与内陆地区相比，感潮河网地区水流缓慢，往复流现象明显，抗污染能力较弱，同时面临风、暴、潮等多种致灾因子的影响，随着经济社会的快速发展和全球气候变化加剧，城市感潮河网在防洪排涝和水环境保护等方面面临着越来越大的压力^[1-2]。运用沿江水闸利用潮差进行内河引排水是提升感潮河网防洪排涝能力、改善水环境的有效途径^[3]。由于地理位置的原因，感潮河网主要分布在我国经济较发达地区，而这些地区临江工业比较发达，沿江港口码头较多，码头工程建设容易与感潮河网引排水形成矛盾。目前针对码头工程对感潮河网地区引排水的影响研究较少，主要集中于码头工程水动力特性研究，如彭泽宇等^[4]采用水动力分析软件建立了浮式码头数值仿真计算模型，分析了内河锚泊浮式码头水动力性能；刘哲等^[5-6]以盘锦舾装码头工程为背景，分别采用二维潮流数学模型和二维潮流泥沙数学模型研究了舾装码头工程对大辽河口流场和水沙运动的影响；对船舶的阻塞作用研究主要是限制性水域的流场特征^[7]。挡潮闸口门边界变化及泊船对感潮河网引排水影响的研究成果尚不多见。本文以南通农场闸闸口附近的惠生重工3#舾装码头新建工程为背景，将潮流模型与河网水动力模型相耦合建立考虑船舶阻水作用的感潮河网舾装码头水动力数学模型，通过数值模拟试验分析舾装码头工程对感潮河网引排水的影响。

1.   研究区概况

南通农场片区位于南通市区西南部，地处长江口北岸，与苏州市隔江相望，是通向长江三角洲和长江流域的重要门户。该区域降水量年内分配不均，4—9月的降水占全年的70%以上。本地区位于长江感潮河段，潮型属非正规半日潮，且日潮不等，每年春分至秋分为夜大潮，秋分至次年春分为日大潮。

研究区域内有四级以上河道63条（段），总长127.61 km，其中一级河1条（段），长3.94 km；三级河道4条（段），长22.12 km；四级河道58条（段），长101.55 km。研究区通江河道入江口由南通农场闸、东方红出江闸站和团结闸3座涵闸控制（图1），也是农场片的主要排涝口门，具体参数见表1；新江海河虽流经南通农场片，但是新江海闸不属于南通农场片管辖范围。

图  1  研究区概况

Figure  1.  Investigation area

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表  1  沿江水闸情况

Table  1.  Data of sluices along the Yangtze River

涵闸名称	建成时间	闸孔/个	净宽/ m	闸底 高程/m	设计流量/ (m3·s−1)
南通农场闸	2009年5月	1	12	−3	96
东方红出江闸站	2009年6月	1	5	−1	25
团结闸	2003年12月	3	12	−3	75
注：东方红出江闸建有设计流量为4 m3/s的泵站。

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拟在南通农场闸闸下新建惠生重工3#舾装码头^[8]，码头东侧距离南通农场闸约200 m（图1），新建码头工程总长400 m，宽22 m，包括舾装码头和材料码头，其中舾装码头为1个15 万t级舾装码头泊位，停靠舾装船体总长280 m、宽53 m、深34 m、吃水5.2 m；材料码头为1个1 000 t级材料码头泊位。工程建成后原有的水泥岸线后退约18 m，码头前的设计泥位标高降至−7.6 m。

2.   研究方法

2.1   模型的建立

采用丹麦水利研究所（Danish Hydraulic Institute, DHI）研发的MIKE专业软件^[9]，通过MIKE FLOOD模型系统把一维模型MIKE11和二维模型MIKE21连接在一起进行动态耦合^[10-13]，构建感潮河网舾装码头水动力模型。MIKE11是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流Saint-Venant方程组来模拟河流或河口的水流状态，其自带的NAM模块是一种半分布式流域水文模型，用于模拟子汇水区的降雨-径流过程；MIKE21基于三向不可压缩和Reynolds值均匀分布的Navier-Stokes方程，并服从于Boussinesq假定和静水压力的假定，可模拟计算海洋、湖泊、河道、蓄滞洪区的流场、流速、水位的变化。

（1）计算范围。计算区域为南通农场片的行政区域（图1），长江计算区域为上游至天生港潮位站，下游至新江海闸。

（2）计算网格与地形。以2019年6月版南通开发区水系图为基础，对南通农场片行政区域内四级以上的河道建立MIKE11计算模型，计算区域总共包括400个河道节点，70段河道，以及东方红出江闸、团结闸、农场中心套闸、新江海闸等4个水闸。排涝时南通农场中心套闸关闭以保证农场片独立进行排涝，此时新江海河不参与模型计算，新江海闸关闭；东方红出江闸处设有设计流量为4 m³/s的泵站。南通农场闸闸上600 m以西的地形在MIKE21模型中体现。

在MIKE21模型中，长江水下地形来自长江航道局的长江下游航行图，新建码头处的地形来自2020年11月11日惠生重工码头前沿水域实测水下地形图。考虑到本文重点是研究新建码头对南通农场闸引排水的影响，因此将南通农场闸闸上约600 m至出江口都包含在MIKE21地形中，并重点对码头和南通农场闸附近的计算网格进行加密处理。结合计算时间和计算精度对计算网格进行调整，最终确定码头建成前生成三角网格6 172个，网格节点3 388个；码头建成后生成三角网格6 142个，网格节点3 360个。

在MIKE FLOOD模型中，MIKE11与MIKE21耦合的连接点有3个：南通农场闸闸上600 m处、王子竖河出江口和团结河出江口，连接模式选择普通连接。为了保证模型计算的稳定性，每一个MIKE11的出口连接了MIKE21附近的2个计算网格单元，同时设置耦合点流量根据每个网格单元的水深进行分配，更加有利于耦合的稳定性。MIKE21把计算得到的水位作为MIKE11中连接点的水位边界，同时MIKE11的模拟值也会反馈给MIKE21。新江海河不参与模型计算，不进行模型耦合。

2.2   模型的率定与验证

为了对模型进行率定和验证，2020年12月9—11日开展了为期3 d的河网调水试验，调水期间河网内部水闸全部敞开，试验工况见表2，对MIKE11河网模型和MIKE21潮流模型分开率定。率定时MIKE21模型采用码头建成前的计算网格和地形，上游天生港水位边界给定2020年12月11日的实测潮位过程，下游水位边界给定新江海闸实测潮位过程，初始水位设定为1.1 m，模型计算时段为13:20—17:40，计算步长为6 s。通过对比营船港验潮站的实测潮位资料与模拟结果调整长江的河床糙率。

表  2  调水期间水闸启闭工况

Table  2.  Sluice opening and closing conditions during water transfer

日期	水闸启闭工况				开启时间段
	南通农场闸	东方红出江闸	团结闸	农场中心套闸
2020-12-09	完全打开	关闭	关闭	关闭	11:10—17:45
2020-12-10	关闭	完全打开	关闭	关闭	9:55—14:30
2020-12-11	关闭	关闭	完全打开	关闭	13:30—17:30

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由于南通农场闸闸上约600 m以西的地形包含在MIKE21中计算，MIKE21中水闸的流量系数由软件自身的函数进行计算，无需率定，故仅需利用12月10—11日的调水试验数据分别对东方红出江闸、团结闸的流量系数和内河河道糙率等参数进行率定。将12月10日实测的东方红出江闸外河水位过程作为其边界条件，河道初始水位1.17 m，模型计算时段为9:40—15:00，计算步长6 s，通过对比东方红出江闸过闸流量和东方红出江闸箱涵东侧670 m处纬六河断面水位的实测值和模拟值来调整河网河道糙率和东方红出江闸的流量系数。团结闸率定时外河边界条件为12月11日实测水位过程，河道初始水位1.13 m，模型计算时段为13:20—17:40，计算步长6 s，通过对比团结闸过闸流量和团结闸闸上950 m处团结河断面水位的实测值和模拟值来调整河道糙率和团结闸的流量系数。最终得到长江的河床阻力曼宁系数为20 $ {\mathrm{m}}^{{1}/{3}} /{\rm{s}}$，团结河曼宁系数为25 $ {\mathrm{m}}^{{1}/{3}} /{\rm{s}}$，纬六河曼宁系数为40 ${\mathrm{m}}^{{1}/{3}} /{\rm{s}} $，王子竖河曼宁系数为30 $ {\mathrm{m}}^{{1}/{3}} /{\rm{s}}$，其余河道曼宁系数取35 $ {\mathrm{m}}^{{1}/{3}}/{\rm{s}} $，东方红出江闸流量系数为0.5，团结闸流量系数为0.7。营船港验潮站潮位的验证结果见图2，东方红出江闸流量和纬六河水位验证结果见图3和4，团结闸流量和团结河水位验证结果见图5和6。

图  2  营船港验潮站潮位验证（2020年12月10日）

Figure  2.  Tide level verification at Yingchuan Port Station

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图  3  东方红出江闸过流量验证（2020年12月10日）

Figure  3.  Flow verification at Dongfanghong Sluice

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图  4  纬六河水位验证（2020年12月10日）

Figure  4.  Water level verification at Weiliu River

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图  5  团结闸过流量验证（2020年12月11日）

Figure  5.  Flow verification at Tuanjie Sluice

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图  6  团结河水位验证（2020年12月11日）

Figure  6.  Water level verification at Tuanjie River

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模型率定验证效果通过均方根误差E_RMS、相关系数r及纳什系数C_NSE来定量表征模拟结果和实测值拟合的优劣程度^[14]，评价结果见表3。可见本文所建立的基于MIKE的感潮河网舾装码头水动力模型其模拟结果具有较强的可信度。

表  3  率定验证效果评价

Table  3.  The evaluation of calibration and verification effects

评价项	ERMS	r	CNSE
营船港潮位	0.058 m	0.990	0.944
纬六河水位	0.030 m	0.994	0.941
东方红出江闸流量	1.181 m3/s	0.896	0.764
团结闸流量	2.561 m3/s	0.968	0.831
团结河水位	0.030 m	0.980	0.825

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2.3   模型设置

2.3.1   排涝调度

依照2017年《南通市城市防洪规划》，南通农场片实行独立排涝，即排涝期间关闭农场中心套闸，其余的内河水闸全部敞开，沿江的南通农场闸、东方红出江闸和团结闸全部用于排水，内河水位高于长江水位时，沿江闸门完全打开，内河水位低于长江水位时，沿江闸门关闭，多余积水利用东方红出江闸4 m³/s的泵站外排。南通农场片正常控制水位1.2 m，雨前预降至1.0 m，内河水位高于预降水位1.0 m时进行抽水排涝。

参考2017年《南通市城市防洪规划》中采用20年一遇降雨过程遭遇天生港2年一遇设计排涝潮型进行排涝规划，本次模拟边界条件采用天生港2年一遇设计排涝潮型（图7）^[15]，降雨过程为20年一遇降雨过程，涝潮遭遇选择降雨峰现时刻对应当天的新江海闸处高潮位，蒸发量取日平均值2.5 mm；汇水区29个，总面积为南通农场片行政区域面积；初始条件为内河水位1.0 m，长江初始水位1.1 m，计算时长为2 d；对排涝调度仅分析新建码头工程对排涝总量的影响。

图  7  设计灌溉潮型与设计排涝潮型

Figure  7.  Design of irrigation tide type and drainage tide type

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2.3.2   排水调度

关闭南通农场中心套闸、东方红出江闸和团结闸，其余的内河水闸全部敞开；边界条件采用天生港2年一遇设计排涝潮型；南通农场闸开启时间为11:30—14:30，采用全开方式；内河初始水位为1.2 m，计算时长为1 d；日常排水调度不考虑降雨，其余设置与排涝调度一致。选取南通农场闸下约100 m处、南通农场闸、农场中心河、王子竖河和团结河监测断面进行排水影响分析。

2.3.3   引水调度

南通农场闸设计时兼具引水功能，为了研究新建码头工程对南通农场闸引水的影响，设置引水调度情景为关闭南通农场中心套闸、东方红出江闸和团结闸，南通农场闸开启时间为1:00—7:00，闸门开启高程为−1.5 m，其余的内河水闸全部开启；引水调度时不考虑降雨，水位边界条件选取天生港20年一遇设计灌溉潮型（图7）^[15] ，计算时长为1 d；计算网格与地形、初始条件、参数设置与排涝调度一致；选取南通农场闸下约100 m处、南通农场闸、农场中心河、王子竖河和团结河监测断面进行引水影响分析。

2.4   船舶阻水的等效处理

由于浮体水动力学计算的复杂性，目前河流水动力计算模型尚不能与船舶水动力学模型进行有效耦合，一般专业分析软件也缺乏漂浮构筑物的设计模块。为了模拟船舶的阻水作用，将船舶概化成活动闸门，闸门宽度取为停靠船只最大宽度，闸门开启高程随潮位的变化而变化，始终保持闸门水面以下高度与船舶的吃水深度相等，闸门设在船舶宽度最大处。对于模拟时活动闸门开启过程线的设置，先计算出码头建成后泊船位置处无船时的水位变化过程，由此推求泊船处活动闸门的开启过程，利用工程建成后泊船处有船时的模拟水位过程再次推求泊船处闸门的开启过程，经过数次迭代计算，求得的水位过程最终趋于码头建成后的实际水位过程。选取天生港2年一遇设计排涝潮型对活动闸门的开启过程线进行了4次迭代计算，计算结果如图8和9所示，泊船处水位过程线和南通农场闸的流量过程线经过4次迭代，计算结果几乎没有变化，说明本文提出的船舶阻水等效处理方法是合理的，可以直接利用泊船处无船时的水位过程线来推求等效活动闸门的开启过程线。此外，可以看出泊船对码头附近的水位变化影响甚微，这与顾正华等^[16]的研究结论一致。

图  8  有船时泊船处水位变化

Figure  8.  Water level process at the berth with ship mooring

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图  9  有船时南通农场闸流量变化

Figure  9.  Flow process at Nantong Farm Sluice with ship mooring

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3.   结果分析

3.1   综合影响

2年一遇设计排涝潮型模拟结果表明，建成前农场片2 d的排涝总量为258.47 万 m³，建成后农场片2 d的排涝总量为259.22万m³，建成后增加了0.75万m³，占建成前的0.3%。

对排水调度工况下码头建成前后南通农场闸下约100 m处、农场中心河、王子竖河和团结河监测断面的模拟水位过程线及南通农场闸的模拟流量过程线进行比较，发现二者几乎一致，农场闸1 d排水总量和典型断面特征水位见表4，建成后农场闸1 d的排水总量比建成前增加了0.04万 m³，增幅为0.3%。

表  4  码头建成前后排水调度模拟结果

Table  4.  Simulation results of drainage with/without the wharf

项目	农场闸1 d 排水总量/ 万m3	农场闸闸 下断面最 高水位/m	农场闸闸 下断面最 低水位/m	农场中心 河断面最 高水位/m	农场中心 河断面最 低水位/m	团结河断 面最高 位/m	团结河断 面最低水 位/m	王子竖河 断面最高 水位/m	王子竖河 断面最低 水位/m
建成前①	11.47	2.64	0.86	1.20	1.12	1.20	1.12	1.21	1.11
建成后（无泊船）②	11.51	2.64	0.85	1.20	1.12	1.20	1.12	1.21	1.11
建成后（有泊船）③	11.51	2.64	0.85	1.20	1.12	1.20	1.12	1.21	1.11
②−①	0.04	0	−0.01	0	0	0	0	0	0
③−①	0.04	0	−0.01	0	0	0	0	0	0

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对引水调度工况下码头建成前后南通农场闸下约100 m处、农场中心河、王子竖河和团结河监测断面的模拟水位过程线及南通农场闸的模拟流量过程线进行比较，发现二者也几乎一致，农场闸1 d引水总量和典型断面特征水位见表5，建成后农场闸1 d的引水总量比建成前减小了1.22 万m³，减幅为4.2%。

表  5  码头建成前后引水调度模拟结果

Table  5.  Simulation results of water diversion with/without the wharf

项目	农场闸1 d 引水总量/ 万m3	农场闸闸 下断面最 高水位/m	农场闸闸 下断面最 低水位/m	农场中心 河断面最 高水位/m	引水结束后 农场中心 河断面水位/m	团结河断 面最高水 位/m	引水结束后 团结河断面 水位/m	王子竖河 断面最高 水位/m	引水结束后 王子竖河断 面水位/m
建成前①	28.76	2.85	−0.08	1.18	1.18	1.18	1.18	1.19	1.17
建成后（无泊船）②	27.55	2.86	−0.08	1.18	1.18	1.18	1.18	1.19	1.17
建成后（有泊船）③	27.54	2.86	−0.08	1.18	1.18	1.18	1.18	1.19	1.17
②−①	−1.21	0.01	0	0	0	0	0	0	0
③−①	−1.22	0.01	0	0	0	0	0	0	0

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3.2   影响因素分析

舾装码头工程对感潮河网引排水的影响因素主要有2个方面：一是口门边界变化（惠生重工3#舾装码头工程采用码头岸线后退、码头前端设计泥面标高降低来拓宽并疏浚南通农场闸闸下的排涝通道）；二是码头泊船。仍采用前面的计算工况定量分析开挖疏浚和码头泊船分别对感潮河网引排水的影响。

对排水调度工况下码头建成前后南通农场闸下约100 m处、农场中心河、王子竖河和团结河监测断面的模拟水位过程线及南通农场闸的模拟流量过程线进行比较，并结合表4可见，码头建成后泊船与不泊船时农场闸1 d的排水总量都比建成前增大0.04 万m³，农场闸下断面和内河监测断面水位变化在泊船和不泊船时几乎一致。落急时刻船舯位置处河道断面的速度值变化（图10）表明，码头建成前后的流场稍有变化，船舶对附近局部流速分布有一定影响。

图  10  落急时刻船舯位置处河道断面流速变化

Figure  10.  The velocity values of the river section at the midship position at the moment of falling sharp

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对引水调度工况下码头建成前后南通农场闸下约100 m处、农场中心河、王子竖河、团结河监测断面的模拟水位过程线及南通农场闸的模拟流量过程线进行比较，并结合表5可以看出，码头建成后泊船时农场闸1 d的引水量比建成前减少1.22 万m³，不泊船时的引水量减少1.21 万m³，泊船时农场闸1 d的引水量比不泊船时略有减小，监测断面水位在泊船和不泊船时几乎一致。涨急时刻，码头建成前后的流场略有区别，船舶对附近局部流速分布也产生一定影响（图11）。

图  11  涨急时刻船舯位置处河道断面流速变化

Figure  11.  The velocity values of the river section at the midship position at the moment of rising sharp

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综上，在南通农场片进行排涝调度时，码头新建工程对南通农场片的整体排涝总量影响较小，排涝总量较建成前略有增大。南通农场闸在进行日常引排水时，码头建成前后的监测断面的水位和流量变化曲线总体上几乎重合，码头建成后泊船时南通农场闸的排水量和引水量与不泊船时几乎一致；尽管码头建成后在船舶停靠处存在绕流现象，闸下流场流速分布相对于码头建成前有所变化，但码头建成前后农场闸的过流量变化较小，建成后引水量略小于建成前，日常排水情况下则相反；新建码头工程对引排量的影响主要是由于新建码头工程岸线后退，码头前端设计泥面标高降低，增大了过水断面所导致的，泊船对农场闸的引排水影响相对较小。

4.   结　语

本文以南通农场闸闸口附近的惠生重工3#舾装码头新建工程为背景，采用数学模型研究了舾装码头工程对感潮河网引排水的影响，提出了将船舶概化成活动闸门的船舶阻水作用分析的等效处理方法，并进一步分析了舾装码头工程对感潮河网引排水的影响因素，得出以下结论：

（1）利用2年一遇设计排涝潮型组合20年一遇降雨进行惠生重工3#舾装码头新建工程对南通开发区农场片河网的排涝影响数值模拟，结果表明码头建成后南通农场片河网排涝总量比码头建成前略有增大。

（2）利用2年一遇设计排涝潮型进行惠生重工3#舾装码头新建工程对南通开发区农场片河网的日常排水影响数值模拟，结果表明南通农场闸排水时河网内的水位变化过程在码头建成前后几乎一致，排水总量比码头建成前略有增大。

（3）利用20年一遇设计灌溉潮型进行惠生重工3#舾装码头新建工程对南通开发区农场片河网的引水影响数值模拟，结果表明南通农场闸引水调度后河网内的水位变化过程在码头建成前后几乎一致，码头建成后引水总量比建成前略有减小。

（4）惠生重工3#舾装码头工程对感潮河网引排水的影响分析表明，工程对引排量的影响主要是由于新建码头工程岸线后退，码头前端设计泥面标高降低，增大了过水断面所导致的，泊船对农场闸的引排水影响相对较小。