吳淞江泄洪對京杭運河通航影響的數值分析

夏 熙，朱 林，于建忠，沙 鵬

(江蘇省太湖水利規劃設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000)

京杭運河作為承載太湖流域腹地水量交換的骨干行水通道，不僅是江蘇省“兩縱四橫”干線航道網中的主干航道，也是全國水運主通道的重要組成部分，素有“黃金水道”之稱。近年來隨著現代水運事業的快速發展，運河各類船舶的載重規模及數量呈逐年上升趨勢，汛期泄洪對運河通航安全影響分析的必要性日益凸顯[1]。

目前吳淞江在瓜涇口樞紐下游約1.8km處與京杭運河呈敞口近“X”字型交匯，且運河東、西兩側未完全“對口”相接，如圖1所示。在瓜涇口樞紐規劃最大泄洪流量410m3/s的情況下，河道行洪水流導致京杭運河橫流流速不滿足JTS 180—2—2011《運河通航標準》6.2.3條“運河口中取、泄水口和其它匯流口的水域，航道橫向流速不應超過0.3m/s，回流流速不超過0.4m/s”的要求，使運河行駛船舶偏離航道，對船舶航行安全構成一定的威脅。考慮到橫流強度主要與夾角和流速大小相關，但受現場建筑物限制，京杭運河與行洪水流的夾角基本上沒有大幅調整的條件，因此需要局部優化交匯區河線布置或設置整流措施，以確保運河橫向流速滿足規范要求。為保障吳淞江泄洪期間京杭運河船舶通行安全，本文采用二維數學模型模擬計算不同運行工況下的交匯區水流條件，并根據計算結果提出有效的工程措施[2- 4]。

圖1 吳淞江與京杭運河交匯區現狀示意圖

1 工程概況

吳淞江(江蘇段)整治工程[5]位于太湖流域陽澄淀泖區，自江蘇境內東太湖瓜涇口，由西向東，穿京杭運河，充分利用吳淞江現有河道疏(拓)浚至蘇滬交界，并與上海段河道相接，河道整治全長61.7km(其中蘇滬交界段5.28km)。作為流域防洪治理的骨干工程，規劃恢復吳淞江行洪通道，不僅能夠促進長三角地區基礎設施互聯互通，同時可進一步完善太湖流域防洪工程體系，增加太湖洪水外排出路，提高流域東出黃浦江能力和工程沿線區域防洪除澇能力，并兼顧增強水資源配置、改善水環境和航運等綜合效益，更加有力支撐保障了長三角一體化的高質量發展。

2 計算模型

為了分析吳淞江與京杭運河交匯區的通航水流條件，針對工程所在河道形狀及水流特征，采用丹麥水力研究所(簡稱DHI)開發的MIKE21水動力學軟件，沿水深平均的平面二維水流數學模型對交匯區的水流條件進行分析計算[6- 8]。

2.1 基本方程

在實際水流運動中，各水力要素不僅有沿程和垂直方向水深的變化，同時又有橫向河寬的變化，一般屬于三維水流運動。對于在天然河流中水平運動尺度遠大于垂直尺度的情況，水深、流速等水力參數沿垂直方向的變化要遠小于沿水平方向的變化，從而將三維流動的控制方程沿水深積分，并取水深平均可得平面二維水流數學模型，其基本方程分別為水流連續方程和x、y方向水平動量方程[9- 10]。

2.2 網格劃分

如圖2所示，數學模型根據河線布置及非恒定流影響范圍，并考慮計算所需上下游長度，選取的計算范圍為吳淞江與京杭運河交匯區上下游河道。采用三角形網格對模型區域進行劃分，模型網格區域最大面積為50m2，對靠近橋墩等流態較為復雜區域網格進行了加密，網格區域最大面積為5m2。

圖2 吳淞江與京杭運河交匯區計算網格劃分圖

2.3 邊界條件

2.4 參數選取

根據地形資料，通過分析相關研究成果，河道糙率取0.025，計算時間步長取5s。渦粘系數一般取0.25～1.00，本次計算取0.50。同時為保證模型計算的連續性，采用“干濕判別”來確定計算區域，當水深小于0.05m時，標記為“干”，不參加計算；水深大于0.1m時，標記為“濕”，參加計算[11]。

3 計算工況

交匯區的水流條件同時受吳淞江及京杭運河泄洪流量的影響，水流條件較為復雜，工況設計選用工程所在區域最不利降雨典型條件時可能出現的各種不利水位流量組合逐一進行計算分析。根據太湖流域一維河網模型計算結果[12]，選用4組典型不利計算工況見表1。

表1 不同工況計算參數表

工況1為“吳淞江最大流量、此時相應交匯區水位最低”工況，即瓜涇口樞紐泄洪流量達到設計流量410m3/s時，交匯區水位為可能出現的最低水位3.8m，此時京杭運河對應的流量為50m3/s；

工況2為“吳淞江最大流量、此時相應運河流量最大”工況，即瓜涇口樞紐泄洪流量達到設計流量410m3/s時，京杭運河為可能出現的最大流量80m3/s，此時交匯區對應水位為4.1m；

工況3為“吳淞江最大流量、交匯區以北運河倒流流量最大”工況，即瓜涇口樞紐泄洪流量達到設計流量410m3/s時，此時交匯區以北京杭運河小范圍出現自南向北倒流，流量最大為40m3/s；

工況4為“吳淞江、運河流量同時相對較大”工況，由于京杭運河與瓜涇口樞紐錯峰泄洪，兩者泄洪流量不會同時達到最大值，但在2股水流共同作用下，存在交匯區水流流速較大的情況，此時吳淞江和京杭運河泄洪流量分別為230、190m3/s。

4 數值分析

4.1 無整流墩時交匯區流態

按照“降低交匯區水流流速且減少征地拆遷”為原則，確定交匯區河線方案采用流線型布置，保證河道拓浚寬度與水流擴散寬度基本一致，即拓寬尺度在最大限度增大過水斷面面積、降低水流流速的同時，盡可能減少征地和降低投資。同時考慮吳淞江泄洪期間水流流態及運河東西兩側未“對口”相接的實際情況，整體利用北側岸線，向南側偏移拓浚，形成喇叭口，以引導行洪水流主體向東行泄至運河以東吳淞江，如圖3所示。

圖3 吳淞江與京杭運河交匯區河線布置示意圖

本小節在工況1的基礎上，分析吳淞江泄洪對京杭運河航運的影響。計算結果表明，隨著河道向南拓寬，吳淞江與京杭運河交匯區橫流強度逐漸降低，但拓寬到250m后除運河航寬水域邊緣局部橫向流速仍超過0.3m/s不能滿足規范要求外，其余均滿足要求。同時在擴散角一定的前提下，河道起始拓寬位置上移對橫流改善有利，但將引起更大的征遷。如圖4所示，在河道起始拓寬位置不大幅上移的前提下，若進一步拉大交匯區河道喇叭口間距，交匯區水流形態基本上不會發生明顯變化，相應河道中心主流流速也無法明顯降低，難于達到改善交匯區的通航水流條件的目的。此外，受征地拆遷限制，交匯區河道拓寬尺度及范圍也不具備大幅擴大的條件。

圖4 吳淞江與京杭運河交匯區流場及橫流分布圖1(流速單位：m/s)

4.2 有整流墩時交匯區流態

局部橫流超標位置處于河道主流中心位置如圖4所示，主要是由于河道主流流速較大，因此在不增加河道拓寬尺度及范圍的情況下，需進一步采取整流措施，以降低河道主流流速。同時考慮到吳淞江運河以西段為等外級航道，故在不影響該段通航的前提下，多方案調整、試算，在交匯區西側河道中心橋墩下設整流墩，促使水流進入交匯區水域前將主流分流，降低主流流速，從而減輕對京杭運河的航運影響。

如圖5所示，增設整流墩后，吳淞江運河以西段河道泄洪主流遇整流墩后向南北兩側分成2股，雖然2股水流繞過整流墩后又匯合，但在“分-合”過程中增大了水流擴散范圍，同時在整流墩東側形成了一個小范圍的靜水區，有效降低了主流中心流速，從而使得圖4中橫流超標位置的水流流速明顯降低，橫流強度也均降低到0.3m/s以下。在交匯區4種最不利水位-流量組合工況下，京杭運河的橫流強度均降低到0.3m/s以下，滿足規范要求，即吳淞江泄洪對京杭運河通航安全基本無影響。

圖5 吳淞江與京杭運河交匯區流場及橫流分布圖2(增設整流墩)(流速單位：m/s)

5 結語

本文采用實測的基礎地形數據，針對吳淞江泄洪期間可能對京杭運河通航水流條件產生影響，以滿足橫向流速限值為要求，對工程所在區域最不利降雨典型的4種不同水位、流量組合進行了數值分析。研究表明，交匯區西側河線布置在規劃河道規模的基礎上，利用北側岸線向南側偏移拓浚形成喇叭口，并且增設整流墩，能有效改善交匯區的流態和航道內的通航水流條件，對確保京杭運河船舶航行安全有著十分重要的意義。此外考慮到數學模型本身的局限性，建議后期從物理模型試驗和船模航行試驗2個方面分析交匯區通航水流條件。