甬江感潮河流上下游码头群对河道行洪的联合影响

陈 珺，邓丽华，于明田，施 凌

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098； 2.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098； 3.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007)

甬江位于杭州湾最南段，是中国东海独流入海的河流，上游支流奉化江和姚江在宁波市三江口汇合后始称甬江。20世纪80年代以前，甬江码头工程主要位于宁波三江口至宁波大学河段(即宁波老港)，80年代后，为分流上海港运量及承担浙江地区物资进出，在镇海电厂至镇海口河段陆续修建码头工程，形成了新的港区(镇海港)。目前宁波三江口至镇海口的河道南北两岸，码头修建数量共212座，主要集中分布在宁波三江口至宁波大学河段北岸，宁波大学至镇海电厂的北岸以及镇海电厂至镇海口的南北两岸(图1)。单座码头工程对于甬江河道

1—外滩大桥；2—庆丰桥；3—招宝山大桥图1 研究河道区域与码头工程分布示意图

不会造成显著的影响，但大量码头工程的建设，势必造成工程群效应，引起其附近水域水流流态等发生变化，从而可能影响河道河势及防洪安全，因此开展甬江码头群对河道行洪影响的研究具有重要意义。

目前国内外学者关于码头工程对河道行洪影响的研究取得了丰富成果。其中针对单座码头工程对河道行洪影响的研究较多[1-6]，码头工程群对河道行洪影响的研究相对较少[7-10]，而且多以局部码头工程群为研究对象，河道中不同位置码头工程群对河道行洪的联合影响并无研究。本文根据甬江码头工程分布密集程度将甬江河道分为宁波三江口—宁波大学、宁波大学—镇海电厂、镇海电厂—镇海口3段，分别以不同河段码头群为基本研究对象(图1)，建立甬江二维非恒定潮流数学模型，针对上述甬江3个河段已建码头群对河道行洪联合影响展开研究。

图3 甬江各河段典型位置码头工程分布遥感图

表1 甬江码头工程信息

注：阻水比是在100年一遇洪水+5年一遇潮落急状态下码头阻水面积与河道过水面积之比。

1 码头工程基本情况

甬江码头工程陆续兴建始于1960年，其中宁波三江口—宁波大学河段码头工程修建集中于1975—1985年；宁波大学—镇海电厂河段码头修建集中于1985—2000年，码头吨级为500～5 000 t不等，包括生产性码头(货运、渔业等)、公务码头和工程船码头；镇海电厂—镇海口河段码头工程修建集中于1975—2006年，其主要为生产性泊位(散货、集装箱和液体化工泊位)，泊位吨级为1 000～20 000 t不等，其中液体化工码头已成为我国最大的商业散装液体化工专用泊位，每年基本上占全国散装液化品进口总量的15%～20%。图2为甬江河道各时段码头建设数量统计图。图3为甬江各河段典型位置附近码头工程分布遥感图。表1为甬江河道码头工程信息统计表。

图2 码头建设年份与数量分布

2 模型建立与验证

基于Delft3D模型建立甬江二维非恒定潮流数学模型，针对甬江不同河段码头群对河道行洪联合影响进行模拟研究。该模型采用贴体交错四边形网格划分计算区域，通过ADI有限差分格式对二维水动力基本方程进行离散求解，兼具了隐式和显示格式的优点，计算稳定且精度高，具体方程及求解方法见文献[11]。

2.1 计算河段选取及网格划分

在综合考虑甬江河道码头工程分布及实测水文资料等因素的基础上，模型计算范围选取如下：姚江大闸(边界1)至宁波三江口约3.3 km，奉化江鄞县大桥附近水文观测断面CS7(边界2)至宁波三江口约9.5 km，宁波三江口至甬江口附近部分海域(边界3、4)，其中河道约25.6 km。地形采用2016年实测高程(图4)。姚江大闸至宁波三江口河段网格数为18×186个，网格长度为10～18 m；奉化江CS7断面至甬江口网格数为36×2 576，已对码头工程所在网格进行加密，网格长度为5～16 m(图5)。

图4 研究区域河道地形与断面位置

图5 模型计算区域网格划分

2.2 码头工程概化

甬江河段码头结构形式为重力式、高桩式和浮码头，其中以高桩式码头为主。对于码头桩群的概化，重力式码头所在网格，直接作不过水处理，浮码头所在网格直接做过水处理，而高桩式码头桩群所在网格节点，采取修改糙率和抬高地形的方式进行概化，具体原理如下：

a. 局部糙率修正。码头桩群分布可看作为拦污栅形式的阻水建筑物，桩群的存在增加了水流的局部阻力损失，可通过增加桩体所在网格单元的糙率来实现[12]。可按下式进行计算：

(1)

式中：n为桩体所在网格单元综合糙率；n0为工程前码头附近河床糙率；ζ为桩体局部阻力系数；b1为网格单元中桩体沿河宽方向总宽度；b为桩间距；θ为桩与河底夹角；β为桩体形状系数；h为水深;g为重力加速度。

b. 局部地形修正。假设网格单元河底高程增加值阻挡的流量与桩群阻挡的流量相同[13-14]，得到单元内河底高程增加值为

a=h(b1/b2)6/7

(2)

式中：b2为沿河宽方向网格宽度。

2.3 模型率定和验证

图6 2015-06-17洪季大潮各水文测站潮位率定

模型边界均给定非恒定流条件，边界1为姚江大闸实际统计排放流量过程，边界2为CS7断面实测潮流量过程，边界3、边界4为镇海口水文测站实测潮位过程。采用曼宁糙率系数反映滩槽的床面阻力，河槽糙率小于滩地糙率，通过2015年6月17日14时至18日16时洪季大潮实测水文资料进行率定(图6和图7)，河槽糙率取n=0.016～0.025，滩地糙率取n=0.026～0.032。采用2016年1月9日18时至10日22时实测枯季大潮水文资料对模型进行验证(图8和图9)。从图中可以看出，各水文测站计算潮位与实测潮位误差较小，各观测断面垂线流速和流向过程与实测值基本吻合，验证结果较好，表明模型可用于潮洪组合条件下的码头群对河道水流行洪联合影响的模拟研究。

图7 2015-06-17洪季大潮各断面流速流向率定

图8 2016-01-09枯季大潮各水文测站潮位验证

3 模型计算与结果分析

3.1 计算方案

根据甬江河道的码头工程分布密集程度，将甬江河道分为宁波三江口—宁波大学、宁波大学—镇海电厂和镇海电厂—镇海口3段，其中方案1～3主要研究单段码头群对河道行洪的影响，方案4研究全河段码头群对河道行洪的影响，具体计算方案如表2所示。使用所建甬江平面二维潮流数学模型，计算100年一遇洪水+5年一遇潮位组合条件下，洪水落急时刻甬江不同位置码头群对河道行洪的影响。边界1和边界2选用流量过程，边界3和边界4选用潮位过程。

表2 计算方案设置

图9 2016-01-09枯季大潮各断面流速流向验证

3.2 码头群对河道水流特性影响分析

3.2.1码头群对河道水位影响

a—宁波海盛股份有限公司1号码头；b—宁波港集团公司1号码头；c—明富砂场码头；d—镇海发电厂卸煤码头；e—热电厂煤码头；f—上航二处镇海2号码头；g—航代白沙码头；h—上航二处镇海2号码头图10 不同计算方案落急时刻河道水位变化分布

各方案中码头工程群在100年一遇洪水+5年一遇潮落急时刻对河道水位影响分布如图10所示。根据河道平面形态分布特征，在姚江、奉化江及甬江河段设定一定数量的观测断面，以宁波三江口为中心，依次绘制各观测断面水位平均壅高值沿程分布如图11所示。对各方案中落急时刻河道水位变化情况统计如表3所示。由图10、图11和表3可知，单段码头群对河道洪水位影响规律类似：①单段码头群所处河段码头群末端水位降低，越往上游，壅水不断累积，呈现出不同程度的交错壅高，水位壅高和降低最大值均出现在码头工程局部区域，方案1～3中码头群所处河段断面水位平均壅高最大值分别约为4.00 cm、1.30 cm和2.46 cm，局部水位壅高最大值分别为7.00 cm、2.70 cm和7.28 cm；②单段码头群所在河段上游洪水位壅高，下游洪水位降低，前者幅度远大于后者，河道水位壅高范围均达到了CS7断面处，水位降低范围分别约为1.86 km、1.29 km和1.50 km；③单段码头群引起的水位壅高程度因其所处位置和分布密集程度不同而异，码头群距河口越远，码头工程分布越密集，引起的河道洪水位壅高程度越大，方案1中码头群引起的河道洪水位壅高程度最大。全河段码头群在洪水期间引起全河段水位普遍壅高，河道断面水位平均壅高最大值约5.48 cm，局部水位壅高最大值约8.78 cm，码头群所在河段水位出现不同程度交错壅高，河道壅水范围达到CS7断面处，在临近镇海口附近的河道局部区域出现了较小幅度的水位降低。

表3 不同计算方案落急时刻河道水位变化

图11 不同计算方案落急时刻河道断面水位平均壅高沿程分布

对比单段码头群与全河段码头群影响计算结果可知，甬江上下游不同位置码头群对河道洪水位存在联合影响。全河段码头群共同作用时，在各码头群共同产生壅水影响的区域，各段码头群对河道洪水位影响相互累积，使得河道洪水位变化比各码头群单独影响时增加；在上游码头群引起河道洪水位降低而下游码头群引起洪水位壅高的区域，洪水位影响部分相抵，但由于降低幅度小于壅高幅度，河道洪水位变化值仍呈增加状态。例如：全河段码头群对河道洪水位共同作用时，相对仅有宁波三江口—宁波大学河段码头群作用，姚江和奉化江河段水位壅高值分别增加1.0～1.5 cm和0.7～1.4 cm，宁波三江口—宁波大学河段水位壅高值增加1.40～2.36 cm，宁波大学—镇海电厂河段水位壅高值增加2.3～3.0 cm，镇海电厂—镇海口河段临近河口，其水位受海域潮位影响较大，在洪水期间该河段水位基本不受上游码头群影响。

3.2.2码头群对河道流速影响分析

各方案中码头工程群在100年一遇洪水+5年一遇潮落急时刻对码头群所在河段流速影响分布如图12所示。将各方案中码头工程群落急时对河道流速影响统计如表4所示。由图12和表4可知：①单段码头群工程局部区域水流流速减小，码头工程外侧河道水流流速增加，其中宁波三江口—宁波大学河段与镇海电厂—镇海口河段北岸码头群分布密集，工程局部流速减小区域与外侧河道流速增加区域均呈现为带状，方案1～3码头工程局部流速减小最大值分别约67.9 cm/s、47.0 cm/s和48.9 cm/s；②单段码头群上游河道流速变化幅度大于其下游河道，上游流速变化随距码头群所在河段的距离的增加而减小，主要呈现为减小状态，下游流速基本不受码头群的影响；③单段码头群对河道水流流速影响程度因其所在河段及分布密集程度不同而异，码头群距河口越远，码头工程分布越密集，河道流速变化越大，方案1中码头群引起的河道流速变化最为显著，姚江河段流速减小0～2 cm/s，奉化江河段流速减小0～3 cm/s，宁波三江口—宁波大学河段码头工程外侧河道水流流速增加0～6 cm/s，码头工程局部区域水流流速减小0～8 cm/s。

在全河段码头群共同作用时，各河段水流流速变化幅度均出现了增加，其中流速减小程度较增加程度大，可见不同河段码头群联合作用加剧了单段码头群阻水作用引起的河道洪水期间水流流速的变化。例如相对于仅有宁波三江口—宁波大学河段码头群作用，全河段码头群作用引起的宁波三江口—宁波大学河段流速增加值从0～6 cm/s扩大为0～7 cm/s，流速减小值从0～8 cm/s扩大为0～13 cm/s。

图12 不同计算方案中码头群所在河段落急时刻流速变化分布

表4 不同计算方案落急时刻河道流速变化

4 结 论

a. 单段码头群所处河段码头群末端水位降低，越往上游，壅水不断累积，呈现出不同程度的交错壅高，其上游河段洪水位壅高，下游局部河段洪水位降低，壅高幅度大于降低幅度。因单段码头群所处位置与分布密集程度不同，水位壅高程度存在一定差异，码头群距河口越远，码头工程分布越密集，引起的水位壅高程度越大。

b. 不同位置码头群对河道行洪存在联合影响。在各码头群共同产生壅水影响的区域，各段码头群对河道洪水位影响相互累积，使得河道洪水位变化比各码头群单独影响时增大；上游码头群引起河道洪水位降低而下游码头群引起洪水位壅高的区域，洪水位影响部分相抵，但由于降低幅度小于壅高幅度，河道洪水位变化仍呈增大状态。

c. 无论是单段码头群还是全河段码头群作用，码头工程局部区域水流流速减小明显，码头工程外侧河道水流流速增加；宁波三江口—宁波大学河段与镇海电厂至镇海口河段，码头群工程局部流速减小区域和外侧河道流速增加区域均呈带状分布；单段码头群所在河段上游河道流速变化幅度大于其下游河道，上游流速变化主要呈现为减小状态，下游流速基本不受码头群的影响；全河段码头群共同作用时，相对单段码头群作用，各河段水流流速变化加剧，流速减小程度较增加程度大。