海河口泵站对引水河口通航安全影响数值分析

张岳松，吴姗姗，季树凯

（天津水务投资集团有限公司，天津300204）

海河口泵站对引水河口通航安全影响数值分析

张岳松，吴姗姗，季树凯

（天津水务投资集团有限公司，天津300204）

建立二维潮流数学模型，分析海河口泵站运用引起引水河与海河交汇区的流场变化。分析表明，该区域内最大流速达到1.03 m/s，流场明显变化影响限定在引水河口半径150 m范围内，各工况航道横流均小于0.1 m/s，船舶航行至该水域时流场变化可能发生漂移、偏离航道。船舶航行至引水河口段时应观察船位变化，及时调整航向，缓解或消除其不利影响。从通航环境和通航安全角度看，海河口泵站工程是可行的。

泵站；通航；安全；数值模拟；海河口

1 问题提出

海河是海河流域大清河系和永定河系洪水的入海尾闾之一，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914 m3/s，已超过海河设计行洪流量800 m3/s。为减轻海河的排水压力、改善河口排水条件、保证海河治涝区内中心城区、环城四区和滨海新区等重要区域的排水安全，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，设计流量230 m3/s。泵站运行时引水河分流必然引起主河道流向发生变化，进而造成引水河河口附近航道横流，使得通航水流条件发生变化，产生通航安全隐患。笔者通过建立水动力数值模型，分析泵站建设运行对航道水流及通航安全的影响，为工程建设及运行管理提供科学依据。

2 水动力数值模拟分析

2.1 水位条件

天津海港水域为不正规半日潮，根据塘沽海洋站实测资料统计，历年最高高潮位为4.81 m，历年最低低潮位为-0.03 m，历年平均高潮位为2.74 m，历年平均低潮位为0.34 m，历年平均海平面为1.56 m，历年最大潮差为3.37 m，历年平均潮差为2.40 m。

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

2.2 数值模型建立

本模型计算采用DHI Mike21二维潮流数学模型进行。Mike21是业界广为认可的数值模拟系统，在世界范围内得到广泛应用。模型能够施加潮位边界条件、流量边界条件，不仅能进行水动力数值模拟，同时可以考虑对闸门开闭、桥墩阻水等常见水工建筑物作用的模拟。对于泵站排水，模型可以用相互连通的源项方式（取水、排水）进行模拟，考虑了源项存在时的质量守恒及取、排水时的动量方程的守恒，模拟精度高。

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，为配合本项目研究对海河下游、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1 000 m过渡到5 m，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。

2.3 数值计算成果

为分析比较不同工况下泵站开启对海河水流条件的影响，将无风天气状况下的工况1、2、3以及6级SE向风天气状况下的工况4、5、6下引水河与海河交汇区局部流场进行比较。组合工况情况见表1，工况1条件下河道局部流场如图1所示，其他工况河道局部流场不再赘述。

表1 模拟计算组合工况

图1 工况1河道局部流场

为定量分析泵站运行对海河航道的水动力影响，选择海河拟建跨河桥附近3个特征点（B1－B3）、引水河口门到海河防潮闸闸段3个特征点（CN1－ CN3）进行定量分析，特征点分布如图2所示。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。

图2 特征点分布

3 泵站建设对通航安全的影响分析

3.1 航道最大流速分析

在工况2下，处于海河考察段最窄处的CN3点的流速达到1.03 m/s，其他工况下CN3点的最大瞬时流速也在0.86～0.93 m/s，较大的流速对下行船舶存在一定影响。

3.2 航道横流强度变化分析

各工况特征点的航道横流均小于0.1 m/s，说明泵站运行期其航道水流条件较好，不影响船舶的安全通航。究其原因，是泵站的取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小。

3.3 航道横流影响范围分析

根据各工况河道局部流场和特征点流速成果分析，无论是无风天还是6级SE风天，3种设计水位对比都呈现相似规律，即泵站取水对海河水流影响范围基本限定在圆心位于引水河口处半径150 m的范围内，由于水流向右岸的偏转，易造成该航道段航行船舶的航线偏移。

表2 各工况航道特征点航道流速及横流统计

4 结语

笔者建立数学模型，对海河口泵站运行时引水河与海河交汇区段的水动力条件进行了模拟研究。分析表明，泵站开启局部水流流向变化明显，影响限定在圆心位于引水河口半径150 m范围内。船舶航行至该水域时流场变化可能发生漂移、偏离航道。船舶航行至引水河口门段水域时应观察船位变化，及时调整航向，其不利影响将缓解或消除。从通航环境和通航安全角度看，海河口泵站工程是可行的。

TV856；TV675

A

1004-7328（2015）02-0049-02

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.02.019

2014－11－20

张岳松（1970－），男，高级工程师，主要从事水利工程建设与管理工作。