摘要：通过拟复建港区河段的二维流港区前沿的水域条件，说明拟建的港址和结构型式可行。本文还通过二维水流泥沙数学模型计算了三峡水库成库后50年长江丰都河段泥沙淤积情况，分析了三个港区的淤积对港区的影响。本项研究为长江丰都县港区建设的可行性提供了科学依据。
关键词：港址 淤积 水域条件
1 前言
丰都县地处重庆市腹地，境内山峦重迭，水运约占全县客货运总量的90％。丰都港现有码头32座，泊位51个，最大靠泊能力1500t级，码头陆域高程一般为145.0m。三峡三期工程开工后，丰都港即被全部淹没。复建港口的设计高水位均为175.3m，设计低水位为135.5m。拟建名山镇港、新城乡港和丁庄溪港，其中，名山镇港上距涪陵53km，距三峡大坝430km，港区内设4个泊位；新城乡港拟布置在丰都县罐头厂一带，陆域高程177.3m，坡底高程为141.2m，共2个泊位；丁庄溪港区布置在上游庆林一带的长江岸边，采用坡道为梯道型式的斜坡码头，共布置5个泊位，坡顶高程177.3m，坡底高程为138.3m。为了预测丰都港口港址选择是否正确以及三峡建库后对丰都淤积的影响，本文采用二维水流泥沙数学模型计算了丰都新港在三峡水库蓄水后各运行时间内港区河段的泥沙淤积、河床演变、港区内水域条件。
2 港区内河道概况
长江上游河床起造床作用的主要是推移质，主河槽内悬移质一般处于不饱和状态。丰都县港口复建工程在航道里程477～490km内。该河段水流自西向东，突过四川盆地南部边缘，河床质多为砂、卵石，间有部分基岩，两岸基岩和乱石控制了水流摆动，平面形态变化不大，河势较稳定。长江干流进入规划河段后，河床宽窄相间，沿程起伏较大，江面由200m增到300m，主流略偏北岸，深泓水深30～60m。河段内有蚕背梁，该梁位于土地盘以下，河床左侧为大沙坝，宽300～600m，夹有石盘、石梁组成的瓦子坪；右侧为贝家梁，宽200m。蚕背梁长1km，宽150m，高程约139m。该梁纵卧江心，分水道为南北两槽。南槽为主航道，最窄处仅100m，水深20～50m，当水位为135～140m时，航槽内水乱流急，对船舶航行安全威胁较大。北槽瓦子坪为副槽，当水位达136.5*!m时设标通航，但因槽窄流急，仅供上水船舶通行。洪水期蚕背梁淹没，水位超过143m，可以通航。丰都县港口下游(航道里程481km)是凤尾坝，135m高程以上该大坝宽约500m，长约1500m，最高处达到160m，左岸为主槽，右岸为副槽，在132m水位时，副槽断航。
3 二维数学模型的建立
港区内水深变化较大、流态比较紊乱，加之计算时段较多、计算河段较长，为提高计算精度，本数模采用贴体正交坐标系下的平面二维水流泥沙模型方法。
3.1 贴体正交坐标系下的网格生成方法
本模型采用求解拉普拉斯方程得出正交曲线网格坐标[1～5]。设(x，y)为物理平面上的笛卡尔坐标系，(ξ，η)为物理平面上的笛卡尔坐标系，(ξ，η)为变换平面上的坐标系，它们满足拉普拉斯方程。
3.2 水流运动方程
(1)水流连续方程
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(1) |
(2)ξ方向动量方程
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(2) |
(3)η方向动量方程
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(3) |
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式中ξ、η分别表示正交曲线坐标系中两个正交曲线坐标；u、v分别表示沿ξ、η方向的流速；h表示水深；H表示水位；Cξ、Cη表示正交曲线坐标系中的拉梅系数；；σηη，σξη，σηξ表示三个方向的紊动切应力。 |
3.3 泥沙运动方程
3.3.1 悬移质不平衡输沙方程 非均匀悬移质按粒径大小可分成\$n0组，用SL表示第L组粒径含沙量，用PSL表示此粒径组悬沙所占比例，对非均匀悬移质中的第L组粒径含沙量，二维悬移质不平衡输沙基本方程为
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(4) |
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式中S*L=P*SLS*(ω)，P*S和S*(ω)=，ωL分别表示第L组泥沙挟沙能力、挟沙力级配和泥沙的沉速；K0为挟沙力系数，对于丰都河段，K0=0.015；m=0.92；α为含沙量恢复饱和系数，冲刷时为0.8，淤积时为0.1～0.15。 |
3.3.2 河床变形方程
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(5) |
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式中，Z表示河床总冲淤厚度，γ代表淤沙干容重 |
4 计算条件
4.1 计算河段
表1 三峡库区淤积量表
Deposited sediment in the Three Gorges Reservoir in the coming 50 years
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年份 |
总来沙量 |
全库总淤积量 |
河段淤积量 |
α系数 |
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| ||||
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10 |
51 |
31.60 |
0.49 |
0.948 |
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20 |
102 |
60.92 |
1.10 |
0.909 |
|
30 |
163 |
87.86 |
1.31 |
0.952 |
|
40 |
204 |
111.96 |
1.55 |
0.960 |
|
50 |
255 |
132.07 |
1.77 |
0.961 |
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| ||||
计算河段航道里程共13km。模型水流进口距丰都港最上游的港口丁庄溪港口上游约2.5km，考虑凤尾坝特殊地形的影响，模型出口布置在凤尾坝下游1km处，即航道里程477km处，距丰都港最下游的港口名山镇港口约4.5km。
4.2 系列水文年的选用及时段划分
根据寸滩站多年水沙资料分析，选取1961年至1970年10年作为典型系列年，各年水沙特征值见表1。资料表明，寸滩站加上武隆站(乌江)的10年平均年径流量为4202×108m3，年输沙量5.1亿t，含沙量为1.21kg/m3，分别较多年平均值大5.0%、2.4%和小2.4%，本系列包括了丰水丰沙、中水中沙和枯水枯沙等典型年，因此选用的系列年具有代表性。水库淤积计算采用上述10年系列循环进行，码头使用期按50年考虑，丰都河段的泥沙淤积和河床演变计算也计算50年。1961年至1970年各年按每年80个时段划分，汛期时段较多，其余大体均匀分布，基本上反映了各年水沙过程。
4.3 计算水沙条件的选择
数学模型计算中尾水位按长江科学院数学模型计算成果88号断面(航道里程480km)计算的水位控制，各时段的流量用寸滩+武隆控制，各时段的含沙量由下式计算
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Si=αGc+w/Qc+w |
(6) |
式中 Si指第i个时段的含沙量，Gc+w指第i个时段的寸滩+武隆的来沙量，Qc+w指第i个时段的寸滩+武隆的来流量，α为系数，由表1确定。
推移质主要淤积在库尾，在计算丰都河段时，不考虑推移质，只考虑悬沙。丰都以上河段淤积量较少，约占10%左右，悬沙级配采用寸滩多年平均值，见表2。
表2 寸滩多年平均级配表
Mean size distribution in Cuntan
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粒径范围(mm) |
&<0.005 |
0.005～0.001 |
0.001～0.025 |
0.025～0.05 |
0.05～0.1 |
0.1～0.25 |
0.25～0.5 |
0.5～1.0 |
|
| ||||||||
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小于该粒径的百分数(%) |
4.6 |
14.1 |
17.0 |
26.2 |
23.9 |
10.2 |
3.1 |
0.9 |
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| ||||||||
4.4 计算域网格
计算域按正交曲线网格，共布置200×35个网格点。网格纵向长度50～70m，横向长度20～30m。网格之间夹角在88～92°，基本正交。
4.5 码头型式在计算中的处理
名山镇港口、新城乡港口和丁庄溪港口，其码头型式都采用斜坡码头型式，码头设计陆域高程在180m左右，设计河底高程在135m左右。计算中采用网格插值法。
5 计算成果分析
5.1 关于验证的说明
本数学模型参照嘉陵江金沙碛河段的泥沙淤积验证进行水流泥沙参数初选，然后根据丰都河段在三峡水库成库后的泥沙淤积有关资料进行验证，最后得到水流泥沙的有关参数：(1)紊动粘性系数Vt中α=0.3～0.5;(2)挟沙力公式中挟沙力系数K0＝0.015；m=0.92；(3)含沙量恢复饱和系数α冲刷时为0.8，淤积时为0.1～0.15。根据这些参数计算出丰都河段建港前后淤积量和长科院计算整理成果[4]见表3。
表3 丰都河段淤积量比较表
Contrast of the deposited sediment before and after the port construction
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运行年份 |
建港前104m3 |
建港后104m3 |
长科院计算104m3 |
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| |||
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10 |
4649.6 |
4664.2 |
4900.0 |
|
20 |
11186.0 |
10744.0 |
11000.0 |
|
30 |
13249.4 |
12628.4 |
13100.0 |
|
40 |
15543.7 |
14793.1 |
15500.0 |
|
50 |
17719.1 |
16991.5 |
17700.0 |
|
| |||
表4 港区流速表
The velocity in the port area
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Q=15000m3/s |
Q=22852m3/s |
Q=60082m3/s | |||
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港区 |
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名称 |
35m |
70m |
35m |
70m |
35m |
70m |
|
| ||||||
|
|
0.87 |
1.04 |
0.53 |
0.63 |
0.87 |
1.06 |
|
|
1.18 |
1.23 |
0.69 |
0.74 |
0.97 |
1.26 |
|
丁庄溪 |
1.38 |
1.49 |
0.80 |
0.94 |
1.15 |
1.45 |
|
港区 |
1.39 |
1.66 |
0.53 |
1.19 |
1.21 |
1.45 |
|
|
1.68 |
1.97 |
0.00 |
1.13 |
1.23 |
1.47 |
|
|
2.47 |
2.46 |
0.00 |
1.27 |
1.35 |
1.57 |
|
| ||||||
|
|
0.76 |
1.25 |
0.00 |
1.49 |
0.38 |
0.66 |
|
新城乡 |
0.06 |
0.73 |
0.00 |
0.20 |
0.14 |
0.34 |
|
港区 |
0.78 |
1.01 |
0.29 |
0.99 |
0.30 |
0.55 |
|
|
0.36 |
0.20 |
0.66 |
0.48 |
0.33 |
1.27 |
|
|
0.30 |
0.59 |
0.00 |
0.64 |
0.10 |
0.35 |
|
| ||||||
|
|
0.60 |
0.47 |
0.57 |
1.36 |
0.37 |
1.21 |
|
名山镇 |
0.46 |
0.49 |
0.00 |
1.25 |
0.38 |
1.15 |
|
港区 |
0.03 |
0.03 |
0.08 |
0.11 |
0.04 |
0.04 |
|
|
0.04 |
0.18 |
0.13 |
0.39 |
0.03 |
0.10 |
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| ||||||
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说明：距码头前沿70m是指距码头拟建区的陆域高程145m前70m处，35m方法相同。此表给出的流速值是垂线平均流速。 |
5.2 港区水域条件分析
三峡水库建坝后，丰都河段的水位抬高，流速减小。建坝后淤积前各典型流量在各运行方案时码头前沿流场计算值列于表4。在三峡水库运行前10年，水库按156-135-140方案运行。①在1～50号断面，因河道较窄，约500m，河床最低高程64m，河床呈峡谷型，流速较大，主流带流速多在2.0～3.5m/s。由于地形影响，在左岸45号断面和右岸35号断面形成回流。码头前沿表面流速多在1.0～2.0m/s，在丁庄溪港区47号断面的表面流速稍大，约3.0m/s。②在50～110号断面，河床逐渐抬高，最低高程110m，河宽约1000m，流速在1.0～2.4m/s。在新城乡港区处表面流速大多小于2.0m/s。③110～200号断面，河面宽约1800m，中间有凤尾坝出露，流速在0.5～1.5m/s。名山镇港区附近流速较小，有部分回流。三峡水库运行前10年时Q=22852m3/s、h200=140.02m(h200代表尾端200号断面的水位)，丁庄溪港区前沿水域，在码头布置前后流速基本不变化，均为1.0～2.0m/s；新城乡港区和名山镇港区，码头前沿70m处表面流速小于1.5m/s，布置码头后其流速与未布置码头时相比，相差很小。此流量下，三个港区内码头前沿水深条件良好。
当三峡水库按175-145-156方案运行时，三个港区码头前沿的流速均小于0.4m/s，水深条件良好; 按175-145-156方案运行时，丁庄溪港区码头前沿70m处表面流速小于2.0m/s；新城乡港区和名山镇港区码头前沿70m范围内表面流速均小于1.5m/s。三个港区的水深条件均良好。
6 结论
经对丰都港口复建工程修建前后的流场和泥沙淤积计算，得到如下结论。
1.本项研究运用二维水流泥沙数学模型研究丰都港复建工程的港址的泥沙问题，参数的选取根据嘉陵江金沙碛河段的泥沙淤积计算进行初选，并采用长科院计算整理成果进行验证，其计算的淤积量基本反映丰都河段的实际情况。说明该数学模型基本能正确模拟丰都河段的泥沙淤积，参数选择也基本符合实际。
2.得到了在建坝后淤积前各典型流量在各运行方案时码头前沿流速。丁庄溪码头前沿表面流速多在1.0～2.0m/s，丁庄溪港区47号断面的表面流速稍大，约3.0m/s；新城乡港区和名山镇港区表面流速大多小于2.0m/s。三个港区的水深条件均能满足要求。
3.在三峡水库正常运行50年末，名山镇港区和新城乡港区前沿的淤积厚度分别为1.0～3.0m和0.8～3.0m。该淤积量对码头前沿的水域影响较小，水流流速较小、水深较富裕，说明名山镇港和新城乡港的港址选择和型式可行。
4.丁庄溪码头前沿为主要淤积区，其前沿70m范围内，50年末淤厚5～20m，由于河面较窄，码头前沿水深能满足要求，港区部分流速条件稍差，但不影响船舶进出。港址选择和型式基本可行。
参 考 文 献
[1] 三峡工程泥沙问题研究汇编。水电部科技司， 1998.
[2] 余利仁。正交坐标系的生成。河海大学学报， 1988，(5).
[3] 陆永军， 张庆华。平面二维河床变形的数值模拟。水动力学研究与进展，1993，(8).
[4] 帕坦卡。SV. 传热和流体流动的数值方法。合肥: 安徽科学技术出版社， 1984.
[5] 金钟青。N-S方程的数值解和紊流模型。河海大学出版社， 1989.