嘉兴煤炭中转码头泊位西移可行性研究

2012-08-14吴伟如刘光生

浙江水利科技 2012年4期

吴伟如,刘光生

(1.浙能嘉兴港煤炭物流有限公司,浙江嘉兴 314200;2.浙江省水利河口研究院,浙江杭州 310020)

1 问题的提出

独山排涝闸外闸位于杭州湾北岸独山外侧六里湾岸段,其肩负杭嘉湖地区防洪的重要使命。排涝闸上游侧已建有嘉兴电厂取排水设施及一、二、三期码头,下游侧建有嘉兴粮食码头。独山外闸上游300 m拟建3个泊位的3.5万吨级煤炭中转码头,据嘉兴港岸线利用及总体规划,独山排涝闸下游的独山港区将有30多个3.5万吨及以上泊位待建(见图1)。鉴于独山闸处于缓慢的淤积环境,自然状态下边滩处于淤积状态,煤炭中转码头建设将加剧独山排涝外闸前滩面淤积[1],为减小煤炭码头对独山外闸的影响,管理部门提出将煤炭中转码头向西移动,以远离独山外闸。为此,本文分别对煤炭中转码头平移前后工程水域流场特征及冲淤变化进行分析,为管理部门提供决策依据。

2 研究区域概况

图1 研究区域工程示意图

本工程所处的乍浦至金山水域主要的地貌单元有北岸深槽,独山排涝闸位于六里湾深槽边缘,排涝闸前沿水深约3.0m,煤炭中转码头前沿水深约-14.0 m,地形坡度较大。2011年实测水文资料显示,测次期间嘉兴电厂日潮差为6.1m左右,夜潮潮差为5.2 m,潮差较大;涨急流速约为0.68～1.01 m/s,落急流速约0.60～0.88 m/s,涨急流向在235°左右,落急流在 54°左右;含沙量为 0.2～1.5 kg/m3。受钱塘江上游径流、外海潮汐、河势变化等自然因素的共同作用,以及上下游人类活动的影响,独山外闸附近滩、槽均呈现持续淤积态势。嘉兴电厂码头建设后,码头后方滩地明显淤积,平均淤积幅度2 m左右,其中码头建成初期,后方滩地的淤积幅度已达到目前的1/2左右。

拟建煤炭中转码头位于下游独山闸和上游嘉兴电厂煤炭码头之间,距独山外闸轴线340 m,距上游侧嘉兴电厂一二期煤炭码头270 m,码头西移后,紧邻上游嘉兴电厂煤炭码头,距独山外闸轴线增至610 m(见图2)。

图2 独山煤炭中转码头相对位置示意图

3 二维潮流数学模型的建立

3.1 模型的选择

工程引起的冲淤变化主要是由于新建工程破坏原有水域水沙平衡所致,潮流场的分布和变化是海域泥沙运动的关键因素,因此需建立潮流数学模型。杭州湾水域潮强流急、垂向掺混充分,应采用垂向平均的二维潮流数学模型。

3.2 控制方程

沿垂线平均的平面二维非恒定流数学模型:

式中:z0为河床高程(m);u,v分别为x,y方向上的垂线平均流速分量(m/s);h为水深(m),即河床高程与潮位之和;g=9.81m/s2为重力加速度;f为柯氏力参数(f=2φ sinφ,φ为纬度,ω为地球自转速度);Cz为谢才系数;εx,εy分别为x,y方向的涡动扩散系数;Wx,Wy为x,y方向的风应力分量;x,y为直角坐标;t为时间(s)。

方程(1)为水流连续方程,方程(2)、(3)分别为x、y方向的动量守恒方程。上述方程中未知数 h、u、v在一定初始条件和边界条件下可得数值解。

有了以上条件,即可用一定的离散格式求出方程解。求解上述方程的数值方法很多,较为流行的有ADI法、破开算子法、直接差分法、特征线法、有限元法及有限体积法等,鉴于三角形网格的有限体积法计算简单、守恒性好、比较容易拟合复杂的边界、网格布设灵活、局部加密方便、适应性强的特点,本次采用基于三角形网格的有限体积算法。

3.3 计算条件

根据数学模型的主要任务及计算边界条件选取的要求,同时考虑边界选取的便利性,模型上边界设在盐官断面,下边界设在杭州湾口门的芦潮港—镇海一线。模拟水域面积为5 600 km2,边界潮位由实测资料提供。计算域内的网格布设考虑了水流、地形梯度的差异和工程布置,对水流和地形复杂及工程区域的计算网格作了进一步加密,以便更好地反映该地区的水流、地形的变化特征,保证流场模拟精度。

由于码头单桩尺寸很小、桩群结构复杂、规模庞大,因此数学模型不能完全准确地对其进行模拟,必须进行概化。按照等效过水面积对码头及栈桥的桩基进行概化,即将桩群占用的面积陆地化处理,使其不参与潮流计算,最小空间步长3 m,整个计算域内共174 462个三角形单元,88 194个有效节点,水流计算的时间步长为0.05 s。模型范围及桩基概化网格见图3。

图3 模型范围及桩基概化网格图

3.4 潮位和潮流验证

采用2011年4月大潮期的水文测量资料进行验证,图4a、4b给出了研究区域内的代表潮位及潮流点的验证图。模型的验证结果表明,模型采用的计算参数基本合理,计算方法基本可靠,能够模拟研究区域的潮流运动。

图4 a 潮位验证图

图4 b 流速、流向验证图

4 码头西移可行性分析

4.1 码头轴线与水流夹角

研究区域没有岛屿,水流主要受岸线的主导,涨落急流向均比较稳定,上游涨落急流向均大于下游涨落急流向。图5为现状情况下码头所在水域小范围涨落急流速分布图,为方便比较流场与码头之间的关系,将拟建独山煤炭中转码头的2个方案位置图放入流场中。

图5 研究区域涨落急流速图(左:涨急右:落急)

为便于分析码头轴线与工程区域水流之间的夹角关系,分别在2个方案的煤炭中转码头前沿取3个代表点,代表点L1位于平移后的煤炭中转码头前沿处,代表点L3位于平移前的煤炭中转码头前沿处,代表点L2位于2个方案码头交叉处,具体点位见图6。

通过工程水域小范围流矢图可以看出,由于码头前沿水域距围垦线比较近,受围堤线的控制,现方案码头前沿水流与码头轴线夹角较小,而西移后码头前沿水流与码头轴线之间夹角增大。表1给出了码头前沿各代表点流向特征值,统计发现,涨落急时刻均存在代表点L1处水流与码头轴线之间的夹角较L2和L3处大,涨急时刻夹角达8°,落急时刻夹角达10°。

图6 码头前沿代表点布置图

表1 码头前沿代表点位现状流向特征值表

4.2 码头建设对周边水域的影响

独山闸位于煤炭中转基地码头工程下游,落潮时独山闸受到的影响占主导地位,为说明煤炭中转基地码头工程建设对独山闸所在水域水流的影响,图7为2个方案实施后工程水域落潮平均流速变化图。

由图7可知,以10%流速减小等值线为准,现方案10%减小等值线距独山闸前沿约150 m,10%带状宽度约160 m,而西移方案10%减小等值线距独山闸前沿约100 m,10%带状宽度约180 m,此主要为码头轴线与水流之间夹角增大使水域影响范围变广所致;以20%流速减小等值线为准,西移方案的20%等值线距独山排涝闸前沿较远,此主要为20%等值线范围较小,随码头直接西移270 m远离独山排涝闸引起。

图7 a 码头建设后研究区域落潮平均流速相对变化图(平移前,%)

图7 b 码头建设后研究区域落潮平均流速相对变化图(平移后,%)

为定量分析煤炭中转码头建设后对独山外闸的影响,在独山排涝闸附近布置了5个代表点,分别位于独山外闸中心以及排涝闸前方100,200,325,450 m处(见图8)。

图8 独山排涝闸代表点位布置图

表2给出了煤炭中转码头工程实施后各代表点涨落潮平均流速变化百分比,可以看出:码头平移后独山外闸200 m范围内所在水域特征流速减小幅度均增大,码头平移前代表点A、B、C涨潮平均流速减小幅度为1%～2%,落潮平均流速减小幅度为5%～14%,码头平移后涨潮平均流速减小幅度为2%～4%,落潮平均流速减小幅度为6%～17%;码头平移后独山外闸200m范围外所在水域特征流速减小幅度均减小,水流有所改善,码头平移前代表点D涨潮平均流速减小幅度为3%,落潮平均流速减小幅度为15%,码头平移后涨潮平均流速减小幅度为2%,落潮平均流速减小幅度为9%。综合来讲,西移后的独山煤炭中转码头建设对独山外闸所在水域的水流条件没有明显改善。