平面二維數學模型在三峽水庫變動回水區典型碼頭工程通航論證中的應用

虞紅海

摘 要：本文介紹了三峽水庫調度運行特點及變動回水區基本特性。基于平面二維水流數學模型，以實證模擬法，針對三峽水庫變動回水區因碼頭修建影響通航的現象進行分析。結果表明，工程所處河段具有水庫和天然河道的雙重特性，工程的建設對通航的影響不大。

關鍵詞：通航論證 三峽水庫 變動回水區 數學模型

中圖分類號：TK421 4 文獻標志碼：A 文章編號：

1.引言

涪陵地處三峽水庫變動回水區域，素有渝中南大門之稱，是重慶港的樞紐港區之一。涪陵液化石油氣儲配站通過長江槽船將液化石油氣運往站內，液化石油氣具有高危險性，因此需要結合專用碼頭進行配套運輸。本在建工程現場位于重慶涪陵區，位于長江上游區域。逆江而上約28.6km到長壽區，順流而下17.4km至到涪陵區，碼頭距長江上游水路里程約554.3km。為了確保長江主運河的順利運行，避免建設工程的影響長江牛屎磧及剪刀峽河段的通航環境，根需進行擬建工程通航論證研究工作。

2.工程布置及通航環境

擬建工程利用岸線約100m，擬建1個10 0 0噸級液化石油氣泊位。碼頭工程由兩部分組成，其一為液化石油氣儲配站、后方陸域及預留用地，其二為輸送液化石油氣下河管道及人行梯道。擬建碼頭水工建筑物主要由下河斜坡道和靠泊躉船組成。初擬泊位靠泊躉船尺度55.0×10×1.3×0.8m（總長×型寬×型深×吃水），躉船通過6.0m長自備平板與下河斜坡道連接。擬建碼頭位于長江上游麻雀寨（551km）至長路板（557km）航段間，左岸一側，水路里程約554.3km處，具體位于剪刀梁稍上游的水域附近。工程河段上自長河坎下至神斧頭，全長約12.7km，處于三峽水庫變動回水區下段，屬山區性河流，河槽單一，水域較寬闊。碼頭工程上游河段微彎，工程及下游河段較為順直。

2010年三峽水庫按175～145～ 155m水位運行，工程河段水位抬高 7～37m左右。非汛期，航道水流條件有很大改善，水流平緩，流態好，航道寬闊，為上下水船舶安全航行提供了良好條件。汛期，壩前水位按145m水位運行，該河段處于變動回水區下段，雖然水位抬高7m左右，但山區河流的水流特征沒有改變，僅流速較天然航道稍緩慢。若遇長江上游漲水或陡漲水位，汛期剪刀梁尾至火鳳灘航段流態不良。在非汛期，工程河段上下水可通過5000～8000噸級船隊或5000噸級各類自航船。汛期，下水船舶可拖帶3000～5000噸級船隊或通過3000～5000噸級各類自行船。上水，因汛期水位變化較大，可拖帶1000～2000噸級船隊或通過1000～5000噸級各類自航船。在碼頭前沿河段，上行船舶為避開主流走緩水，沿河道右岸一側取適當距離上行。非汛期沿航道中間下行；汛期沿主流下行。在碼頭前沿下行船舶一般沿河心而下，中低水期應注意避開剪刀梁尾。

3.數學模型建立及應用

本數學模型建立為分析碼頭工程對于航道通航的影響，同時采用了正交曲線坐標，通過相關數學分析指數的統計，進行論證分析。擬計算區域為下游航道560.0km至550.0km里程的河段，全廠10.0km。本數學模型計算區域通過設置網格點，結合數學正交，分析數學參數，具體正交網格圖示如下圖1所示。網格點為801×81個，網格線各處交角為88～92°，正交曲線網絡結構沿著長江流向的間隔距離為5.0～18.0m，沿長江河道的距離為大于10.0m，小于20.0m，且其平均距離為15.0m。

通過計算區域網格布置，得出河段水位、河水流速、河水流向三個參數指標，且通過模擬計算的結果與實際測量得出的結果吻合度較好。說明本二維模擬數值計算及分析方法能夠正確模擬出河道實際水流，可通過數學模擬法計算出相應參數值，并給出工程建設前后碼頭河段的流場分布，如下圖圖2、圖3所示。

（1）工程對水面比降的影響

計算結果表明，各級流量下工程后河道最大水位壅高值約4.2cm；最大水面比降增加值分別約為0.0 4‰，工程后水面比降最大為0.31‰，這表明碼頭工程對河流的改變對工地部分的航行條件沒有多大影響

（2）工程對河道近岸流速的影響

三峽175m蓄水期由于水位大幅度提高，河道流速大大降低，碼頭前沿近岸流速較緩，均在1.0m/s范圍以內。由于碼頭只占據河流表面的一小部分，對河流沿岸交通速度的影響有限。在不同的流量參數影響下，近岸50m處的流速變幅為大于-0.01m/s，小于0.02m/s；且近岸位置100m處時，其流速變化率較小，因此可得出，碼頭修建對于整體河流流速的影響甚小。

（3）工程對河道主流流速的影響

主流流速隨著河道流量的增加而增加，當遭遇洪水后，工程沿河段的主體結構流速值達到4.30m/s；當在汛期，遭遇洪水流量的過程中，河道的主流流速接近3.66m/s；當蓄水值達到175m時，主流流速值達到1.0m/s，且呈現出逐漸減小的趨勢。通過模型建立，分析數據得出，河道主流流速幾乎無影響。

（4）工程對主航道航線流速的影響

在蓄水期，航線上的船舶、水流流速等均較小，而在汛期，隨著水流量的增加，航線上的流速增加則較為明顯，在主汛期船舶航線流速較大（航線較大流速主要發生在碼頭對岸的扁擔梁附近水域）。由于各級流量流速的變化影響，使得碼頭終端的工程修建對于主航道流毒影響不大。

4.結語

本文介紹了位于三峽水庫變動回水區涪陵的典型碼頭工程修建對通航條件的影響，研究方法合理，研究手段可行，可為工程建設提供良好的技術支撐和條件。