甌江口航道二期治理潛堤工程三維潮流數值模擬

許 婷，趙洪波

（交通運輸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）

甌江口被靈昆島分為南口和北口，甌江口外島嶼林立、淺灘密布、灘槽交錯、水道縱橫、地形復雜。甌江口外有溫州淺灘、三角沙、中沙、甌飛淺灘、樂清淺灘等沙灘，有沙頭水道、小門水道、大門水道、中水道、黃大岙水道、黃大峽水道、南水道、重山水道等水道；在龍灣和七里有溫州港龍灣港區和七里港區，中水道—黃大岙水道是目前溫州港的出海航道，連接靈昆島和霓嶼島的靈霓大堤已經于 2006 年建成［1］。

甌江口航道治理工程位于溫州市甌江口出海口。一期工程由4.0 km的北導堤和總長16.8 km、寬140 m、深6.0 m的單向航道組成（圖1中的AB段），工程于2004年9月開工，于2006年4月通過驗收。工程驗收以后甌江口一期工程經歷了2006年強臺風考驗，航道治理效果得到初步體現。隨著溫州經濟的發展，以及甌江口內港口的建設，特別是七里和靈昆島港口岸線的開發，目前迫切需要甌江口航道進一步浚深和拓寬。航道二期工程擬將航道拓寬至260 m、浚深至-7 m（圖1中的EFG段）；二期治理潛堤工程擬在一期整治工程的基礎上建設潛堤方案［2］（堤頂高程+3.7 m，理論基面，見圖1中的BCD段）。

1 模型的建立及驗證

采用國際上較為流行的河口、陸架、海洋模式MIKE3［3-5］，其中水動力學模型是一種通用的數學模型系統，可以用來模擬河口、海灣以及海洋近岸區域中的水流情況。在對三維非恒定流進行模擬的同時，還充分考慮了密度變化、水下地形、潮汐變化以及氣象等條件。

采用干濕網格法變動邊界處理技術，建立甌江口航道三維數學模型來分析甌江口航道二期治理潛堤工程潮位和潮流的變化狀況。

1.1 模型的建立

（1）研究范圍。西邊界至梅岙，東邊界至121°35′經線，北邊界至樂清灣頂，南邊界至南麂島南側。計算域的東西距離約為100 km，南北距離約為120 km。

（2）地形資料。2005年浙江省水利河口研究院測繪分院測量的 1：10 000（甌江口內）、1：25 000（甌江口外）水深圖和中國人民解放軍海軍司令部航海保證部的2004年版1：100 000“溫州灣及附近”及 1999 年版 1：100 000“大北列島至沙埕港”海圖，溫州淺灘采用2009年最新的水深測圖。水深基面采用浙江吳淞基面。

（3）網格剖分。模型采用無結構的三角形網格系統，垂向分 6個 σ 層（表層、0.2 H、0.4 H、0.6 H、0.8 H、底層）。計算區域內共有三角形網格節點15 049個，三角形單元28 599個，最小網格步長為25 m，時間步長最小為0.3 s。由圖2可以看出，三角形網格較好地概括了計算域內復雜的島嶼岸線和地形特征，對復雜岸線的擬合較為精確。

（4）邊界條件。入海河道采用流量過程線Q=Q（t），外海開邊界采用潮位過程線Z=Z（t），由中國潮汐預報程序China tide［6］提供，并根據實測水文資料進行調試。

（5）參數選取。模型計算中干水深為0.005 m，淹沒水深為0.05 m，濕水深為0.1 m，底部摩擦力糙率高度為0.01～0.06 m，渦粘參數采用Smagorinsky公式，系數Cs取0.28。

1.2 模型的驗證

采用2006年10月7～8日在工程海區進行的13個潮位站和14條垂線的水文大潮測量資料對模型進行了驗證，對14個測站均進行了對應實測的各層的流速流向驗證。從驗證情況看，計算的潮位過程和各層的流速流向過程與實測資料吻合較好（圖3～圖5）。圖6分別給出了工程實施前表層和底層的漲、落急流場圖，由圖6可以看出，工程海區從表層到底層基本呈現往復流特征，且從表層到底層流速逐漸減小。

2 潛堤工程模擬計算分析

由圖7可見，工程海區從表層到底層基本呈現往復流特征，且從表層到底層流速逐漸減小。圖7給出了潛堤工程實施后其表層、0.6 H層、底層的漲、落急流場圖。從潛堤工程實施后的流場看，大范圍的潮流特征沒有發生改變，僅在擬建工程附近局部水域有所變化。其中漲潮過程，在航道北側的高沙淺灘水流向航道區的運動大大減少，受其影響，沙頭水道和航道區的水流也有所增強，水流更為平順。落潮過程，本工程的拐角處起到了較好的分流作用，局部水流略有調整。

2.1 潛堤工程實施后對甌江北口航道的影響

潛堤工程實施后，甌江北口航道各層流速大小均以增加趨勢為主，其中表層漲潮潮段平均流速變化為-0.02～0.06 m/s（“-”號表示流速減小，下同），表層落潮潮段平均流速變化為-0.01～0.09 m/s；0.6 H層漲潮潮段平均流速變化為-0.01～0.05 m/s，0.6 H層落潮潮段平均流速變化為-0.01～0.07 m/s，底層漲潮潮段平均流速變化為-0.02～0.05 m/s，底層落潮潮段平均流速變化為-0.01～0.06 m/s。甌江北口航道各層流向與潛堤工程實施前相比，基本沒變，最大變幅出現在表層，平均流向變化為0°～3°，且成歸槽趨勢。因此，潛堤工程的實施對航道軸線流場有積極作用。工程實施后，甌江北口航道漲潮垂線平均流速為0.56～0.85 m/s，落潮垂線平均流速為0.90～1.09 m/s，較工程前流速變動百分比為-1.2%～6.9%。

2.2 潛堤工程實施后對甌江南北口的影響

潛堤工程實施后，甌江北口表層漲、落潮潮段平均流速變化為-0.02～0.00 m/s，0.6 H層和底層漲、落潮潮段平均流速變化為-0.01～0.00 m/s；甌江南口表層漲潮潮段平均流速變化為0.00～0.02 m/s，表層落潮潮段平均流速變化為0.00～0.03 m/s，0.6 H層和底層漲、落潮潮段平均流速變化為0.00～0.02 m/s。可見潛堤工程實施后，甌江北口漲落潮流速有所減小、南口流速有所增大，兩口進出水量略有調整，但影響有限。

2.3 潛堤工程實施后對沙頭水道和小門水道的影響

沙頭水道和小門水道區域表層漲潮潮段平均流速變化為-0.04～0.11 m/s，表層落潮潮段平均流速變化為-0.10～0.07 m/s；0.6 H層漲潮潮段平均流速變化為-0.03～0.10 m/s，0.6 H層落潮潮段平均流速變化為-0.10～0.06 m/s，底層漲潮潮段平均流速變化為-0.02～0.08 m/s，底層落潮潮段平均流速變化為-0.08～0.06 m/s。各層流向變幅在 0°～13°。

2.4 潛堤工程實施后對大門島和小門島間水域的影響

大門島和小門島水域表層漲潮潮段平均流速變化為-0.09～0.04 m/s，表層落潮潮段平均流速變化為-0.22～-0.10 m/s；0.6 H層漲潮潮段平均流速變化為-0.07～0.04 m/s，0.6 H層落潮潮段平均流速變化為-0.20～-0.08 m/s，底層漲潮潮段平均流速變化為-0.07～0.03 m/s，底層落潮潮段平均流速變化為-0.17～-0.07 m/s。各層流向變幅在0°～10°。可見，潛堤工程實施后，大門島和小門島間水域的流速總體呈略有減小趨勢。

2.5 潛堤工程實施后對樂清灣及進港航道的影響

潛堤工程實施后，在樂清灣及進港航道水域，各層流速與工程實施前相比變幅為0%，因此，潛堤工程對樂清灣及進港航道水域的流場沒有影響。

2.6 潛堤工程實施后對黃大峽水道的影響

潛堤工程實施后，黃大峽水道區域各層漲潮潮段平均流速變幅為0.00～0.01 m/s，落潮潮段平均流速變幅為-0.01～0.00 m/s，漲落潮流速變動百分比在±1.5%以內，因此工程的實施對黃大峽水道基本沒有影響。

2.7 潛堤工程實施后對重山水道和狀元岙深水區的影響

潛堤工程實施后，在重山水道和狀元岙深水區，各層漲潮潮段平均流速變幅為-0.01～0.00 m/s，落潮潮段平均流速變幅為0.00～0.01 m/s，漲落潮流速變動百分比在±2.5%以內。

2.8 潛堤工程實施后對甌江口及附近海域潮位的影響

表1 潛堤工程實施前后大潮潮位變化Tab.1 Changes of spring tidal level before and after the submerged breakwater project m

為了解潛堤工程實施后對該海域潮位的影響，表1給出了潛堤工程實施前后黃華、烏仙頭、洞頭3個位置的潮位變化情況。由表1可知，潛堤工程實施后各站高低潮位變幅在0～2 cm。可見，潛堤工程對該海域的潮位變化影響較小。

3 結論

（1）本模型水平采用無結構的三角形網格系統，垂向采用σ坐標，較好地擬合了工程海域復雜的島嶼岸線和地形特征。（2）工程海區從表層到底層基本呈現往復流特征，且從表層到底層流速逐漸減小。（3）航道二期治理潛堤工程實施后，大范圍的潮流特征沒有發生改變，僅在擬建工程附近局部水域有所變化。擬建工程較好地阻隔了來自北側灘面的漲潮流，這將對航道的進一步減淤起到一定作用。本工程實施后，甌江北口航道、沙頭水道、小門水道、大門島和小門島間水域流速略有變化，其他水域則基本不變。（4）擬建工程實施后，附近海區高低潮位變幅為0～2 cm。

綜上，從對周圍水動力影響角度考慮，本工程是可行的。

［1］李孟國，李文丹.溫州港深水航道三維潮流數值模擬［J］.水運工程，2010（1）：86-87.LI M G，LI W D.Numerical simulation of 3D tidal current in deepwater channel at Wenzhou port［J］.Port&Waterway Engineering，2010（1）：86-87.

［2］趙洪波，許婷.甌江口航道二期治理潛堤工程水沙條件及減淤效果研究［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所，2010.

［3］劉暢.MIKE3軟件在水溫結構模擬中的應用研究［D］.北京：中國水利水電科學研究院，2004.

［4］DHI.MIKE3 User Guider［M］.Denmark:DHI Water&Environment，2007.

［5］馬騰，劉文洪.基于 MIKE3 的水庫水溫結構模擬研究［J］.電網與清潔能源，2009（2）：68-71.

MA T，LIU W H.Application of MIKE3 in Prediction Analysis of the Water Temperature of Reservoir［J］.Power System and Clean Energy，2009（2）：68-71.

［6］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.