平面二维数学模型在三峡水库变动回水区典型码头工程通航论证中的应用
摘 要：本文介绍了三峡水库调度运行特点及变动回水区基本特性。基于平面二维水流数学模型，以实证模拟法，针对三峡水库变动回水区因码头修建影响通航的现象进行分析。结果表明，工程所处河段具有水库和天然河道的双重特性，工程的建设对通航的影响不大。
关键词：通航论证 三峡水库 变动回水区 数学模型
中图分类号：TK421 4 文献标志码：A 文章编号：
1.引言
涪陵地处三峡水库变動回水区域，素有渝中南大门之称，是重庆港的枢纽港区之一。涪陵液化石油气储配站通过长江槽船将液化石油气运往站内，液化石油气具有高危险性，因此需要结合专用码头进行配套运输。本在建工程现场位于重庆涪陵区，位于长江上游区域。逆江而上约28.6km到长寿区，顺流而下17.4km至到涪陵区，码头距长江上游水路里程约554.3km。为了确保长江主运河的顺利运行，避免建设工程的影响长江牛屎碛及剪刀峡河段的通航环境，根需进行拟建工程通航论证研究工作。
2.工程布置及通航环境
拟建工程利用岸线约100m，拟建1个10 0 0吨级液化石油气泊位。码头工程由两部分组成，其一为液化石油气储配站、后方陆域及预留用地，其二为输送液化石油气下河管道及人行梯道。拟建码头水工建筑物主要由下河斜坡道和靠泊趸船组成。初拟泊位靠泊趸船尺度55.0×10×1.3×0.8m（总长×型宽×型深×吃水），趸船通过6.0m长自备平板与下河斜坡道连接。拟建码头位于长江上游麻雀寨（551km）至长路板（557km）航段间，左岸一侧，水路里程约554.3km处，具体位于剪刀梁稍上游的水域附近。工程河段上自长河坎下至神斧头，全长约12.7km，处于三峡水库变动回水区下段，属山区性河流，河槽单一，水域较宽阔。码头工程上游河段微弯，工程及下游河段较为顺直。
2010年三峡水库按175～145～ 155m水位运行，工程河段水位抬高 7～37m左右。非汛期，航道水流条件有很大改善，水流平缓，流态好，航道宽阔，为上下水船舶安全航行提供了良好条件。汛期，坝前水位按145m水位运行，该河段处于变动回水区下段，虽然水位抬高7m左右，但山区河流的水流特征没有改变，仅流速较天然航道稍缓慢。若遇长江上游涨水或陡涨水位，汛期剪刀梁尾至火凤滩航段流态不良。在非汛期，工程河段上下水可通过5000～8000吨级船队或5000吨级各类自航船。汛期，下水船舶可拖带3000～5000吨级船队或通过3000～5000吨级各类自行船。上水，因汛期水位变化较大，可拖带1000～2000吨级船队或通过1000～5000吨级各类自航船。在码头前沿河段，上行船舶为避开主流走缓水，沿河道右岸一侧取适当距离上行。非汛期沿航道中间下行；汛期沿主流下行。在码头前沿下行船舶一般沿河心而下，中低水期应注意避开剪刀梁尾。
3.数学模型建立及应用
本数学模型建立为分析码头工程对于航道通航的影响，同时采用了正交曲线坐标，通过相关数学分析指数的统计，进行论证分析。拟计算区域为下游航道560.0km至550.0km里程的河段，全厂10.0km。本数学模型计算区域通过设置网格点，结合数学正交，分析数学参数，具体正交网格图示如下图1所示。网格点为801×81个，网格线各处交角为88～92°，正交曲线网络结构沿着长江流向的间隔距离为5.0～18.0m，沿长江河道的距离为大于10.0m，小于20.0m，且其平均距离为15.0m。
通过计算区域网格布置，得出河段水位、河水流速、河水流向三个参数指标，且通过模拟计算的结果与实际测量得出的结果吻合度较好。说明本二维模拟数值计算及分析方法能够正确模拟出河道实际水流，可通过数学模拟法计算出相应参数值，并给出工程建设前后码头河段的流场分布，如下图图2、图3所示。
（1）工程对水面比降的影响
计算结果表明，各级流量下工程后河道最大水位壅高值约4.2cm；最大水面比降增加值分别约为0.0 4‰，工程后水面比降最大为0.31‰，这表明码头工程对河流的改变对工地部分的航行条件没有多大影响
（2）工程对河道近岸流速的影响
三峡175m蓄水期由于水位大幅度提高，河道流速大大降低，码头前沿近岸流速较缓，均在1.0m/s范围以内。由于码头只占据河流表面的一小部分，对河流沿岸交通速度的影响有限。在不同的流量参数影响下，近岸50m处的流速变幅为大于-0.01m/s，小于0.02m/s；且近岸位置100m处时，其流速变化率较小，因此可得出，码头修建对于整体河流流速的影响甚小。
（3）工程对河道主流流速的影响
主流流速随着河道流量的增加而增加，当遭遇洪水后，工程沿河段的主体结构流速值达到4.30m/s；当在汛期，遭遇洪水流量的过程中，河道的主流流速接近3.66m/s；当蓄水值达到175m时，主流流速值达到1.0m/s，且呈现出逐渐减小的趋势。通过模型建立，分析数据得出，河道主流流速几乎无影响。
（4）工程对主航道航线流速的影响
在蓄水期，航线上的船舶、水流流速等均较小，而在汛期，随着水流量的增加，航线上的流速增加则较为明显，在主汛期船舶航线流速较大（航线较大流速主要发生在码头对岸的扁担梁附近水域）。由于各级流量流速的变化影响，使得码头终端的工程修建对于主航道流毒影响不大。
4.结语
本文介绍了位于三峡水库变动回水区涪陵的典型码头工程修建对通航条件的影响，研究方法合理，研究手段可行，可为工程建设提供良好的技术支撑和条件。