基于水动力的宿连航道穿越新沂河多叉航道整治设计

◎ 王东英 崔岩松 郝建新 许慧 徐宿东

1.宿迁市港航事业发展中心；2.东南大学交通学院

宿连航道作为江苏省干线航道网“五横”中最北的“一横”，全长329公里，处于沂沭泗流域下游。宿连航道工程跨越江苏省淮河流域的沂沭泗水系沂南、沂北片区。其中，宿连航道穿越新沂河处，与新沂河北偏泓、中泓两条主槽基本正交。新沂河已按东调南下续建工程50年一遇防洪标准实施，设计行洪流量7500～7800m3/s。在这种大行洪量的河道上开辟新航道，不仅关系到工程投资，而且与社会经济效益密切相关。因此，使汛期的新沂河交叉航段适航是研究的重心。依据《JTS 180-2-2011运河通航标准》中提到“运河中取、泄水口和其他汇流口的水域，航道横向流速不应超过0.3m/s，回流速度不应超过0.4m/s。为解决新沂河交叉河段处汛期横流流速过大的问题，需要深入了解交叉河段处水流条件，因地制宜提出切实可行的方案提高通航安全[1]。

1.工程概况

1.1 流域概况

宿连航道在新沂河穿越处。具体线路：宿连航道于柴沂河口斜交入新沂河，沿新沂河南偏泓主槽向东行进700m后，北上600m穿过新沂河滩地正交入新沂河中泓，沿新沂河滩地东侧继续行进500m后，正交入新沂河北偏泓，最后沿沭新河出新沂河。宿连航道线布置图见图1。

图1 宿连航道穿越新沂河处航道图

1.2 工程概况

沭阳控制工程主要建筑物包括：沭阳尾水控制闸、沭阳尾水北地涵2座水工建筑。沭阳尾水北地涵位于沭阳县扎下镇淮沭河东西偏泓交汇处，与沭阳尾水控制闸一起组成蔷薇河送清水枢纽工程，它的兴建对改善连云港工业、生活用水的水质有着极其重要的效益。

沭阳尾水北地涵按其重要性定为II级水工建筑物，设计流量为50立方米每秒，相应洞上水位H上为7.47米。该涵洞共2孔，单孔尺寸为4＊3.2米，洞身总长110米。沭阳尾水北地涵主要作用是将王庄闸下泄的污水，送至现北偏泓闸下，经叮当河段北泓，至小潮河段苓池河这条排污专道下泄入海。

沭阳尾水控制闸按其重要性定为II级水工建筑物，设计流量为150立方米每秒，相应洞上水位H上为8.2米，H下为8.1米；校核流量为200立方米每秒，相应水位H上为9.0米，H下为8.8米。该闸采用钢筋混凝土开敞式结构，闸身总宽为46.02米，共4孔，每孔净宽10米，底板顶高程为5.0米。沭阳尾水控制闸的主要作用是拦截由王庄闸下泄的污水，使之逼入穿淮沭河口东西偏泓交叉口的尾水北地涵。

2.Delft 3D数值模型构建与应用

Delft3D适合于浅水地区的模拟，对于新沂河交叉河段区域，河道长度大于断面尺度，所以河道水流流速可以用深度方向均值（Depth-Averaged Velocity）代替。本项目将采用RGFGRID和QUICKIN模组进行前处理，之后使用Delft3D-Flow模组对研究区域进行二维水动力的模拟计算以及结果的后处理。Delft3DFlow解算方程主要使用有限差分法，基于交替方向的ADI方法进行离散求解[2]。ADI并不会对方程进行直接求解，而是将多维的问题转换为一维问题后，再进行差分离散。

在Delft3D-Flow中所使用的二维的非线性浅水计算方程是由纳维-斯托克斯方程（N-S方程）衍生而来，此方程是为了描述不可压缩流体动量守恒的运动规律。假设流体的动力粘度μ在整个流场中均匀。

2.1 网格生成与地形数据

模型研究区域可见图1（黑色虚线），根据工程图与地形图提取岸线后，导入Delft3D的网格生成模型，建立了覆盖研究区域的二维数值计算网格如图2所示。网格直线长度约为12km，宽度约为2km。

图2 二维数值模型网格图

根据宿连航道的地形图与航道断面图，在AutoCAD中绘制散点图，以每个散点的三维坐标来表示点的位置和该点附近的水深[3]。最终生成的散点12000个，覆盖了每一个研究的重点区域，在网格进行三角插值也有较好的精度。散点数据处理后，生成的初始地形图如图3所示。

图3 初始地形图

2.2 模型验证

根据相关设计资料，采用新沂河整治工程初步设计的糙率：嶂山～沭阳：泓0.028、滩0.038。为了保证数值模型的准确性与可靠性，将本模型2021年7月模拟结果与沭阳水文站的实测资料进行了对比验证。数值模型覆盖水文站在南北泓的观测点，观测点断面以及观测点大致位置如图1所示，两泓观测点各设置8个。通过对比模型与实际位置相同的观测点，读取到每个观测点处流速、水位数据，最后求平均值比对。

根据沭阳水文站实测资料，北泓和南泓的东侧承担了上游来流的下泄任务，可以根据两泓的总流量设置上游开边界的流量条件。由于新沂河在汛期来流的比重最大，所以本模型考虑新沂河沭西段来流对模拟区域水流条件的影响。验证方案为：开边界分别设置流量400m3/s，911m3/s，1334m3/s，与实测数据一致后，进行模型的初步计算。如此是为了保证后续500m3/s和1000m3/s工况下模拟的准确性。根据观测点所得数据，与实测数据进行比对的结果如表1所示。

根据以上结果可以发现，流速与水位的平均误差分别在7.6%和4.7%，数值模拟与实际情况拟合较好，说明该模型具备可靠性，可以使用本模型继续计算。

3.航道整治方案模拟与分析

3.1 工程前工况

在完成模拟数据与实测数据的对比后，为了研究交叉河段对船舶通行的影响，现设置针对交叉河段口门区的观测点，以便研究对应区域的流速情况。所设计的计算工况如下：仅新沂河沭西来流500m3/s和1000m3/s。为了更为全面地了解研究区域水流条件，分别在航道途径口门处设置观测点，以便后续进行对照。

各观测点具体位置及作用如表2所示。

表2 观测点位置与作用表

为研究新沂河沭西段来流对交叉河段区域的影响，分别对新沂河上游边界500m3/s和1000m3/s流量的情况进行模拟，流速分布图如图4、图5所示：

图4 新沂河沭西500m3/s工况流速分布图

图5 新沂河沭西1000m3/s工况流速分布图

图6 新沂河沭西来流时流速

将横流流速模拟结果与0.3m/s相比较，将三条河流的流速情况绘制为折线图，如图所示。从模拟结果中可以看出，新沂河沭西段在500m3/s和1000m3/s来流时，大部分观测点处的横向流速会超过0.3m/s流速值，故应对新沂河沭西来流条件进行进一步的模拟与分析，按照实际情况提出两种航道整治开挖方案。

3.2 航道整治开挖方案分析与对比

3.2.1大范围开挖

针对新沂河沭西来流时，口门区横流速度较大的情况，本文首先提出了大范围开挖方案，旨在对北泓至南泓进行连续开挖，大范围扩大断面面积以降低流速，开挖区域主要为淮沭新河、新沂河交叉与宿连航道交叉部分，底高程设计为4.1m。经计算，设计开挖长度950m，宽度1.4km，挖方合计534万方，可以使航道表层横向流速满足0.3m/s要求。本方案不考虑将中泓上游引流至南偏泓进行分流处理，而是进行连续开挖，增大每个口门区域及附近的断面面积，模型计算后的流速结果与工程前流速对比[4]。如图7所示。

图7 新沂河大范围开挖流速对比图（500m3/s、1000m3/s来流）

可以发现，两种不同工况下的来流时，此种开挖方案使航道沿线横流满足0.3m/s的流速条件，并且可以使横流流速过大的地方有效降低。

3.2.2部分开挖方案

考虑到大范围开挖，施工技术和工程造价要求高，所以提出了仅在部分区域进行开挖的方案。开挖前，测点中北泓最大表层横向流速约为0.75m/s，开挖后可以使北泓流速降低；中泓由于过流流量较大，则通过上游引流和南泓接通，以减少中泓流量；南泓流速基本满足要求[5]。因此，部分开挖工程关注的重点在于北泓和中泓的口门与航道处的流速，依据工程需要，在北泓、中泓、南泓经多叉道航段区域进行开挖，在多叉道河流与上游边界之间开挖，将中泓水流向南泓引流[6]。具体开挖方案如下：北泓开挖范围长850米，宽100-300米，底高程4.1米，中泓开挖长度450米，宽60-330米，底高程4.1米，中泓向南泓引流段长700米，宽200-400米，底高程6.5米，南泓下游开挖长900米，宽100米，底高程4.1米。为了满足表层横向流速满足0.3m/s要求，以上合计挖方150万方。根据开挖方案，航道沿线测点横流流速统计如图8所示。

图8 工程前后横流对比（500m3/s、1000m3/s来流）

将工程后流速和工程前流速进行对比，此种开挖方案能有效地降低航道沿线口门区的横流流速，使航道沿线的口门区满足0.3m/s的横流流速要求[7]。

3.2.3方案对比分析

根据上述两种不同的开挖方案，大范围开挖方案显然能使口门区横流流速满足限值，其更有效地降低了表层横流速度[8]。若只考虑流速的影响因素，两种方案均可以减小横流流速，保证船舶航行。但是若考虑工程开挖的成本和难度，前者共计开挖150万m3，后者共计开挖534万m3，且大范围开挖相较部分开挖的优势并不显著。在实际应用中，需要考虑经济成本及可行性，因此本工程推荐选用部分开挖方案。

4.结论

本研究以宿连航道新沂河多交叉河段区域作为主要研究对象，根据实际地形资料以及施工图，建立了二维网格模型，对其水流条件进行了模拟，分析了新沂河沭西段500m3/s、1000m3/s来流情况下交叉河段口门区域的流速情况。根据不同的流量工况，提出了两种不同的开挖方案，且两种开挖方案均能降低口门区水流横流速度，但是从经济与工程量角度考虑，推荐选用部分开挖方案。