海河口泵站對大沽沙航道通航安全影響數值分析

季樹凱

(天津水務投資集團有限公司，天津 300204)

1 問題的提出

海河是以行洪為主，兼顧排澇、蓄水供水、航運、旅游等綜合利用的河道。規劃海河沿河至河口20年一遇設計澇水洪峰流量為914m3/s，已超過海河設計行洪流量800m3/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，泵站設計流量230m3/s。泵站運行必然引起大沽沙航道的水流條件發生變化，同時易引起局部泥沙沖淤，影響港區的航道水深，產生通航安全隱患。本文通過建立水動力數值模型，分析泵站建設運行對航道水流、沖淤及通航安全的影響，為工程建設及運行管理提供科學依據。

2 MIKE21數值模型建立

2.1 水位條件

根據塘沽海洋站實測資料統計:歷年最高高潮位為4.81m，歷年最低低潮位為－0.03m，歷年平均高潮位為2.74m，歷年平均低潮位為0.34m，歷年平均海平面為1.56m，歷年最大潮差為3.37m，歷年平均潮差為2.40m。

該工程的設計水位為1.07m，設計高水位為2.56m，設計低水位為－0.2m。

2.2 數值模型建立

本模型采用DHI Mike21二維潮流數學模型進行計算。模型計算采用包含渤海、二道閘下游海河在內的區域作為計算域。建立數學模型時，采用了渤海海圖、天津港及附近海圖、大沽沙航道水深測圖，為配合本項目研究海河下游、海河防潮閘至臨港工業區碼頭海區、漁船閘上下游局部實測的地形圖。所有被采用的水深數據統一到平均海平面作為起算基面。

模型計算域三角形網格從1000m過渡到5m，既保證了計算精度又有效減少了網格數量，從而減少了模擬計算量。詳見圖1。

圖1 工程附近局部網格劃分

2.3 數值模型驗證

模型驗證選取附近海域三個潮位觀測站點、五個潮流觀測站點，控制潮汐過程、流速、流向與實際一致。經驗證調試，不同海域糙率取值在0.017～0.02之間。驗證結果表明，潮位、潮流模擬計算精度滿足“海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程”的要求，可進行工程方案模擬計算。

3 數值計算成果分析

3.1 泵站開啟對大沽沙航道水動力影響分析

為比較不同工況下泵站開啟對航道水流條件的影響，將模型工況分為無風天氣狀況下的工況1、2、3以及6級SE風向工況4、5、6，組合工況情況見表1。

表1 模擬計算組合工況

通過模型計算，得到設計調度方案下6種工況流場分布情況，進而對各工況下泵站開啟時段的最大流速、航道橫流進行分析。為定量分析泵站運行對航道的水動力影響，選擇大沽沙航道段5個特征點(CW1～CW5)進行定量分析，特征點分布見圖2。

圖2 特征點分布

航道橫流強度變化是對航道通航環境影響評價的主要指標之一。根據數值計算成果，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行統計。

表2 各工況航道特征點最大流速時刻統計 單位:m/s

泵站的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較小。分析表明，各工況航道流速在0.01～0.41m/s之間，流速較小，不影響船舶的安全通航。各工況航道橫流除CW5點為0.22m/s稍大外，基本在0.1m/s以下，說明泵站運行期航道水流條件較好，不影響船舶的安全通航。

3.2 大沽沙航道局部沖淤分析

通過模型計算，得到設計調度方案下6種工況歷時28d局部底床沖淤分布。根據計算成果，大沽沙航道在各種工況下均出現輕微淤積，淤積厚度約0.6～0.9cm。

分析表明，泵站運行導致大沽沙航道呈輕微淤積態勢，對航道水深影響輕微，不影響船舶的安全通航。

4 結語

本文建立數學模型，對海河口泵站運行時大沽沙航道的水動力及泥沙沖淤條件進行了模擬研究。分析表明，泵站開啟各工況航道內流速較小，航道水流條件較好，航道水深變化輕微，不影響船舶的安全通航。從通航環境和通航安全角度來看，海河口泵站工程是可行的。■

JTS/T231—2—2010海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程［S］．北京:人民交通出版社，2010．