论文部分内容阅读
摘 要：交叉航段由于多条航道交织，交叉水域水流条件较为紊乱，船舶在区段内通航时飘移量增大，导致船舶操纵难度增大，加大了水上交通事故的风险。本文以秦淮河航道与溧水河、句容河交叉的三岔口航段为例，提出交叉航段通航安全关键因素，通过数学模型分析了交叉航道水流流态对船舶安全通航的影响，为类似工程提供借鉴。
关键词：通航安全;航道;横流
中图分类号：U698 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）10-0039-03
江苏省境内水网发达、航道密集，各条航道的自然状况及通航状况均各有差异，同时随着航道网的不断完善、通航船舶数量的不断增加，不同类型航道的自然条件对于通航安全的影响将逐步显现[1]。航道、海事部门通过大力建设VTS、AIS等监管系统[2]来保证船舶通航安全。根据内河航道现状情况分析，内河航道中对存在通航安全隐患的航段主要包括交叉航段、急弯航段、桥区航段、船闸航段等[3]。其中，交叉航道因航段由于多条航道交织，交叉水域水流条件较为紊乱，船舶在区段内通航时飘移量增大，导致船舶操纵难度增大，同时，相邻各航道内船舶进出频繁，进一步加大了水上交通事故的风险。另一个方面，由于交叉航段水流为多方汇集，航段底部水流在冲向航道两壁的过程中，将大量的泥砂也带到航段区域淤积，泥砂淤积的地方往往形成水下潜洲，导致航道内局部水深变浅，容易造成区域内通航船舶搁浅事故。综上可见，交叉航段水流激烈碰撞，且易产生漩涡及泥砂淤积，同时在交叉航段船舶会让的概率增大，是事故多发地段。本文以秦淮河航道与溧水河、句容河交叉的三岔口航段为例，开展交叉航段通航安全评估技术研究;梳理交叉航段通航安全关键因素;提出交叉航段通航安全评估方法，为类似工程提供借鉴。
1 评估重点分析
交叉航道的交汇区流态复杂，水流泥砂运动规律各异，对船舶通航的影响主要包括两个方面，一是由于各航道水文条件不一，当航道内水流流量差异较大时，会产生相互顶托甚至倒灌，对交叉段航道的水流条件产生较大的影响;二是会在交汇滞流区泥砂落淤，漂浮物聚积，对航道的水深条件产生较大影响。
由于河道交汇区水流相互顶托，交汇口处呈现明显的环流二次流，水面坡降、交汇点位置随着汇流比的变化而改变，浅滩相对较多，河床变化较多，因此，该交叉航段通航安全评估除一般的气象条件外，应重点针对航道横流、航道二次环流和交汇口泥沙淤积，三个主要因素进行评估。具体评估要求见表1
2 评估對象
根据上文分析，本文以秦淮河航道与溧水河、句容河交叉的三岔口航段为例，介绍交叉航段通航安全评估方法。秦淮河流域位于长江下游南侧，秦淮河是长江的一条支流，在南京市区入长江，流域北侧为宁镇山区，南为横山和东庐山，西南为牛首山、云台山，东到句容市的茅山，流域面积2631km2。上游有南北两源，南源出于溧水县东芦山北，北源出于句容市宝华山西南。南北两源分别经溧水河、句容河在江宁区西北村汇合，汇合处以上流域面积为1942km2。
3 评估内容和方法
采用二维水流模型模拟交叉航段水流流态，对航道中横流的大小、二次环流的范围、河道交汇口泥沙淤积碍航等影响航道通航安全的关键因素进行评价。
3.1模型范围
模型范围：北边界距拟建秦淮河大桥约870m，东边界距拟建秦淮河大桥址处约1400m，南边界距拟建秦淮河大桥约1270m。模型范围见图1。
计算网格：采用三角形网格，为精确模拟桥墩附近水流，网格尺度取为2～20m。计算模型共有网格节点16414个，三角形单元31995个。
3.2计算参数
河道糙率取0.02～0.025，时间步长取为30s。
3.3计算工况
根据在江宁区航道站的调研及相关资料分析，工程河段上下游均受闸门控制，非汛期河道内水流流态平缓，因此，本次研究主要分析计算最高通航水位、50年一遇洪水水位及100一遇洪水水位下的水流流态，计算组次见表2。
3.4计算结果
（1）交叉航段水流流态：图2为秦淮河交叉航段水流流态图，由图可以看出，不同工况下，由于河道交汇区水流相互顶托，交汇点位置随着汇流比的变化而改变;工况1交汇口处呈现两个明显的环流二次流。
（2）横流：为分析秦淮河航道交叉航段横流情况，沿航道中心线处布置了17个采样点，见图3。表3给出3种工况下横流值，可以看出，不同工况下横流最大值出现在汇流口（9#），最高通航水位下相应的各采样点航道横流值均较小，最大不超过10cm/s，50年一遇及100年一遇洪水工况下航道横流值也较小，最大为12cm/s，航道横流值均没有超过规范限定值30cm/s。
4 评估结果及建议
（1）由于河道交汇区水流相互顶托，交汇点位置随着汇流比的变化而改变;工况1交汇口处呈现两个明显的环流二次流，在这一段区域范围内流向不稳，对船舶操纵产生一定的影响。
（2）不同工况下横流最大值出现在汇流口，流致漂移量问题是船舶安全通航应该注意的一个重要问题。
（3）两航道的水流交汇后，在江心洲的末端，由于两股水流碰撞后流速抵消，大量水流在此附近旋转形成驻点。由于水流中含有大量的泥砂，水流在江心洲末端旋转停留的过程中，也将泥砂带到此地淤积而形成浅水。如果淤积程度导致此地的水深小于船舶的吃水，船舶就会搁浅。
（4）由于交叉航道“面流向心、底流朝岸”的特性，导致交叉航道附近存在航道底部到水面的环流分量。当船舶在经过交叉航道时，受这一环流分量的影响，船体水线以下的各个部位受到水流的侧向力不一致，船体倾斜比较严重。同时交叉航道船舶流量较大，两分道的船舶都汇集于此，船舶交织、穿梭情况较多。船舶运动在交叉航道产生兴波，这种兴波会对他船产生冲击，引起他船倾斜加剧，为了减少船舶的倾斜量，建议航段内船舶合理配载。
参考文献：
[1] 谢小强， 关于复杂通航环境下通航安全的思考[J]. 中国水运， 2021，21（4）：9-10
[2] 赵显峰， 孔晨， 牟学东. 内河通航水域安全监管手段研究[J]. 中国水运，2021（1）：55-57.
[3] 孔宪卫，张庆河，杨宗默，等. 河床演变影响下桥区水域通航安全研究[J]. 中国安全科学学报， 2021，31（3） ： 128-134.
关键词：通航安全;航道;横流
中图分类号：U698 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）10-0039-03
江苏省境内水网发达、航道密集，各条航道的自然状况及通航状况均各有差异，同时随着航道网的不断完善、通航船舶数量的不断增加，不同类型航道的自然条件对于通航安全的影响将逐步显现[1]。航道、海事部门通过大力建设VTS、AIS等监管系统[2]来保证船舶通航安全。根据内河航道现状情况分析，内河航道中对存在通航安全隐患的航段主要包括交叉航段、急弯航段、桥区航段、船闸航段等[3]。其中，交叉航道因航段由于多条航道交织，交叉水域水流条件较为紊乱，船舶在区段内通航时飘移量增大，导致船舶操纵难度增大，同时，相邻各航道内船舶进出频繁，进一步加大了水上交通事故的风险。另一个方面，由于交叉航段水流为多方汇集，航段底部水流在冲向航道两壁的过程中，将大量的泥砂也带到航段区域淤积，泥砂淤积的地方往往形成水下潜洲，导致航道内局部水深变浅，容易造成区域内通航船舶搁浅事故。综上可见，交叉航段水流激烈碰撞，且易产生漩涡及泥砂淤积，同时在交叉航段船舶会让的概率增大，是事故多发地段。本文以秦淮河航道与溧水河、句容河交叉的三岔口航段为例，开展交叉航段通航安全评估技术研究;梳理交叉航段通航安全关键因素;提出交叉航段通航安全评估方法，为类似工程提供借鉴。
1 评估重点分析
交叉航道的交汇区流态复杂，水流泥砂运动规律各异，对船舶通航的影响主要包括两个方面，一是由于各航道水文条件不一，当航道内水流流量差异较大时，会产生相互顶托甚至倒灌，对交叉段航道的水流条件产生较大的影响;二是会在交汇滞流区泥砂落淤，漂浮物聚积，对航道的水深条件产生较大影响。
由于河道交汇区水流相互顶托，交汇口处呈现明显的环流二次流，水面坡降、交汇点位置随着汇流比的变化而改变，浅滩相对较多，河床变化较多，因此，该交叉航段通航安全评估除一般的气象条件外，应重点针对航道横流、航道二次环流和交汇口泥沙淤积，三个主要因素进行评估。具体评估要求见表1
2 评估對象
根据上文分析，本文以秦淮河航道与溧水河、句容河交叉的三岔口航段为例，介绍交叉航段通航安全评估方法。秦淮河流域位于长江下游南侧，秦淮河是长江的一条支流，在南京市区入长江，流域北侧为宁镇山区，南为横山和东庐山，西南为牛首山、云台山，东到句容市的茅山，流域面积2631km2。上游有南北两源，南源出于溧水县东芦山北，北源出于句容市宝华山西南。南北两源分别经溧水河、句容河在江宁区西北村汇合，汇合处以上流域面积为1942km2。
3 评估内容和方法
采用二维水流模型模拟交叉航段水流流态，对航道中横流的大小、二次环流的范围、河道交汇口泥沙淤积碍航等影响航道通航安全的关键因素进行评价。
3.1模型范围
模型范围：北边界距拟建秦淮河大桥约870m，东边界距拟建秦淮河大桥址处约1400m，南边界距拟建秦淮河大桥约1270m。模型范围见图1。
计算网格：采用三角形网格，为精确模拟桥墩附近水流，网格尺度取为2～20m。计算模型共有网格节点16414个，三角形单元31995个。
3.2计算参数
河道糙率取0.02～0.025，时间步长取为30s。
3.3计算工况
根据在江宁区航道站的调研及相关资料分析，工程河段上下游均受闸门控制，非汛期河道内水流流态平缓，因此，本次研究主要分析计算最高通航水位、50年一遇洪水水位及100一遇洪水水位下的水流流态，计算组次见表2。
3.4计算结果
（1）交叉航段水流流态：图2为秦淮河交叉航段水流流态图，由图可以看出，不同工况下，由于河道交汇区水流相互顶托，交汇点位置随着汇流比的变化而改变;工况1交汇口处呈现两个明显的环流二次流。
（2）横流：为分析秦淮河航道交叉航段横流情况，沿航道中心线处布置了17个采样点，见图3。表3给出3种工况下横流值，可以看出，不同工况下横流最大值出现在汇流口（9#），最高通航水位下相应的各采样点航道横流值均较小，最大不超过10cm/s，50年一遇及100年一遇洪水工况下航道横流值也较小，最大为12cm/s，航道横流值均没有超过规范限定值30cm/s。
4 评估结果及建议
（1）由于河道交汇区水流相互顶托，交汇点位置随着汇流比的变化而改变;工况1交汇口处呈现两个明显的环流二次流，在这一段区域范围内流向不稳，对船舶操纵产生一定的影响。
（2）不同工况下横流最大值出现在汇流口，流致漂移量问题是船舶安全通航应该注意的一个重要问题。
（3）两航道的水流交汇后，在江心洲的末端，由于两股水流碰撞后流速抵消，大量水流在此附近旋转形成驻点。由于水流中含有大量的泥砂，水流在江心洲末端旋转停留的过程中，也将泥砂带到此地淤积而形成浅水。如果淤积程度导致此地的水深小于船舶的吃水，船舶就会搁浅。
（4）由于交叉航道“面流向心、底流朝岸”的特性，导致交叉航道附近存在航道底部到水面的环流分量。当船舶在经过交叉航道时，受这一环流分量的影响，船体水线以下的各个部位受到水流的侧向力不一致，船体倾斜比较严重。同时交叉航道船舶流量较大，两分道的船舶都汇集于此，船舶交织、穿梭情况较多。船舶运动在交叉航道产生兴波，这种兴波会对他船产生冲击，引起他船倾斜加剧，为了减少船舶的倾斜量，建议航段内船舶合理配载。
参考文献：
[1] 谢小强， 关于复杂通航环境下通航安全的思考[J]. 中国水运， 2021，21（4）：9-10
[2] 赵显峰， 孔晨， 牟学东. 内河通航水域安全监管手段研究[J]. 中国水运，2021（1）：55-57.
[3] 孔宪卫，张庆河，杨宗默，等. 河床演变影响下桥区水域通航安全研究[J]. 中国安全科学学报， 2021，31（3） ： 128-134.