尹公洲水道通航條件水流數值模擬研究

東培華，徐孟飄

（華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

尹公洲航道全長約20 公里，其中航寬不足300 米的航段約13 公里，航道呈90 度彎曲，為單向控制段，目前主要存在航道彎曲、狹窄、流態復雜和通航密度大等問題，是長江江蘇段著名的兩個瓶頸航段之一。

自長江南京以下12.5 米深水航道二期工程試運行以來，長江江蘇段航運組織進一步優化，黃金水道效益進一步發揮。但受尹公洲水道通航的制約，12.5 米深水航道并未實質性延伸到南京，使得南京港未能充分享受深水航道船舶大型化的紅利，港口綜合競爭力難以提升。

本文基于尹公洲水道現狀條件，建立二維水流數學模型，模擬計算不同代表流量條件下尹公洲水道內的水動力特征及航道水流條件，為船舶操縱模擬試驗提供基礎流暢數據，為尹公洲水道通航能力提升研究提供技術支撐。

1 水道自然條件

1.1 河道概況

尹公洲水道（即和暢洲南水道）位于長江鎮揚河段下段，長江鎮揚河段上起三江口，下迄鎮江五峰山，全長約74km，自上而下依次由儀征水道、世業洲汊道、和暢洲水道組成。和暢洲水道自世業洲尾～五峰山，包含六圩彎道、和暢洲汊道及大港水道，和暢洲汊道又分為和暢洲北水道及和暢洲南水道（尹公洲水道）。

和暢洲水道右汊為通航主汊道，上段航道稱為焦山尾水道或尹公洲航道段，右汊中下段～五峰山為丹徒直水道，下連口岸直水道，其平面形態上呈“Z”字形。該段航道彎曲多變、航寬狹窄、流態紊亂、通航密度大，歷來是長江鎮江段事故多發地帶，是長江下游深水航道的“瓶頸”[3-4]。

1.2 潮位特征

據鎮江水文站長期潮位觀測資料統計，歷年最高潮位6.7m，最低潮位-0.65m，最大潮差2.32m，最小潮差0m，多年平均潮差為0.96m。

1.3 水流特征

根據近年多次實測水流資料統計，尹公洲水道測流斷面上垂線平均最大流速基本出現在主泓，最小流速基本出現在兩岸邊，表明各斷面流速一般中間大兩岸小。

1.4 分流比特征

（1）12.5 米深水航道二期整治工程實施前：和暢洲左汊口門控制工程實施后，工程限流效果較明顯，左汊枯季分流比由工程前76.0%左右減少至73.0%左右；2008年以后，左汊分流比又有緩慢抬升的跡象[5]。

（2）12.5 米深水航道二期整治工程實施后：左汊限流、右汊增流的效果十分顯著，和暢洲右汊分流比逐步抬高，由25.4%上升至40%。

2 數學模型的建立及驗證

2.1 模型建立

模型的計算網格及地形如下圖1 所示。平面二維水流數學模型上起世業洲匯流口，下至五峰山，全長約48km。為準確模擬復雜分汊河道，模型采用三角形網格，同時于關注區域對網格進行加密，網格尺度在50～80m之間。

2.2 模型驗證

采用2018年7月洪季及2019年2月枯季實測水文資料，分別對洪枯季的水面線、流速分布及汊道分流比進行驗證。圖2 為洪枯季水位站及測流斷面分布圖。驗證結果表明：從水面線來看，水位一般誤差為±0.04m；從斷面流速分布來看，除個別垂線點外，絕大部分點流速誤差均在±5%以內；從分流比來看，偏差在0.2%以內。以上驗證結果均滿足《水運工程模擬試驗技術規范》（JTS-T 231-2021）的要求。限于篇幅，僅給出部分驗證結果。

表1 2018年洪季水面線率定部分驗證結果表

表2 2018年洪季分流比驗證表

3 計算特征水文條件

本文選取了5 個計算流量級，分別為航道整治流量（16500m3/s）、多年平均流量（28500m3/s）、平灘流量（46000 m3/s）、多年平均洪峰流量（57500 m3/s）及防洪設計流量（85400 m3/s）。下游控制水位利用多年實測資料，建立大港港區的水位（中潮位）與大港實測流量關系，再由流量確定相應的水位。

4 計算結果分析

為更準確地分析尹公洲航道的水動力條件，于航道中心線沿程布置多個采樣點。圖4 為航道中心線沿程采樣點布置圖。限于篇幅，本文僅對最小流量級及最大流量級下（航道整治流量及防洪設計流量）的計算結果進行分析。

4.1 航道整治流量條件下

圖5 為航道整治流量下尹公洲水道流場圖。在航道整治流量條件下，自#107 黑浮至分流區水道內流態較為平順，通航條件良好，橫流流速約在0.1m/s 以內。分流段附近由于轉角較大，航道內流態較亂，航道中心線走向與水流流向約呈20°～40°夾角，橫流流速最大達0.17m/s。右汊進口段深水航道內流態平順，通航條件良好，橫流流速在0.1m/s 以內。右汊中段（彎道段）水流流向與航道中心線夾角約呈5～20°，橫流流速最大達0.16m/s。右汊中下段及下段流向與航道中心線夾角較小，橫流較小，橫流流速在0.1m/s 以內。匯流段附近由于左、右汊下泄水流在深水航道內交匯，流態紊亂，水流流向與航道中心線夾角約為12～14°，橫流相對較大，最大達0.14m/s；黃港～99#黑浮航段內流態平順，通航條件良好。

4.2 防洪設計流量條件下

圖6 為防洪設計流量下尹公洲水道流場圖。在防洪設計流量條件下，自#107 黑浮至分流區水道內流向與中心線夾角較小，深水航道中心流速為2.34～2.76m/s，橫流流速約在0.4m/s 以內。分流段附近水流流向與中心線夾角較大，橫流流速較大，最大約為0.62m/s。右汊進口段航道中心線水流流向與航道中心線夾角較小，流速約為1.45～2.06m/s，橫流流速約在0.35m/s 以內。右汊中段（彎道段）水流流向與航道中心線夾角約呈2～21°，橫流流速相對較大，最大約為0.61m/s。右汊中下段及下段流態較為平順，流速約為2.0～2.21m/s，橫流流速在0.3m/s 以內。匯流段附近水流流向與航道中心線夾角約為13～14°，流速約為2.02～2.18m/s，橫流流速相對較大，最大約為0.54m/s；黃港～99#黑浮航段內流態平順，水流流速約為2.15～2.20m/s。

5 結論

本文通過建立平面二維水流數學模型，計算分析不同代表流量條件下尹公洲水道內水動力特征，為船舶操縱仿真試驗提供基礎流場環境數據，為尹公洲水道通航能力提升研究提供技術支撐。主要結論如下：

（1）尹公洲水道流態特征：各典型代表水文條件下航道流態情況基本相似。分流口（尹公洲水道進口水域）由于轉角較大，航道內流態較亂，航道中心線走向與水流流向約呈20°～40°夾角；彎道段（右汊中段）水流流向與航道中心線夾角約呈5～20°；順直段（#107黑浮至分流區水道、尹公洲水道進口段、出口段及大港水道）內流態相對較為平順，水流流向與中心線夾角約10°以內；匯流口（黃港附近）由于左、右汊下泄水流在深水航道內交匯，流態紊亂，水流流向與航道中心線夾角約為12～14°。

（2）尹公洲水道流速特征：航道內流速隨著流量級別的增大而增大，航道整治流量條件下航道內流速最小，防洪設計流量條件下航道內流速最大。分流口、彎道段以及匯流口的橫流相對較大，順直段（#107 黑浮至分流區航道、尹公洲水道進口段、出口段及大港水道）較于分流口、匯流口以及彎道段，流速相對更大。