苏州港太仓港区现代物流粮油码头工程对航道的影响研究

(1.长江航道规划设计研究院，湖北 武汉 430011；2. 长江科学院 农业水利研究所，湖北 武汉 430010)

苏州港太仓港区现代物流粮油码头工程对航道的影响研究

杨建东1乔伟2

(1.长江航道规划设计研究院，湖北武汉430011；2.长江科学院农业水利研究所，湖北武汉430010)

为研究大型码头工程建设对航道条件的影响，采用平面二维水流数学模型，分析了苏州港太仓港区现代物流粮油码头工程修建前后的通航水流条件。对工程前后分流比和潮位及流速进行了计算分析，结果表明，该工程对上、下游河势及附近河段的防洪及排涝、航道通航造成的影响不大，同时也论证了码头修建的可行性。

航道通航；码头；太仓港区

1 工程概况

近年来，随着上海国际航运中心建设速度加快，长江口12.5 m深水航道上延至太仓工程完工，苏州港太仓港区凭借其得天独厚的区位优势和水、陆条件，迎来了一个全新的高速发展时期，国家计委、交通部明确将苏州港太仓港区定位为上海国际航运中心北翼干线港，拟逐步发展成为以国际集装箱运输为主，相应开展石油化工品及临江工业的原材料和产成品运输的多功能、综合性重要港口[1]，主要为太仓、昆山及苏州市区的社会经济发展和对外开放提供直接的港口服务，为苏锡常地区乃至长江沿线腹地的外向型经济发展和以集装箱为主的外贸物资中转提供港口运输服务。

太仓港沿岸长江水域宽广，岸线顺直，深水近岸，深槽宽深且长期稳定，掩护条件良好，波浪较小，长江主航道中心线偏向港区一侧，海轮可直达太仓港。为适应地方经济发展和水运市场需求，位于长江下游长江口南支河段浏河水道南岸七丫口至浏河口岸段的太仓港区现代物流粮油码头工程将开始修建，工程总体呈“干”字型布置，拟建17个大小泊位，具体为：主码头建设10万吨级泊位1个，7万吨级泊位1个，5万吨级泊位1个，1万吨级泊位1个，15 000吨级泊位5个；二档码头建设5 000吨级泊位4个；近岸码头建设2 000吨级泊位4个。使用岸线长度955 m，年设计粮食吞吐量1 800万t。

2 二维水流数学模型

为克服天然河道蜿蜒曲折带来的计算域边界起伏变化较大的问题,采用贴体正交曲线坐标系下的水流连续方程和水流动量方程。

2.1 水流连续方程

(1)

2.2ξ方向运动方程

(2)

2.3η方向运动方程

(3)

式中,u，v分别为ξ、η两个方向的速度，m/s；ω是σ坐标系下的垂向速度，m/s；f为柯氏力系数，依赖于计算水域所在的纬度φ和地球自转角速度Ω，f=2Ωsinφ；ρ0是水的密度，取103kg/m3；Pξ和Pη分别是(ξ,η,z)坐标系中ξ和η方向的静压梯度；Fξ和Fη则是ξ,η两个方向的湍流动量流量，kg/s2·m；νV是垂直涡粘性系数。

数值求解上述基本控制方程，便可得到河道水流二维流场。采用有限差分法的ADI法求解上述方程[2]。

2.4 边界条件及滩地动边界处理

(1)边界条件。对于陆地边界，流速的法向速度为零；对于水边界，ξ=i(t)或Q=Qi(t)，Φ=i(t)。其中，ξ、Q为水边界i上实测潮位、流量过程线，或由天文潮预报及插值等方法确定。

(2)滩地动边界。在实际河道中往往存在较大范围的滩地等，随着水位变化，这些浅滩时露时没，成为影响流动的主要因素之一。本文采用网格干湿判别法来解决这一问题。该法是一种众多学者常用的动边界模拟技术，其优点是方便、易实现。

其数值实现过程如下：若网格(i,j)在前一时步为干网格，只要在当前时步满足以下任一条件，则网格判断为湿网格，即该网格浸入水中，

(1)Hi-1/2,j>δ；

(2)Hi+1/2,j>δ;

(3)Hi,j-1/2>δ;

(4)Hi,j+1/2>δ。

其中，δ为最小量，取0.05 m。

若网格(i,j)在前一时步为湿网格，只要在当前时步该网格四边中点的最大水深小于δ，则该网格判断为干网格，说明该网格露出水面。

2.5 计算网格的划分

根据工程建设方案的规模及其影响范围，要求模型范围需足够大。考虑计算水边界需远离该工程影响的区域，同时兼顾到方便获取水文条件等相关资料的因素。上游的徐六泾断面、北侧的崇头断面、下游共青圩、横沙断面都设有潮位站，资料比较完整，且远离工程区域，可作为本次计算的上、下边界。同时计算区域内有多站的潮位、流速资料，为模型的率定和验证提供条件。因此计算边界为：徐六泾断面作为上边界，崇头断面作为北边界，共青圩、横沙断面作为下边界。

计算网格采用无结构三角形网格，为了提高模拟计算精度及减小计算工作量，在码头工程建设区域对网格进行局部加密，空间步长最小约10 m；远离工程的水域，网格相对疏一些，如图1所示。

图1 数模计算网格

2.6 模型验证

(1)潮位验证。主要采用2012年9月25日～10月1日白茆站、杨林站大、小潮期间的实测潮位资料，其计算值与实测值的验证过程线如图2所示。从图中可以看出，潮位计算值与实测值吻合较好。

图2 潮位验证结果对比

图3 流速及流向验证结果对比

(2)流速及流向验证。采用2012年9月工程区域的1、2号水文测点大潮及小潮期的流速、流向过程的实测资料。其计算值与实测值的验证过程线如图3所示。从图中可以看出，流速和流向计算值与实测值吻合较好。

通过模型计算断面的潮位和流速可以得出，计算结果与实测资料吻合均较好，最大误差均小于5%，符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》(JTJ/T233—98)的相关要求。说明二维水流数学模型的建立和数值计算方法合理，在计算区域所建立模型是可靠的，模型及参数可以用于码头防洪工程的计算。

表1 工程前后各主要口门分流比变化 %

注：表中“+”值表示增加，“-”值表示减少，下同。

3 工程影响分析

3.1 计算水文条件

本次计算主要目的是分析码头建成后对邻近水域防洪的影响，因此所选择的计算水文条件应为对防洪最不利的水文条件。

1997年8月18～20日9711台风形成的风、暴、潮三碰头在长江口产生高潮位。通过1919年以来的潮位资料和《江苏省水文特征手册》分析，1997年年最高潮位为1919年以来最大值，其重现期为80 a。因此，从长江口历年的大潮考虑，应选择1997年8月18～20日的实测潮位资料作为计算的水文条件。1998年的7～8月大通流量最大值为82 100 m3/s，7～8月大通流量约70 000～80 000 m3/s，大流量及高水位持续的时间都较长，仅次于1954年洪水，有些特征值甚至超过1954年洪水。因此该次计算采用1998年典型大洪水及1997年典型大潮两种水文条件。

3.2 工程对河段内河势的影响

采用上述模型，在选定的水文条件下进行工程前后白茆沙南北水道断面、新宝山水道上段断面、南沙头通道上段断面，南、北港分流口断面潮量及分流比较计算，分析工程建设对该河段河势的影响。1997年典型大潮及1998年典型大洪水分流比变化计算结果如表1 所示。 从表1计算结果可以看出，在1998年典型大洪水及1997年典型大潮两种计算水文条件下，码头工程的实施对南水道水流有一定的阻隔作用，白茆沙南断面和南港断面的分流比有降低的趋势，但变化幅度小于0.02%，对附近河段主要汊道的潮量基本无影响。因此工程建成后不会对上、下游河势造成不利影响。

3.3 工程对潮位的影响

为了分析粮油码头建设对附近水域最高、低潮位变化的影响，在拟建码头上下游及前沿、附近深槽浅滩处、附近主要通江口门处、主要涉水工程附近等分别布置了30个计算比较点，整个计算区域输出点位置如图4所示。计算并统计出工程前后最高、低潮位变化，计算结果如表2所示。

图4 计算区域输出点位置示意

从表2计算结果可以看出，码头工程建成后，工程上游的低潮位壅高，最大壅高约2 cm，发生在主码头及二档码头上游，工程位置及下游低潮位降低，最大降低约3 cm，发生在主码头下端点附近。在1997年水文条件下，码头建成后，工程区域及紧邻的上下游最高潮位略有降低，降低的最大幅度约1 cm，在1998年水文条件下，工程前后高潮位无明显变化。

综上所述，粮油码头建成后对涨、落潮流的阻力较小，由此引起的最高潮位壅高不明显甚至略有降低，最低潮位壅高值不超过2 cm，所以拟建码头工程不会对其附近河段的防洪及排涝造成不利影响。

3.4 工程对船舶通航的影响

在现行航道布置条件下，拟建码头工程及其船舶停泊水域距离深水航道及小型船舶推荐航路右侧边线均有一定安全距离，不占用规定的航道水域，因此对航道内顺航道行驶的船舶影响较小。超大型船舶、大型船舶、高速船舶应在深水航道中的通航分道内行驶，而小型船舶必须按规定的推荐航路和特定航路行驶，且要求船舶各自靠右航行。这就要求到港船舶进出码头时，有可能穿越主航道水域，因此会对在规定通航分道、推荐航路内正常行驶的船舶产生一定影响，建议船舶驾驶人员严格遵守本航段内关于船舶避让的特定规定：靠离码头的船舶，应主动避让在规定的通航分道、推荐航路或特定航路内正常行驶的船舶。

表2 工程前后潮位变化

注：表中“+”值表示潮位抬高，“-”值表示潮位降低。

从船舶回旋水域与航道布置关系来看，该工程设计代表船型10万吨级散货船回旋水域均在深水航道外侧，但需借用大部分推荐航路水域，对沿推荐航路下行的小型船舶有较大影响。建议采取拖带轮辅助作业，以减小船舶作业时的回旋水域，从而减小船舶回旋作业对主航道内过往船舶正常航行的影响。

4 结 论

通过构建太仓港区现代粮油码头工程二维水流模型，分析了该工程建设前后对河段内河势、潮位以及船舶通航的影响，得出如下结论。

(1)本文所构建的二维水流数学模型，计算结果与实测资料吻合均较好，最大误差均小于5%，符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》(JTJ/T233—98)的相关要求，说明该模型的建立和数值计算方法合理，在计算区域所建立模型是可靠的，模型及参数可以用于码头防洪工程的计算。

(2)在1998年典型大洪水及1997年典型大潮两种水文条件下，通过模型计算得出，工程建设前后对该河段内的河势、潮位影响均有限，因此，该工程不会对上、下游河势产生不利影响，也不会对其附近河段的防洪及排涝造成影响。

(3)码头工程处于白茆河口以下太仓港区。工程局部河床近30 a来冲淤变化较大，但太仓港深槽历年来变化较小，稳定在河床右侧，且码头前沿水域宽阔，水深良好，12.5 m深槽贯通，基本具备码头工程建设的水域条件。在现行航道布置条件下，拟建码头水工建筑物及停泊水域均与主航道有一定安全距离，不占用航道水域，对现行航道布置影响较小，对未来航道布置调整的影响也较小，且拟建码头前沿与相邻码头前沿线平顺衔接，因此认为，该码头平面布置基本满足航道管理规定要求。

[1] 梁碧,王平义. 金沙江银江大件码头对航道的影响研究[J].山西建筑,2009,35(19):367-368.

[2] 杨小文,许光祥.祥利码头工程对航道的影响研究[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版),2009,28(5):934-937.

(编辑：唐湘茜)

2017-04-20

杨建东，男，长江航道规划设计研究院，工程师.

1006-0081(2017)08-0017-05

U612.32

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