计调度方案下6种工况流场分布情况，进而对各工况下泵站开启时段的最大流速、航道横流进行分析。为定量分析泵站运行对航道的水动力影响，选择大沽沙航道段5个特征点(CW1～CW5)进行定量分析，特征点分布见图2。

图2 特征点分布

航道横流强度变化是对航道通航环境影响评价的主要指标之一。根据数值计算成果，表2对6种工况下各航道特征点的最大流速时刻航道流速及横流大小进行统计。

表2 各工况航道特征点最大流速时刻统计 单位:m/s

泵站的排水量相对于外海潮量是小量，同时泵站开启时段一般处于涨平潮前后，此时泵站下游潮位较高，泵站排水对下游水动力影响较小。分析表明，各工况航道流速在0.01～0.41m/s之间，流速较小，不影响船舶的安全通航。各工况航道横流除CW5点为0.22m/s稍大外，基本在0.1m/s以下，说明泵站运行期航道水流条件较好，不影响船舶的安全通航。

3.2 大沽沙航道局部冲淤分析

通过模型计算，得到设计调度方案下6种工况历时28d局部底床冲淤分布。根据计算成果，大沽沙航道在各种工况下均出现轻微淤积，淤积厚度约0.6～0.9cm。

分析表明，泵站运行导致大沽沙航道呈轻微淤积态势，对航道水深影响轻微，不影响船舶的安全通航。

4 结语

本文建立数学模型，对海河口泵站运行时大沽沙航道的水动力及泥沙冲淤条件进行了模拟研究。分析表明，泵站开启各工况航道内流速较小，航道水流条件较好，航道水深变化轻微，不影响船舶的安全通航。从通航环境和通航安全角度来看，海河口泵站工程是可行的。■

JTS/T231—2—2010海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程［S］．北京:人民交通出版社，2010．