张玉兰，余蝶双

(宁波市水利水电规划设计研究院有限公司，浙江 宁波 315000)

我国东南沿海的感潮河口河段，汇聚了其所在流域上游的洪水，河道行洪压力较大。与此同时，河口段又是航运作业最为忙碌的河段，河道两岸由于航运的需要建设了较多货运码头，而这些码头的建设会对河道的行洪造成一定的影响。如何科学评价其影响程度，均衡好航运建设与防洪安全之间的关系成为了当务之急。然而，感潮河口段水流复杂，洪潮交织[1- 3]，同时水下地形影响较大，因此传统的一维模型已不能满足其影响评估需求，亟需采用更为精细的二维模型进行研究和评估。

1 流域及码头工程概况

甬江，由姚江、奉化江在宁波市三江口汇合而成。甬江自三江口向东北蜿蜒伸展25.6km，至镇海游山外入海。从姚江源头夏家岭眠岗山至游山入海口，全长133km；从奉化江源头大湾岗至入海口，全长119km。甬江河道弯曲，江面一般宽300～450m，平均水深4～5m，水面比降小于0.01‰，为宁波市主要航道及姚江、奉化江的主要出海通道和行洪通道。甬江干流为感潮河段，咸淡水体交替，以径流和潮流共同作用为主，水动力条件复杂。

该码头工程位于甬江干流北岸，所处河面较宽。本工程所处河段的两岸现状堤防防洪(潮)标准为100年一遇。工程附近水利工程设施主要有孔浦闸、杨木碶闸和新杨木碶闸。

工程附近河道主槽河底高程为-4.5m～-5.5m，边滩河底高程为-0.5m～1.7m。甬江的潮汐属正规半日潮，潮流呈往复流。据多年实测潮位资料统计分析，历年最高潮位3.3m，历年最低潮位-3.85m，历年平均高潮位1.07m，历年平均低潮位-0.67m，历年最大潮差3.53m，平均潮差1.74m。

2 影响分析研究

2.1 模型原理

本码头工程所处的河段为宽浅型河流，采用二维水动力方程即可反映河段的水流运动特性。所以，本文建立河口段二维水动力数学模型。该模型在国内多个桥梁等涉河工程中得到实践应用，能准确分析一般冲积性河段及工程附近的水动力变化情况。

(1)控制方程

本次采用的二维水动力数学模型[4- 6]综合考虑洪水演进过程，可以全面模拟计算域内水流过程。水动力学模型的控制方程由水流连续方程与运动方程等方程组成，主要控制方程如下：

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水流连续方程：

(1)

水流运动方程：

(2)

(3)

式中，H=h+ζ—垂线水深；ζ—水位；u、v—x、y方向的垂线平均流速分量；ε—紊动运动粘性系数；n—糙率系数；g—重力加速度。

(2)数值计算格式

本模型采用非均匀网格，拟在码头工程附近区域和地形较大的局部区定向加密网格。计算时采用有限体积法，控制方程离散时，结果变量U、V位于单元中心，跨边界通量垂直于单元边。

(3)边界条件

初始条件：对于建模的给定的计算区域，给定水位和流速初始值。

边界条件：进口边界条件，给出进口开边界处的水位、流量过程，由全流域模型或实测数据给出；出口边界条件，本文是自然开边界，主要是经下边界或侧边界出流的河流，由全流域模型或实测数据给出。

2.2 模型概化

(1)网格概化

本次建立的二维水动力数学模型，计算范围从上游白沙公园至下游梅墟闸，总长约9.0km。为了反映河道地形和工程情况，同时满足流场计算精度要求，网格宽度设为15～30m。在本码头工程附近进行逐个加密，加密网格宽度设置为0.5～3m。模型计算网格剖分图如图1所示，模型的网格节点9655个，网格数18687个，本码头工程区局部加密网格概化图如图2所示。

图1 模型网格概化图

图2 码头工程区局部网格概化图

(2)地形概化

数学模型地形资料采用2018年甬江实测地形(包括边滩和主槽)，以及2019年本码头附近区重新加密测量的水下地形，两份资料叠加而成，概化如图3所示。

图3 模型水下地形概化图

(3)码头概化

本工程涉及浮码头和高桩板梁码头两种形态，本次根据工程上采用的调整码头桩群区域糙率[7- 8]的方式对工程区群桩阻水进行概化，工程区糙率取值为0.04～0.05。

(4)边界条件

本模型共设置2组开边界，其中上边界为白沙公园断面，下边界为梅墟闸断面。模型验证的边界条件采用2017年实测水文资料进行验证，计算工况的边界条件选取甬江整体流域模型中得到的水位、流量过程。

2.3 模型验证

2017年2月27日—2017年3月6日对工程附近区域进行了水文测验，具备详尽的实测资料，可为模型验证使用。模型验证边界采用白沙公园、梅墟闸下的实测资料，潮位验证选取工程附近3个测点作为验潮站，流速验证采用桥位3个测点。

模型在调试过程中，采用滩槽不同糙率模拟流场阻力，使模型计算的潮位及流场与实测的误差满足规定要求。经比选后确定河槽糙率取n为0.01～0.025，滩地糙率取n为0.03～0.04，模型验证成果分述如下。

(1)潮位验证

模型计算潮位过程与实测潮位过程基本吻合，相位差控制在半小时以内，高、低潮位的误差不超过0.10m，满足相关技术标准的要求。

(2)流速验证

各测点计算流速与实测流速基本接近，最大流速和憩流出现时刻与实测基本一致，除个别点的涨急或落急流速有所偏差外，其余点流速验证情况良好，涨、落潮平均流速的误差在10%以内，满足潮流模拟的有关规程要求。

综上所述，本次所建立的定床模型能较好地复演天然情况下河道的涨、落潮水流运动，模型计算所得的水位变化过程和流速分布过程与原型基本一致，表明模型的相似性较好，在此基础上可以进行工程方案的计算研究。

2.4 影响分析

(1)壅水计算成果分析

本工程所处河段的两岸现状堤防防洪(潮)标准为100年一遇。按照流域规划的100年一遇成果作为边界。在此条件下，与码头工程建设前相比，工程建设会造成码头断面上游产生最大水位壅高为3cm，壅水长度约310m，主要位于上游左岸边滩。如图4所示。

图4 100年一遇洪水条件下码头建设水位壅高等值图

在码头工程上游2.0km甬江左岸布设有孔浦闸，本工程上游0.7km甬江右岸布设杨木碶闸，本工程下游甬江右岸布设有新杨木闸。结合上游壅水分析可知，孔浦闸位于壅水影响范围以外，杨木碶闸和新杨木碶闸均位于河道右岸，亦无壅水影响，由此可得本工程的建设，对附近水闸排水基本不产生影响。

(2)流速变化成果分析

经模型测算，码头工程建设后，100年一遇流量条件下，码头断面上游流速减小，减幅为0.01～0.12m/s，范围自上游200m至下游100m区域。码头断面受水流压缩影响，流速略有增大，增幅为0.01～0.11m/s。码头下游，码头掩护区流速呈现减小特征，减幅为0.01～0.04m/s，右岸边滩及主槽基本不变。码头工程建设前、后流速变化等值图如图5所示。

图5 100年一遇洪峰流量下工程前后流速变化等值图

本码头工程建设实施后，上、下游边滩流速呈现减小趋势，码头断面流速略有增大。再综合实测大小潮流速，分析可得正常潮汐条件下，码头工程建设前左岸边滩流速为0.5～0.8m/s，码头工程建设后左岸边滩流速减小约0.01～0.08m/s，进一步测算得到因本工程建设新增年淤积厚度约0.10～0.15m，淤积范围自上游200m至下游100m。因此，建议配套相应的清淤措施，减小影响。

3 结语

为了协调沿海感潮河段的航运与防洪安全间的关系，有必要对航运码头的建设进行科学的洪水影响分析。但感潮河段水力条件复杂，因此需要建立合适的模型进行分析。本文选定二维水动力模型为分析手段，以甬江北岸某码头的建设为例，概化了该码头上下游共9km的河段为计算范围，进行了网格剖分并对码头工程区进行了网格加密。在模型通过实测水文资料的检验后，以河段百年一遇防洪防潮标准的洪水为边界条件，进行了壅水分析和流速变化等水动力分析。得到结论：本码头建设引起壅水对附近水闸排水无显著影响；建设导致的上、下游边滩流速呈现减小趋势，会引起淤积，建议配套清淤措施。本文的分析方法可为感潮河段码头、桥梁等类似涉水建筑的影响分析提供一定参考。