吴淞江泄洪对京杭运河通航影响的数值分析

夏 熙，朱 林，于建忠，沙 鹏

(江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215000)

京杭运河作为承载太湖流域腹地水量交换的骨干行水通道，不仅是江苏省“两纵四横”干线航道网中的主干航道，也是全国水运主通道的重要组成部分，素有“黄金水道”之称。近年来随着现代水运事业的快速发展，运河各类船舶的载重规模及数量呈逐年上升趋势，汛期泄洪对运河通航安全影响分析的必要性日益凸显[1]。

目前吴淞江在瓜泾口枢纽下游约1.8km处与京杭运河呈敞口近“X”字型交汇，且运河东、西两侧未完全“对口”相接，如图1所示。在瓜泾口枢纽规划最大泄洪流量410m3/s的情况下，河道行洪水流导致京杭运河横流流速不满足JTS 180—2—2011《运河通航标准》6.2.3条“运河口中取、泄水口和其它汇流口的水域，航道横向流速不应超过0.3m/s，回流流速不超过0.4m/s”的要求，使运河行驶船舶偏离航道，对船舶航行安全构成一定的威胁。考虑到横流强度主要与夹角和流速大小相关，但受现场建筑物限制，京杭运河与行洪水流的夹角基本上没有大幅调整的条件，因此需要局部优化交汇区河线布置或设置整流措施，以确保运河横向流速满足规范要求。为保障吴淞江泄洪期间京杭运河船舶通行安全，本文采用二维数学模型模拟计算不同运行工况下的交汇区水流条件，并根据计算结果提出有效的工程措施[2- 4]。

图1 吴淞江与京杭运河交汇区现状示意图

1 工程概况

吴淞江(江苏段)整治工程[5]位于太湖流域阳澄淀泖区，自江苏境内东太湖瓜泾口，由西向东，穿京杭运河，充分利用吴淞江现有河道疏(拓)浚至苏沪交界，并与上海段河道相接，河道整治全长61.7km(其中苏沪交界段5.28km)。作为流域防洪治理的骨干工程，规划恢复吴淞江行洪通道，不仅能够促进长三角地区基础设施互联互通，同时可进一步完善太湖流域防洪工程体系，增加太湖洪水外排出路，提高流域东出黄浦江能力和工程沿线区域防洪除涝能力，并兼顾增强水资源配置、改善水环境和航运等综合效益，更加有力支撑保障了长三角一体化的高质量发展。

2 计算模型

为了分析吴淞江与京杭运河交汇区的通航水流条件，针对工程所在河道形状及水流特征，采用丹麦水力研究所(简称DHI)开发的MIKE21水动力学软件，沿水深平均的平面二维水流数学模型对交汇区的水流条件进行分析计算[6- 8]。

2.1 基本方程

在实际水流运动中，各水力要素不仅有沿程和垂直方向水深的变化，同时又有横向河宽的变化，一般属于三维水流运动。对于在天然河流中水平运动尺度远大于垂直尺度的情况，水深、流速等水力参数沿垂直方向的变化要远小于沿水平方向的变化，从而将三维流动的控制方程沿水深积分，并取水深平均可得平面二维水流数学模型，其基本方程分别为水流连续方程和x、y方向水平动量方程[9- 10]。

2.2 网格划分

如图2所示，数学模型根据河线布置及非恒定流影响范围，并考虑计算所需上下游长度，选取的计算范围为吴淞江与京杭运河交汇区上下游河道。采用三角形网格对模型区域进行划分，模型网格区域最大面积为50m2，对靠近桥墩等流态较为复杂区域网格进行了加密，网格区域最大面积为5m2。

图2 吴淞江与京杭运河交汇区计算网格划分图

2.3 边界条件

2.4 参数选取

根据地形资料，通过分析相关研究成果，河道糙率取0.025，计算时间步长取5s。涡粘系数一般取0.25～1.00，本次计算取0.50。同时为保证模型计算的连续性，采用“干湿判别”来确定计算区域，当水深小于0.05m时，标记为“干”，不参加计算；水深大于0.1m时，标记为“湿”，参加计算[11]。

3 计算工况

交汇区的水流条件同时受吴淞江及京杭运河泄洪流量的影响，水流条件较为复杂，工况设计选用工程所在区域最不利降雨典型条件时可能出现的各种不利水位流量组合逐一进行计算分析。根据太湖流域一维河网模型计算结果[12]，选用4组典型不利计算工况见表1。

表1 不同工况计算参数表

工况1为“吴淞江最大流量、此时相应交汇区水位最低”工况，即瓜泾口枢纽泄洪流量达到设计流量410m3/s时，交汇区水位为可能出现的最低水位3.8m，此时京杭运河对应的流量为50m3/s；

工况2为“吴淞江最大流量、此时相应运河流量最大”工况，即瓜泾口枢纽泄洪流量达到设计流量410m3/s时，京杭运河为可能出现的最大流量80m3/s，此时交汇区对应水位为4.1m；

工况3为“吴淞江最大流量、交汇区以北运河倒流流量最大”工况，即瓜泾口枢纽泄洪流量达到设计流量410m3/s时，此时交汇区以北京杭运河小范围出现自南向北倒流，流量最大为40m3/s；

工况4为“吴淞江、运河流量同时相对较大”工况，由于京杭运河与瓜泾口枢纽错峰泄洪，两者泄洪流量不会同时达到最大值，但在2股水流共同作用下，存在交汇区水流流速较大的情况，此时吴淞江和京杭运河泄洪流量分别为230、190m3/s。

4 数值分析

4.1 无整流墩时交汇区流态

按照“降低交汇区水流流速且减少征地拆迁”为原则，确定交汇区河线方案采用流线型布置，保证河道拓浚宽度与水流扩散宽度基本一致，即拓宽尺度在最大限度增大过水断面面积、降低水流流速的同时，尽可能减少征地和降低投资。同时考虑吴淞江泄洪期间水流流态及运河东西两侧未“对口”相接的实际情况，整体利用北侧岸线，向南侧偏移拓浚，形成喇叭口，以引导行洪水流主体向东行泄至运河以东吴淞江，如图3所示。

图3 吴淞江与京杭运河交汇区河线布置示意图

本小节在工况1的基础上，分析吴淞江泄洪对京杭运河航运的影响。计算结果表明，随着河道向南拓宽，吴淞江与京杭运河交汇区横流强度逐渐降低，但拓宽到250m后除运河航宽水域边缘局部横向流速仍超过0.3m/s不能满足规范要求外，其余均满足要求。同时在扩散角一定的前提下，河道起始拓宽位置上移对横流改善有利，但将引起更大的征迁。如图4所示，在河道起始拓宽位置不大幅上移的前提下，若进一步拉大交汇区河道喇叭口间距，交汇区水流形态基本上不会发生明显变化，相应河道中心主流流速也无法明显降低，难于达到改善交汇区的通航水流条件的目的。此外，受征地拆迁限制，交汇区河道拓宽尺度及范围也不具备大幅扩大的条件。

图4 吴淞江与京杭运河交汇区流场及横流分布图1(流速单位：m/s)

4.2 有整流墩时交汇区流态

局部横流超标位置处于河道主流中心位置如图4所示，主要是由于河道主流流速较大，因此在不增加河道拓宽尺度及范围的情况下，需进一步采取整流措施，以降低河道主流流速。同时考虑到吴淞江运河以西段为等外级航道，故在不影响该段通航的前提下，多方案调整、试算，在交汇区西侧河道中心桥墩下设整流墩，促使水流进入交汇区水域前将主流分流，降低主流流速，从而减轻对京杭运河的航运影响。

如图5所示，增设整流墩后，吴淞江运河以西段河道泄洪主流遇整流墩后向南北两侧分成2股，虽然2股水流绕过整流墩后又汇合，但在“分-合”过程中增大了水流扩散范围，同时在整流墩东侧形成了一个小范围的静水区，有效降低了主流中心流速，从而使得图4中横流超标位置的水流流速明显降低，横流强度也均降低到0.3m/s以下。在交汇区4种最不利水位-流量组合工况下，京杭运河的横流强度均降低到0.3m/s以下，满足规范要求，即吴淞江泄洪对京杭运河通航安全基本无影响。

图5 吴淞江与京杭运河交汇区流场及横流分布图2(增设整流墩)(流速单位：m/s)

5 结语

本文采用实测的基础地形数据，针对吴淞江泄洪期间可能对京杭运河通航水流条件产生影响，以满足横向流速限值为要求，对工程所在区域最不利降雨典型的4种不同水位、流量组合进行了数值分析。研究表明，交汇区西侧河线布置在规划河道规模的基础上，利用北侧岸线向南侧偏移拓浚形成喇叭口，并且增设整流墩，能有效改善交汇区的流态和航道内的通航水流条件，对确保京杭运河船舶航行安全有着十分重要的意义。此外考虑到数学模型本身的局限性，建议后期从物理模型试验和船模航行试验2个方面分析交汇区通航水流条件。