都安红渡作业区码头工程对河道防洪的影响分析

吴梓贤，覃振威，张小飞

（广西大学，广西 南宁 530004）

西南水运出海中线通道包括南、北盘江及红水河。红水河始于南盘江与北盘江汇合处，止于广西象州石龙三江口，是西南水运中线通道的重要组成部分，流域内资源丰富，在珠江水系内河运输中具有突出地位。“十一五”规划以来，域内基础设施建设的滞后一直严重阻碍着红水河通航功能的充分发挥，其中尤以龙滩枢纽通航设施建设的滞后为甚。在龙滩升船机建设方案悬而未定的情况下，为尽快恢复红水河航道的全线通航，广西红水河复航工作领导小组决定实施“龙滩翻坝”项目，分两期进行建设。其中，拟建的一期工程都安红渡作业区码头工程位于百龙滩坝下约3 km 处的红水河左岸处，距都安红渡大桥约1 km，距都安县约6 km，属涉河工程。而根据我国相关法律规定，涉河工程应在修建之前进行防洪评价[1]。基于此，在满足实际工程需要的前提下，本文根据现有水文资料运用水文分析计算软件建立了都安红渡作业区码头所在河段的二维水流计算模型，对比分析不同工况下码头修建前后其所在河段的水文情势，分析都安红渡作业区码头的建设对其所在河道行洪的影响。

1 模型的建立

1.1 模型计算方法及原理

为了研究码头建设前后不同工况下河道不同位置的水位、流态的变化情况，本次计算分析中采用二维水流计算模型对工程建设前后不同水文条件下的河道水流进行数值模拟计算。模型计算方法为采用单元中心的有限体积法对二维浅水控制方程组进行求解，模型边界条件为上边界给定流量，下边界给定水位。其二维浅水控制方程如下：

整合水流动量方程和连续方程，在水深上h=η+d，可得到二维浅水方程：

式中：t 是指时间；x,y,z 为右手 Cartesian 坐标系；d 为静止水深；h=η+d 为总水深；η 为水位；u,v,w 分别为流速在 x,y,z 方向上的分量；ρ 为水的密度，ρ0则是参考水密度；pa为当地的大气压；f=2Ωsinφ 为 Coriolis 参数（Ω 是地球自转角速率，φ 为地理纬度）；fv¯和fu¯为地球自转引起的加速度；Sxx,Syy,Syx,Syy为辐射应力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy为水平粘滞应力项，S 为源汇项，(us,vs)源汇项水流流速。横线表示深度的平均值。例如，u¯和v¯是平均深度的速度，被定义为：

横向上Tij包括粘滞摩擦，动荡的摩擦和差别平流。它们的估测使用的是一种基于平均深度流速梯度的涡粘性公式：

1.2 计算区域的概况与模型的建立

拟建的红渡作业区码头位于百龙滩电站下游3 km 红水河左岸，上距红渡大桥约1 km。场地所处河道河面较窄，枯水水面宽约75 m，两岸为石质岸坡，坡度陡峭。码头以上河道顺直，以下700 m 左右进入一个偏左近90°的弯道。

根据码头工程所处河段的特点选择模型计算区域河道长约4.6 km。模型计算河段上边界在红渡大桥以上，位于拟建码头上游约1.8 km；下边界位于弯道出口处，距码头工程约2.8 km；两岸边界沿河岸最高点，高程约148 m～155 m。综合考虑计算区域面积、地形特点以及涉水工程尺寸等因素，采用非结构三角形网格进行剖分，为使网格大小能有效模拟工程实际，对码头附近的局部河段进行加密处理。计算地形资料采用实测1/1000 地形图，计算网格及区域数字化地形图见图 1 和图 2。

图1 计算区域网格图

图2 计算区域数字化地形图

2 模型的率定

采用《红水河恶滩水电站扩建工程可行性研究（初设）报告》中洪水回水水面线成果对模型进行率定。率定流量为18800 m3/s，《红水河恶滩水电站扩建工程可行性研究（初设）报告》中对应百龙滩坝下水位148.55 m，都安水文站水位147.6 m。河道糙率值取为0.036～0.042 左右。

水位率定结果见表1 和图3，可见水位计算值和恶滩水电站扩建工程回水成果吻合较好，水位值偏差在0.03 m以内。其中《红水河恶滩水电站扩建工程可行性研究（初设）报告》中回水位比本次率定水位最多高0.03 m，最多低0.02 m。

表1 水面线率定成果表

图3 水面线率定成果图

模型率定结果表明计算值与恶滩水电站扩建工程回水成果吻合较好，模拟精度能够满足对本河段洪水分析计算的要求。

3 工程建设对河道行洪的影响

为了比较不同洪水情况下码头对行洪的影响，本次分别考虑发生 100 年一遇洪水、50 年一遇洪水、20 年一遇洪水、10 年一遇洪水、5 年一遇洪水、2 年一遇洪水时的情况，共计6 个工况，对每个工况码头修建前后的洪水水位、流场进行分析比较。河段水流模拟计算条件为上边界采用设计洪水流量，下边界采用出口处洪水位，各工况的上下游边界条件见表2。同时，沿河道45 个断面的深泓线、两岸分别布置了采样点，用于对整个河段流态的总体分析，采样点布设情况见图4。

表2 防洪影响计算工况及上下边界条件表

图4 断面流态测点分布图

为分析红渡码头对其所在水域水流所产生的影响以及影响分布的状况、程度和范围，对反映河道水文情势的相关特征数据进行统计分析，特征数据主要包括水位壅高最大值、水位变化相对较大值及其所涉及范围、流速变化最大值、流速变化相对较大值及其所涉及范围等内容。100 年一遇洪水、20 年一遇洪水采样点特征数据计算值的统计结果见表3～表4。工程建设前后其所在水域内平面在通过100 年一遇洪水、20 年一遇洪水时水位、流速变化情况见图5～图8。

表3 工程建设前后深泓线水位统计表 单位：m

表4 工程建设前后深泓线流态统计表

断面 100 年一遇 20 年一遇大小(m/s) 方向(度) 大小(m/s) 方向(°)下200建前 2.494 149.42 2.358 146.91建后 2.484 149.27 2.345 146.53增量 -0.010 -0.15 -0.013 -0.39下500建前 2.083 139.47 1.859 138.94建后 2.083 139.45 1.859 138.94增量 0.000 -0.02 0.000 0.00下1000建前 1.960 122.74 1.639 124.54建后 1.960 122.74 1.639 124.54增量 0.000 0.00 0.000 0.00下1500建前 2.737 98.00 2.294 96.45建后 2.737 98.00 2.294 96.45增量 0.000 0.00 0.000 0.00下2000建前 2.588 73.43 2.192 77.45建后 2.588 73.43 2.192 77.45增量 0.000 0.00 0.000 0.00下2700建前 2.019 44.14 2.009 36.12建后 2.019 44.14 2.009 36.12增量 0.000 0.00 0.000 0.00

图5 100 年一遇洪水工程修建前后水位差值图

图6 100 年一遇洪水工程修建前后流速差值图

图7 20 年一遇洪水工程修建前后水位差值图

图8 20 年一遇洪水工程修建前后流速差值图

计算结果表明，当发生计算工况的6 个频率洪水时，计算水域水位变化范围在-0.077 m～0.049 m 之间，最大壅高值为0.049 m，最大降低值为0.077 m。水位变化集中在码头上游1100 m 至下游500 m 范围的水域内，在码头附近达到最大，并且向河道上下游迅速消减，在码头上游400 m 和下游200 m 的范围之外即消减到0.01 m 以下，码头修建对其它水域水位没有影响。

码头修建对河道水域水位影响范围随流量增加而增大，当发生100 年一遇洪水时，水位受影响范围不超过码头上游1100 m～下游500 m，当发生2 年一遇洪水时，水位受影响范围不超过码头上游900 m～下游400 m。

计算水域各频率洪水下各点流速一般都在2.5 m/s 以下，流速最大值约为3.5 m/s，码头附近水域最大流速不超过2.8 m/s。码头工程建成后，流速变化与水位变化趋势基本一致，流速发生变化的范围与水位变化范围接近，码头上游、下游水域流速有一定减小，码头内、外侧由于过水断面缩窄，水流受到挤压，流速总体有一定增加，但总的变化量不大，最大增加值为 0.138 m/s，最大减小值为 0.185 m/s，且在 200 m～400 m 左右范围内即迅速消减至0.01 m/s 以下。

4 结论

1）都安红渡作业区码头工程建于红水河左岸，工程修建后码头平台及其立柱和各泊位占据了部分行洪断面，侵占部分过水面积，导致洪水过水面积减小，产生阻水作用。在计算的6 种工况下，工程建设后最大侵占过水面积不超过0.78%，侵占比例较小，拟建码头不会对河道行洪水位和流场产生大的影响。

2）当发生100 年一遇至2 年一遇6 个频率洪水时，河道水位变化幅度在-0.077 m～0.049 m 之间，水位变化集中在码头上游1100 m 至下游500 m 范围的水域内，在码头附近达到最大，并且向河道上下游迅速消减，在码头上游400 m 和下游200 m的范围之外即消减到0.01 m 以下；在码头附近流速总体有一定增减，最大增加值为0.138 m/s，最大减小值为0.185 m/s，且在200 m～400 m 左右范围内即迅速消减至0.01 m/s 以下，流速变化值在0.1 m/s 以上的影响区域不大。

3）都安红渡作业区码头工程建成后，对拟建工程所在河段河道行洪水位和所在水域流场的影响均不大，不会对所在河段河道行洪、河势带来明显不利的影响。