連云港環抱式防波堤口門航道橫流計算研究

張瑋，張婧，李澤，錢偉

（河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

連云港港是我國沿海的主要港口和綜合運輸體系的重要樞紐。根據有關規劃，連云港將逐步形成“一體兩翼”的總體發展格局[1]，其中，連云港區和徐圩港區將建成30萬噸級的大型海港。由于地處淤泥質淺灘開敞海域，波浪作用明顯，水沙運動復雜，兩港區均采用環抱式防波堤，從而達到防浪擋沙、改善港內泊穩條件、減少泥沙回淤的目的。對于環抱式防波堤，因堤頭的挑流作用，在口門附近的航槽內將產生較大的橫流，不僅是設計進港航道有效寬度的重要參數[2]，對日后港區的船舶調度管理亦存在較大影響，一直是人們所關注的重點之一。

目前，有關環抱式防波堤口門航道橫流的計算研究成果較多[3-8]。不過，在以往的研究工作中，多采用某次實測的大潮作為計算潮型，計算相應的航道橫流。這種計算橫流的方式主要存在兩個問題：首先，其結果相當于隨機值，難以反映出橫流的長期或年內分布特點，代表性不明確；其次，對于一般情況下的橫流數值不易獲得，難以指導實際工作。

本文擬針對連云港港30萬噸級航道，利用二維潮流數學模型，模擬計算不同潮型下的連云港海域環抱式防波堤口門航道最大橫流，探討航道橫流與潮差之間的關系，擬合兩者之間的經驗公式，以便根據潮汐預報表，由不同累計頻率的漲潮潮差計算相應的航道橫流，為設計和管理工作服務。

1 研究對象

連云港海域的潮汐潮流運動受黃海駐波系統控制，為正規半日潮。在外海海域，潮流為旋轉流，向近岸則逐漸過渡為往復流[9]。在進行連云港環抱式防波堤口門航道橫流計算研究時，考慮連云港區與徐圩港區的進港航道均浚深至30萬噸級。其中，連云港區的口門寬度為1000 m，位于-5 m（理論基面以下，下同）等深線處，進港航道走向63°～243°，航道底標高-22.5 m，航道底寬350 m，邊坡1∶7；徐圩港區的口門寬度為1000 m，位于-5 m等深線處，一期建設主要開發一港池和六港池，進港航道走向16°～196°，航道底標高-22.5 m，航道底寬360 m，邊坡1∶7；灌河口整治工程已建，雙導堤延伸至-2 m等深線處，堤頂高程3 m。兩港區及其航道的平面布置如圖1。

圖1 連云港30萬噸級航道及港區總平面布置圖

2 潮流數學模型

2.1 基本方程

式中：x、y為直角坐標系坐標；t為時間變量；h為平均水深；ζ為相對于平均海平面的潮位；Ux、Uy分別為x、y方向上的垂線平均速度；ρ為水體密度；g為重力加速度；Nx、Ny分別為x、y方向的水平紊動黏性系數；f為科氏參數（f=2ωsin φ，ω 為地球旋轉角速度，φ 為緯度）；τx、τy分別為床面剪切應力在x、y方向的分量。

2.2 求解方法

采用 ADI算法 （Alternating Direction Implicit Method）數值求解上述方程組，也就是把每一個時間步長分成兩步進行，前半步隱式計算x方向流速分量及潮位，顯式計算y方向流速分量；后半步隱式計算y方向流速分量及潮位，顯式計算x方向流速分量。

2.3 模型建立及求解條件

數學模型北起日照 （35°22′30″N，119°33′E），東至（35°22′30″N，120°17′E），南至廢黃河口附近 （34°17′00″N，120°17′E），東西寬約99.7 km，南北長約119.3 km，模型范圍內水域面積約8648 km2，詳見圖2。

圖2 連云港海域潮流數學模型范圍示意圖

計算區域的離散均采用矩形網格，并利用網格嵌套法進行逐漸加密，模型最大網格尺度為405 m×405 m，工程區域網格尺度為15 m×15 m，可以滿足計算精度要求。

連云港海域潮流數學模型的西邊界、南邊界為陸邊界，北邊界、東邊界為水邊界。在進行潮流數值計算時，對于開邊界，由東中國海潮波數學模型提供；對于閉邊界，根據不可入原理取法向流速為0。此外，還采用了干濕判別技術進行動邊界處理。

2.4 模型驗證

為使所建立的潮流數學模型能較好地模擬水流的實際運動情況，需對模型進行率定和驗證，確定其中的計算參數。本次研究分別利用2004年7月的大、中、小潮，2005年9月的大、中潮以及2010年先導試挖回淤觀測期間的水文測驗對模型進行率定。經驗證，計算結果與實測資料吻合較好。為節省篇幅起見，模型驗證詳見文獻[10]。

3 航道最大橫流特征及影響因素

為了探討影響連云港海域環抱式防波堤口門航道最大橫流的主要影響因素，在2004年連云港海洋站的潮汐預報表中，選取了一系列涵蓋較大潮差范圍的時間段，進行潮流數值模擬并計算相應的航道橫流。

圖3與圖4分別給出了連云港區及徐圩港區的潮流流速矢量圖，可以看出：在岸線及建筑物附近，潮流基本為沿堤岸的往復流，隨著向外海的推移，旋轉流特性逐漸凸顯；進港航道內水流的歸槽現象明顯，口門外航槽內有垂直于航道軸線的橫流存在。根據連云港區口門外航道橫流的計算結果可知：

1）漲潮最大橫流明顯大于落潮，說明在連云港海域，環抱式防波堤口門的航道最大橫流由漲潮控制。

2）漲潮最大橫流主要位于口門外0.6～0.85 km航槽段，出現在高潮位前的1.0 h以內。

3）落潮最大橫流主要位于口門外1.4～1.6 km航槽段，出現在低潮位前0.5～2.5 h。

4）漲、落潮最大橫流隨漲、落潮潮差的增加而增大，兩者之間有著非常好的對應關系（詳見圖5）。

圖3 連云港區流矢圖

圖4 徐圩港區流矢圖

圖5 連云港區不同計算潮差下的最大橫流

徐圩港區的航道橫流特點與連云港區基本相近，主要為最大橫流由漲潮控制，漲潮最大橫流位于口門外100～200 m航槽段，發生于高潮位前的1.5 h以內。

4 漲潮潮差與累積頻率

目前港工建筑物的設計標準通常有兩種：重現期標準與累積頻率標準。在計算環抱式防波堤口門航道橫流時，如果僅僅采用一種潮型，顯然是不合理的。實際上，從設計和管理的角度考慮，最好能夠知道航道橫流的年內分布，或不同累計頻率所對應的橫流大小。為此，可充分利用上一節中研究表明的航道橫流與潮差之間的高度相關關系。在具體應用時，可以按照以下步驟進行：1）嘗試根據連云港海洋站潮汐預報表，統計不同累積頻率所對應的漲潮潮差；2）按不同的累積頻率，確定與之對應的漲潮潮差數值；3）利用潮流數學模型計算相應的航道最大橫流；4）根據計算結果，建立不同累積頻率的漲潮潮差與漲潮最大橫流之間的相關關系。

通常，海洋站的潮汐預報表有多年的資料，那么到底應該選擇哪一年、或者哪幾年來進行漲潮潮差的累積頻率統計才更為合理？為此，分別按2004年、2004—2006年、2004—2008年的時間組合，統計了1、3、5 a的漲潮潮差累積頻率，具體結果見表1。可以看出，相同的累積頻率下，不同統計年份的漲潮潮差差別很小，與平均值相比，差值基本在2 cm以內，最大也只有4 cm。因此，可以使用某一年的潮汐預報表，來統計漲潮潮差累積頻率。

表1 漲潮潮差統計表

5 漲潮潮差與橫流的相關關系

利用所建立的連云港海域大范圍潮流數學模型，根據不同累積頻率下漲潮潮差所對應的潮型，計算連云港區、徐圩港區口門航道最大橫流，分別建立最大橫流與預報漲潮潮差的一元線性回歸模型（詳見圖6和圖7）。

對于連云港區：

對于徐圩港區：

式中：V為最大航道橫流，m/s；H為對應連云港站的漲潮潮差，m。

圖6 連云港區口門最大橫流與預報漲潮潮差的相關關系

圖7 徐圩港區口門最大橫流與預報漲潮潮差的相關關系

可以看出，兩港區擬合曲線的相關系數均高達0.95左右，屬高度相關。應用以上公式計算所得的兩港區航道最大橫流與數學模型的計算結果較為接近，誤差基本在0.08 m/s以內，精度較高。

根據以上經驗公式，可通過查找潮汐表中的預報漲潮潮差預估口門最大橫流，進而應用到航道設計或服務于港區的日常運營管理。

6 結語

1）利用所建立的數學模型，計算了連云港港環抱式防波堤口門航道漲落潮最大橫流，結果顯示，漲潮最大橫流明顯大于落潮，說明在連云港海域，環抱式防波堤口門的航道最大橫流由漲潮控制。此外，環抱式防波堤口門航道的漲（落）潮最大橫流隨漲（落）潮潮差的增加而增大，兩者之間有著非常好的對應關系。

2）根據連云港海洋站潮汐預報表進行了分析比較，發現利用1年或多年資料分別進行漲潮潮差的累積頻率統計，其結果相近，因此，在實際工作中，可用1年的漲潮潮差統計資料來代表多年的變化情況。

3）根據潮流數學模型計算結果，分別建立了連云港區、徐圩港區口門外最大航道橫流與漲潮潮差之間的相關關系，相關系數R均在0.95左右，屬于高度相關。

4）在具體應用時，可以根據潮汐預報表數據，進行漲潮潮差的累計頻率分析，由此，針對不同累計頻率的漲潮潮差，利用經驗關系確定所對應的航道最大橫流，以便為設計服務，也可作為有關部門進行船舶進出港調度的依據。

[1]孫路，張民輝.連云港總體規劃研究[C]//丁軍化.連云港淤泥質海岸深水航道建設理論與實踐（前期基礎篇）.北京：人民交通出版社，2012：78-83.

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[9]中國海灣志編纂委員會.中國海灣志（第四分冊）[M].北京：海洋出版社，1993.

[10]張瑋.連云港港徐圩港區防波堤工程工可階段潮流泥沙數模研究[R].南京：河海大學，2011.