平面二維數(shù)學(xué)模型在三峽水庫變動回水區(qū)典型碼頭工程通航論證中的應(yīng)用

虞紅海

摘 要：本文介紹了三峽水庫調(diào)度運行特點及變動回水區(qū)基本特性。基于平面二維水流數(shù)學(xué)模型，以實證模擬法，針對三峽水庫變動回水區(qū)因碼頭修建影響通航的現(xiàn)象進(jìn)行分析。結(jié)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(shè)對通航的影響不大。

關(guān)鍵詞：通航論證 三峽水庫 變動回水區(qū) 數(shù)學(xué)模型

中圖分類號：TK421 4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：

1.引言

涪陵地處三峽水庫變動回水區(qū)域，素有渝中南大門之稱，是重慶港的樞紐港區(qū)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(nèi)，液化石油氣具有高危險性，因此需要結(jié)合專用碼頭進(jìn)行配套運輸。本在建工程現(xiàn)場位于重慶涪陵區(qū)，位于長江上游區(qū)域。逆江而上約28.6km到長壽區(qū)，順流而下17.4km至到涪陵區(qū)，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(shè)工程的影響長江牛屎磧及剪刀峽河段的通航環(huán)境，根需進(jìn)行擬建工程通航論證研究工作。

2.工程布置及通航環(huán)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(yù)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(cè)，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(qū)下段，屬山區(qū)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(tài)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(qū)下段，雖然水位抬高7m左右，但山區(qū)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(tài)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(cè)取適當(dāng)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(yīng)注意避開剪刀梁尾。

3.數(shù)學(xué)模型建立及應(yīng)用

本數(shù)學(xué)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(biāo)，通過相關(guān)數(shù)學(xué)分析指數(shù)的統(tǒng)計，進(jìn)行論證分析。擬計算區(qū)域為下游航道560.0km至550.0km里程的河段，全廠10.0km。本數(shù)學(xué)模型計算區(qū)域通過設(shè)置網(wǎng)格點，結(jié)合數(shù)學(xué)正交，分析數(shù)學(xué)參數(shù)，具體正交網(wǎng)格圖示如下圖1所示。網(wǎng)格點為801×81個，網(wǎng)格線各處交角為88～92°，正交曲線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(qū)域網(wǎng)格布置，得出河段水位、河水流速、河水流向三個參數(shù)指標(biāo)，且通過模擬計算的結(jié)果與實際測量得出的結(jié)果吻合度較好。說明本二維模擬數(shù)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(shù)學(xué)模擬法計算出相應(yīng)參數(shù)值，并給出工程建設(shè)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(jié)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(nèi)。由于碼頭只占據(jù)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(shù)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(dāng)遭遇洪水后，工程沿河段的主體結(jié)構(gòu)流速值達(dá)到4.30m/s；當(dāng)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(dāng)蓄水值達(dá)到175m時，主流流速值達(dá)到1.0m/s，且呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。通過模型建立，分析數(shù)據(jù)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(fā)生在碼頭對岸的扁擔(dān)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(jié)語

本文介紹了位于三峽水庫變動回水區(qū)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(shè)提供良好的技術(shù)支撐和條件。