海河口泵站對引水河口通航安全影響數(shù)值分析

張岳松，吳姍姍，季樹凱

（天津水務(wù)投資集團(tuán)有限公司，天津300204）

海河口泵站對引水河口通航安全影響數(shù)值分析

張岳松，吳姍姍，季樹凱

（天津水務(wù)投資集團(tuán)有限公司，天津300204）

建立二維潮流數(shù)學(xué)模型，分析海河口泵站運用引起引水河與海河交匯區(qū)的流場變化。分析表明，該區(qū)域內(nèi)最大流速達(dá)到1.03 m/s，流場明顯變化影響限定在引水河口半徑150 m范圍內(nèi)，各工況航道橫流均小于0.1 m/s，船舶航行至該水域時流場變化可能發(fā)生漂移、偏離航道。船舶航行至引水河口段時應(yīng)觀察船位變化，及時調(diào)整航向，緩解或消除其不利影響。從通航環(huán)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；數(shù)值模擬；海河口

1 問題提出

海河是海河流域大清河系和永定河系洪水的入海尾閭之一，是以行洪為主，兼顧排澇、蓄水供水、航運、旅游等綜合利用的河道。規(guī)劃海河沿河至河口20年一遇設(shè)計澇水洪峰流量為914 m3/s，已超過海河設(shè)計行洪流量800 m3/s。為減輕海河的排水壓力、改善河口排水條件、保證海河治澇區(qū)內(nèi)中心城區(qū)、環(huán)城四區(qū)和濱海新區(qū)等重要區(qū)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漁航道作為泵站引水河，設(shè)計流量230 m3/s。泵站運行時引水河分流必然引起主河道流向發(fā)生變化，進(jìn)而造成引水河河口附近航道橫流，使得通航水流條件發(fā)生變化，產(chǎn)生通航安全隱患。筆者通過建立水動力數(shù)值模型，分析泵站建設(shè)運行對航道水流及通航安全的影響，為工程建設(shè)及運行管理提供科學(xué)依據(jù)。

2 水動力數(shù)值模擬分析

2.1 水位條件

天津海港水域為不正規(guī)半日潮，根據(jù)塘沽海洋站實測資料統(tǒng)計，歷年最高高潮位為4.81 m，歷年最低低潮位為-0.03 m，歷年平均高潮位為2.74 m，歷年平均低潮位為0.34 m，歷年平均海平面為1.56 m，歷年最大潮差為3.37 m，歷年平均潮差為2.40 m。

本工程的設(shè)計水位為1.07 m，設(shè)計高水位為2.56 m，設(shè)計低水位為-0.2 m。

2.2 數(shù)值模型建立

本模型計算采用DHI Mike21二維潮流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行。Mike21是業(yè)界廣為認(rèn)可的數(shù)值模擬系統(tǒng)，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。模型能夠施加潮位邊界條件、流量邊界條件，不僅能進(jìn)行水動力數(shù)值模擬，同時可以考慮對閘門開閉、橋墩阻水等常見水工建筑物作用的模擬。對于泵站排水，模型可以用相互連通的源項方式（取水、排水）進(jìn)行模擬，考慮了源項存在時的質(zhì)量守恒及取、排水時的動量方程的守恒，模擬精度高。

模型計算采用包含渤海、二道閘下游海河在內(nèi)的區(qū)域作為計算域。建立數(shù)學(xué)模型時，采用了渤海海圖，天津港及附近海圖，大沽沙航道水深測圖，為配合本項目研究對海河下游、海河防潮閘至臨港工業(yè)區(qū)碼頭海區(qū)、漁船閘上下游局部實測的地形圖。所有被采用的水深數(shù)據(jù)統(tǒng)一到平均海平面作為起算基面。

模型計算域三角形網(wǎng)格從1 000 m過渡到5 m，既保證了計算精度又有效減少了網(wǎng)格數(shù)量，從而減少了模擬計算量。

2.3 數(shù)值計算成果

為分析比較不同工況下泵站開啟對海河水流條件的影響，將無風(fēng)天氣狀況下的工況1、2、3以及6級SE向風(fēng)天氣狀況下的工況4、5、6下引水河與海河交匯區(qū)局部流場進(jìn)行比較。組合工況情況見表1，工況1條件下河道局部流場如圖1所示，其他工況河道局部流場不再贅述。

表1 模擬計算組合工況

圖1 工況1河道局部流場

為定量分析泵站運行對海河航道的水動力影響，選擇海河擬建跨河橋附近3個特征點（B1－B3）、引水河口門到海河防潮閘閘段3個特征點（CN1－ CN3）進(jìn)行定量分析，特征點分布如圖2所示。航道橫流強(qiáng)度變化是對航道通航環(huán)境影響評價的主要指標(biāo)之一。根據(jù)數(shù)值計算成果，表2對6種工況下各航道特征點的最大流速時刻航道流速及橫流大小進(jìn)行統(tǒng)計。

圖2 特征點分布

3 泵站建設(shè)對通航安全的影響分析

3.1 航道最大流速分析

在工況2下，處于海河考察段最窄處的CN3點的流速達(dá)到1.03 m/s，其他工況下CN3點的最大瞬時流速也在0.86～0.93 m/s，較大的流速對下行船舶存在一定影響。

3.2 航道橫流強(qiáng)度變化分析

各工況特征點的航道橫流均小于0.1 m/s，說明泵站運行期其航道水流條件較好，不影響船舶的安全通航。究其原因，是泵站的取排水量相對于外海潮量是小量，同時泵站開啟時段一般處于漲平潮前后，此時泵站下游潮位較高，泵站排水對下游水動力影響小。

3.3 航道橫流影響范圍分析

根據(jù)各工況河道局部流場和特征點流速成果分析，無論是無風(fēng)天還是6級SE風(fēng)天，3種設(shè)計水位對比都呈現(xiàn)相似規(guī)律，即泵站取水對海河水流影響范圍基本限定在圓心位于引水河口處半徑150 m的范圍內(nèi)，由于水流向右岸的偏轉(zhuǎn)，易造成該航道段航行船舶的航線偏移。

表2 各工況航道特征點航道流速及橫流統(tǒng)計

4 結(jié)語

筆者建立數(shù)學(xué)模型，對海河口泵站運行時引水河與海河交匯區(qū)段的水動力條件進(jìn)行了模擬研究。分析表明，泵站開啟局部水流流向變化明顯，影響限定在圓心位于引水河口半徑150 m范圍內(nèi)。船舶航行至該水域時流場變化可能發(fā)生漂移、偏離航道。船舶航行至引水河口門段水域時應(yīng)觀察船位變化，及時調(diào)整航向，其不利影響將緩解或消除。從通航環(huán)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

張岳松（1970－），男，高級工程師，主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。