镇江危险品锚地疏浚工程对径潮流河段通航条件的影响研究

王晖，金雪晴，汪江园，孔伟程，李有为，张伟

（1.长江镇江航道处，江苏 镇江 212000；2.镇江市港发绿色资源有限公司，江苏 镇江 212000；3.长江航道勘察设计院（武汉）有限公司，湖北 武汉 430040；4.长江航道规划设计研究院，湖北 武汉 430040）

锚地作为稀缺的港口资源，是港口发展的重要基础设施，在沿江经济港口和航运发展中具有重要作用[1]。但由于泥沙淤积问题，导致锚地的水深条件不足，影响船只的正常锚泊，严重时甚至会造成水上安全事故[2]。疏浚工程通过应用水力或机械的方法，挖掘水下的土石方或泥沙并进行输移处理，是维护锚地水深的有效手段[3]。然而，疏浚工程的实施同时也可能引起工程河段的河势调整、河床冲淤变化，对工程河段的通航安全、航道整治工程等可能带来不利的影响[4]。数学模型通过获取上下游边界，可精确模拟河段的水沙时空动态变化，对于工程方案的比选与实施具有重要的指导意义[5,6]。本研究以镇江危险品锚地为例，利用数学模型模拟锚地不同疏浚方案下对应河段的水条条件及地形冲淤变化，分析工程建设对河段通航条件的影响，以期为保证锚地和河段通航安全的最优方案确定提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

镇江危险品锚地位于长江下游扬中河段口岸直水道落成洲左缘，船只锚泊需求量大，顺水流向长1975m，垂直水流宽400～530m，面积约91.97 万m2，其上游72m 处建有一处丁坝护底排体边界，锚地设计底高程-8.3m（85 国家高程基准），能同时锚泊5000 吨级液化船3 艘、3000 吨级液化船1 艘，并可兼顾锚泊10000 吨级液化船。

图1 研究区域图

1.2 数据资料

本研究收集了包括2017年11月、2019年4月和2021年7月全扬中河段1：10000 实测河道地形图以及2018年2月口岸直水道航道测图在内的地形数据；2007年8月1日-8月2日和2021年6月～7月洪水全河段水文测验资料以及2021年1月枯水全河段全潮水文测验资料在内的水文数据。通过收集的数据资料进行数学模型的率定和验证，进而分析不同疏浚方案对航道通航条件的影响。

1.3 模型原理

本研究采用平面二维潮流泥沙数学模型模拟扬中河段的水沙运动过程，其基本控制方程主要包括基于深度平均的浅水二维动力学模型、悬沙运动方程、推移质运动方程、河床变形方程，分别如式（1）～（8）所示。

水流连续方程为：

水流动量方程为：

其中，t 为时间；x 和y 为空间坐标；h 为水深；u 和v 为x 和y 方向的水流流速；Zb为河床高程；qc为源汇项；g 为重力加速度，本文中取9.8 m/s2；vt为紊动扩散系数，u、v 为x 和y 方向的水流流速，=经验系数，水沙混合密度，c 为总含沙量；为河床泥沙饱和湿密度；为水、泥沙及河床干密度；p0为床面泥沙孔隙率；，分别为x 和y 方向的地形坡度；，分别为x 和y 方向的阻力坡度，n为Manning 糙率；为紊动粘性系数，为均匀系数，在本文中取0.2，k 为卡门常数，在本文中取0.4，u*为摩阻流速。

二维悬移质不平衡输沙方程

二维推移质不平衡输沙方程：

推移质河床变形方程：

总河床变形方程：

根据张瑞谨公式计算总挟沙力，即

1.4 方案设置

考虑到锚地疏浚工程位于航道整治建筑物的保护范围内，距离最近航道整治建筑物排体边缘仅72m，疏浚维护可能对整治建筑物稳定性带来不利影响，本研究在锚地距离LL5 排边缘下端300m 实施疏浚至-8.3m 底高程，锚地上边距离排边缘300m，以减弱对整治建筑物的影响，其疏浚量约215.8 万方，疏浚后可停泊3 艘5000 吨级、1 艘1000 吨级危险品船舶。

2 结果分析

2.1 工程后航道内水力要素变化

表1为工程前后航道内的水力要素变化最大值统计表。从表中可以看出，在各计算水文条件下，工程实施后航道内水位最大变化值保持在1cm 内；涨急时刻航道流速整体以降低为主，流速最大降幅为0.02m/s，落急时刻航道流速变化趋势与涨急时刻保持一致，流速降幅介于0.01m/s～0.03m/s，在洪水大潮稳定期航道流速最大降低值达到0.04m/s，航道流速变化幅度整体较低；同时，航道内水流流向也整体呈现出较低变化幅度，涨急时刻流向最大增加1.0°，流向最大减小0.9°，落急时刻流向最大增加0.3°，流向最大减小0.8°，洪水大潮稳定期流向最大增加0.2°，最大降低0.4°。总体而言，平面二维水沙数值模拟结果表明疏浚工程实施前后对于航道内的水流条件变化幅度较低，对于河段的原有通航条件影响较小。

表1 不同水文条件下工程实施后的航道内水力要素变化情况

2.2 工程后航道典型断面冲淤变化

表2为典型水沙年末工程前后断面地形相对冲淤最大变化值。从S1 断面图来看，相比起始地形，经过一个典型大水大沙2020年水文过程后，航道内相对淤积为0.066m，LL5 排边缘区域内相对冲刷分别为0.199m，工程实施后对大水期上游整治建筑物的冲淤影响不大。经过一个典型小水小沙2011年水文过程后：工程实施后相对冲刷为0.039m，对小水期上游整治建筑物的冲淤影响不大。从S2 断面图来看，相比起始地形，经过一个典型大水大沙2020年水文过程后，航道内相对淤积为0.418m，锚地疏浚区域内相对淤积为1.048m。经过一个典型小水小沙2011年水文过程后，航道内相对淤积分别为0.274m，锚地疏浚区域内相对淤积为0.273m，相对冲刷为0.031m，整治工程区则无相对冲淤变化。从航道内的冲淤特点来看，典型水沙年末，航道区域内以绝对冲刷、相对淤积为主，工程实施后虽然减弱了局部航槽的水动力条件，但相对淤积数值低于航道绝对冲刷值，对12.5m 深水航道的稳定性影响较低。

表2 典型水沙年末工程前后断面地形相对冲淤最大变化值（m）

3 结语

本研究通过收集地形、水文以及水沙资料，建立了扬中河段的平面二维水沙数学模型，模拟了镇江危险品锚地疏浚后河段的水力要素及冲淤变化，分析了工程实施对扬中河段通航条件的影响，验证了水沙数学模型在工程建设前的重要论证作用。总体而言，本研究中针对镇江危险品锚地的疏浚工程对于扬中河段的水力要素及冲淤情况影响较小，不会改变该河段原有的通航条件。