大連港登沙河港區潮流泥沙數模試驗研究

許 婷

（交通部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456）

根據經濟發展的需要，大連政府有關部門擬開展大連登沙河工業園區港區規劃論證工作。港區規劃方案位于登沙河口外馬坨子南側，東臨黃海。本文在研究工程海區潮流動力及泥沙現狀的基礎上，采用數學模型手段計算分析了港區工程實施后的流場及泥沙淤積情況。

1 自然條件

1.1 潮汐特征

該工程海區潮汐為不規則半日潮，根據當地工程海域潮位推算，其理論最低潮面在85國家高程基準面下1.65 m，在大連港筑港零點上0.5 m。該海域平均潮差約為2.8 m，最大潮差約為4.5 m，其潮差的變化由遼東半島東側南端向北逐漸增大。漲潮平均歷時略短于落潮歷時23 min。

1.2 潮流特征

根據2009年5月最新實測水文全潮資料，海區潮流主流向基本順著里長山海峽，漲潮近東北方向，落潮近西南方向。主槽內各站流速呈現落潮大于漲潮的變化規律，大潮時漲落潮潮段平均流速分別達0.31～0.37 m/s、0.37～0.42 m/s。

1.3 波浪特征

大窯灣港區位于工程西南向，距工程約30 km，測波點位于大窯灣灣口，距岸邊約7 km，測點水深為-28 m，據1985年6月～1986年5月的實測波浪資料統計結果，該工程所在海域常浪向為SE向，次常浪向為N向，所占頻率分別為29.13%和15.03%，強浪向為SE向。工程以南老虎灘長期海洋站2004年12月～2005年10月實測波浪資料統計結果表明，該海域常浪向為N向和SSE向，次常浪向為SE向，所占頻率分別為16.94%、11.04%和8.58%，強浪向為SE向。綜合以上波浪分析結果來看，本工程所在海域常浪向為N向和SE向，強浪向為SE向。從本工程所在地理位置來看，E向和S向均有島嶼或大陸掩護，因此應主要考慮NE、ENE、ESE、SE 和SSE 向浪對工程的影響［1-2］。

1.4 含沙量分布特征

根據2009年5月最新實測水文全潮資料分析，該工程海域各站漲落潮平均含沙量大潮時分別為0.008～0.018 kg/m3和 0.008～0.019 kg/m3，小潮時分別為 0.007～0.012 kg/m3和 0.008～0.011 kg/m3，大、小潮各站漲落潮平均為0.012 kg/m3。因此總體上該水域水體含沙量處于0.04 kg/m3左右，相對較小。從含沙量變化的規律看，該水域含沙量變化表現為大潮含沙量大，小潮含沙量小，淺邊灘及里長山深槽未端含沙量大、靠岸側漲潮槽漲落潮含沙量較小。懸沙平均中值粒徑d50為0.012 7 mm，其成份為粘土質粉砂。工程海域受城山頭及對面里長山列島的掩護，水域含沙量低，泥沙來源微弱。

1.5 底質泥沙分布特征

樣品結果表明，各垂線底質中值粒徑在0.009 0～0.675 8 mm變化，其物質種類分屬粗中砂、砂質粉砂、粘土質粉砂，樣品的分選系數在0.37～1.42變化。表明了工程區水域波浪、潮流動力的差異較大。

潮間帶沉積物質以中粗砂和中細砂分布為主，分選程度很好。水下沉積物質以中細砂、粉砂和粘土質粉砂分布為主，占全部沉積物的71.25%。沉積物質由岸至海的分布趨勢為由粗漸細。

1.6 河流徑流及輸沙

登沙河發源于遼東半島南端大連金州區和普蘭店境內，河流全長27.15 km，流域面積229.2 km2，河道以平均比降2.58%自西向東南經鹽大澳灣流入黃海。登沙河水文站距入海口20.75 km，其上端河道長6.4 km，控制流域面積128 km2，河道平均比降達5.07%。登沙河為河短、坡陡、流小的季節性山區性河流，其徑流主要靠降水，河道洪水主要由暴雨形成，洪峰水量的大小取決于暴雨的程度，一般年內發生1～2次暴雨。河道輸沙主要來源于河道控制流域內水土在暴雨洪水下的侵蝕，由于該河流域面積有限，且處于掩護條件相對較好的環境中，因此隨洪水下泄的侵蝕物質極為有限。

2 工程方案介紹

登沙河工業港區規劃方案主要分為3種，工程平面布置見圖1。

（1）方案一。西側依托于登沙河北側約2.6 km的岸線向東圍墾水域至馬坨子島附近，東西長約5.6 km，港池口門SSE朝向，寬約350 m，港區港池呈環抱布置。外航道呈N163°～N343°走向布置，航道寬150 m，水深-13.0 m（以理論深度基準面計）。

（2）方案二。港區布置類似方案一，口門改朝E向，外航道走向N100°～N280°，開挖尺度同方案一。

（3）方案三。明顯不同于前2種方案依托于天然岸線向外海圍墾，而是采用離岸式圍墾方式，最靠近岸線側圍墾邊緣距離岸線在1.2～2.2 km，向東圍墾水域至馬坨子島嶼附近，由一條長約1.4 km的棧橋通道與大陸相連。該方案圍墾南北長約2.6 km，東西長約3.4 km，口門朝E向，寬約350 m。外航道走向及開挖尺度同方案二。

3 潮流泥沙數學模型的建立及計算

3.1 計算方法及方程

（1）潮流場數值模擬。

平面二維水流控制方程如下

式中：x、y為直角坐標系坐標；t為時間；h為水深（基準面到床面的距離）；ζ為潮位（基準面到自由水面的距離）；u、v分別為x、y方向的垂線平均流速分量；f為科氏系數；g為重力加速度；Ex、Ey分別為x、y方向的水平紊動粘性系數；τx、τy分別為波流共同作用下床面剪切力在x、y方向的分量；Sxx、Sxy、Syy分別為各方向的波浪輻射應力，可表示為

（2）二維懸沙輸移擴散方程。

懸沙運動擴散的基本方程為

式中:u、v為水平流速，m/s；s為懸沙濃度，kg/m3；h 為水深，m；Dx、Dy為擴散系數，m2/s；Fs為泥沙源匯函數或沖淤函數。

（3）地形變化數值模擬。

基本方程為

式中：η為床面變形量；γ0為航道回淤泥沙干容重，取0.65 t/m3；α為經驗回淤系數，根據實測資料確定；S*為挾沙率；ω為沉速，本次計算中取ω=0.000 5。

3.2 計算域的確定及網格剖分

本文數學模型的計算域東邊界取至海洋島以東約6.5 km，至青堆灣；南邊界取至海洋島以南6.6 km；北邊界和西邊界依托于遼東半島。該計算域東西長126.4 km，南北長約84 km，總面積達10 617.6 km2。

本次計算區域的網格剖分共采用了大、中、小三層嵌套模式，三層嵌套模型計算網格逐步加密。模型采用正方形網格，第1層計算網格空間步長180 m，計算節點數327 834個；第2層計算網格空間步長60 m，計算節點數1 040 400個；第3層計算網格空間步長20 m，計算節點數1 203 408個。

3.3 模型驗證

流場和含沙量場的驗證采用2009年5月的全潮水文資料。全潮水文觀測站布置見圖2。通過潮位、流速、流向、含沙量的驗證，模型中無論計算的位相、量值還是過程線，均與原型吻合良好，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》［4］的要求，模型驗證成功，達到了相似要求，可以用來進行工程方案流場模擬計算研究［3］。

3.4 潮流場計算結果分析

計算結果表明：各方案實施后，大范圍海域流場的總體特征與現狀流態基本相同，即漲落潮主流方向順著里長山海峽，漲潮近東北方向，落潮近西南方向，其次流態分布受控于陸地岸線和島嶼岸線?？傮w來看，各方案的實施并未影響該海域大范圍流場的整體特征，僅對工程所在局部區域產生小范圍影響。港池內流場特征：3個方案實施后，港內靠近口門處均會出現約2 h的環流，環流覆蓋范圍介于0.57～0.72 km2，環流最大強度約為0.20 m/s，環流平均強度在0.10 m/s左右。港內整體流速呈現從口門到港內側越來越小的規律，流速較工程前減小57%～88%，降幅明顯，口門處全潮平均流速介于0.10～0.15 m/s，港內泊位處全潮平均流速均在0.10 m/s以下［5］。

外航道流場特征：方案一實施后，相比于天然情況下，漲急時刻航道所在區域流向由WNN—WNW偏轉，偏轉角度在15°～45°，落急時刻，流向由天然下的ESS—ESE偏轉，偏轉角度大于漲急時刻。沿航道里程全潮平均流速介于0.18～0.31 m/s，最大流速介于0.30～0.51 m/s。方案一航道所在區域流向與航道軸線夾角較小，在30°以下，因此航道所在區域橫流最大流速較小，介于0.06～0.15 m/s。方案一口門朝向海域深槽方向，因此航道開挖尺度在1.2 km左右即可滿足開挖航道深度與天然水深的過渡，所以該方案航道開挖量明顯小于其他2個方案。方案二和方案三航道走向一致，因此流場特征基本相同，2個方案實施后，航道所在海域（口門附近除外）流向相比工程前偏轉較小，流速有增有減，但幅度較小。2個方案實施后，沿航道里程全潮平均流速介于0.18～0.35 m/s，最大流速介于0.36～0.54 m/s，這與方案一相差很小，但由于這2個方案航道走向與主流向夾角較大，因此航道所在區域橫流最大流速較大，介于0.35～0.55 m/s。工程實施前后漲落急流態見圖3。

3.5 泥沙淤積計算結果分析

圖3 工程海域漲落急流態圖Fig.3 Flow field at flood and ebb strength of tide

港池航道泥沙淤積情況數學模型計算結果見表1。由表1可以看出，工程區域年平均淤積強度較小，這是由于該區域泥沙來源較少。工程區域附近雖有登沙河暴雨泄洪，但其流域坡陡流短，沿程基巖暴露，使得沖刷下泥沙物質甚少。該區域岸灘為岬角相間，基巖出露，岸線穩定，其泥沙運移較少。漲落潮水流攜沙淤積為該區域泥沙淤積的主要來源。但由于海域漲潮水流由大于-20 m的深海水域流入，攜沙量極其有限；落潮時落潮水流集中于里長山水道深槽，槽深達-10 m以上，槽內泥沙難于起動，同時水道內漲落潮水流主要沿深槽作往返運動，由于沿邊灘運動的水體較淺，運動的水量有限，因此其攜沙運到邊灘水域淤積的量甚少。如遇風浪作用，邊灘泥沙將被掀起并帶入主槽或至緩流區淤積，使得邊灘床面泥沙物質粗化，邊灘水域床面泥沙在水流作用下難于再起動運移［6］。

表1 各方案實施后港池航道淤積情況Tab.1 Siltation of basin channel after the project

3.6 各方案實施后對周邊水域的影響

為分析工程的實施對周邊水域的影響，將工程前后全潮平均流速進行差值分析（圖4），從圖4可以明顯看出，3個方案實施后，周邊水域流速發生變化的區域面積較小，僅限于工程附近區域。

4 結論

利用二維水動力模型對登沙河港區工程所處海域進行模擬。結果表明，3個方案實施后對周邊水域影響均較小，港內雖有環流出現，但強度較低，停泊區域全潮平均流速基本在0.10 m/s以下，外航道區域方案一橫流強度明顯小于其他2個方案。3個方案港池航道年平均淤強在0.08～0.12 m，淤積很輕，其中方案三的年淤積總量略小于其余2個方案。

綜上所述，從水流、泥沙計算結果看，該工程是可行的，其中從流場角度來看，方案一較優，從泥沙淤積角度來看，方案三略優。最終方案的選取應根據進港航道主線方向、圍海造陸的需求，港區規模和實際用海范圍等因素并結合上述研究結果綜合考慮。

［1］李孟國，李文丹.大連長興島北港區（30萬噸礦石碼頭和30萬噸原油碼頭）自然條件分析、潮位計算與潮流泥沙數學模型研究［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2009.

［2］嚴冰，肖輝.大連葫蘆山灣南部工業岸線波浪潮流泥沙數學模型試驗研究報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2009.

［3］李孟國，鄭敬云.中國海域潮汐預報軟件 Chinatide 的應用［J］.水道港口，2007，28（1）：65-68.LI M G，ZHENG J Y.Introduction to Chinatide software for tide prediction in China seas［J］.Journal of Waterway and Harbor，2007，28（1）：65-68.

［4］JTJ/T233-98，海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程［S］.

［5］李孟國，李文丹.潮段平均流速計算方法研究［J］.水道港口，2008，29（2）：82-87.LI M G，LI W D.Study on methods to calculate average tidal current velocity during flood tide or ebb tide［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008，29（2）：82-87.

［6］許婷，李孟國.大連港登沙河港區潮流泥沙數學模型計算研究報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2009.