石浦港下灣門航道工程潮流數值模擬研究

溫春鵬，李孟國，李文丹

（1.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱150001；2.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）

石浦港位于封閉型港灣石浦灣內（圖1）。該港區由銅瓦門、東門、下灣門、林門及三門口5 個水道與外海相通，船舶通行以下灣門、東門及銅瓦門水道為主。隨著臨港工業發展，船只數量激增，現有航道的通航能力明顯不足，亟需升級現有航道，建設萬噸級以上航道以適應發展需要。但由于銅瓦門、林門和三門口水道自然條件一般，且均已建有橋梁，只有東門水道和下灣門水道是石浦港2 個具有一定通航潛力的水道，可以開辟成萬噸級以上航道。

本文對下灣門水道開辟為5 萬t 級進行了流場數模研究，航道底寬為165 m，設計水深為-14.8 m（85 高程），邊坡為1∶5。航道起始于三門口以東，經中界山以北、汏網嶼以南水域，通過下灣門水道延伸至外海，總長度為33.5 km。港內航道開挖部分分為兩段，西段由飯甑山東至打鼓峙東（D1 段），東段由中界山中部至汏網嶼東（D2 段），兩段分別長約4.2 km 和3.7 km，最大挖深分別為4.4 m 和6.9 m；外海航道開挖至滿足航道水深處（D3 段），長度為16.1 km，最大挖深6.5 m，具體開挖情況如圖2。由于下灣門出海口處的園山不滿足設計航道寬度要求，口門處存在大量礁石，其中石欄礁位于航道軸線，堵住了航道口門，為滿足進港航道暢通及航道設計要求必須對這兩處進行炸礁［1］。炸礁點位置如圖3 所示。本文采用基于不規則三角形網格［2］二維潮流數值模擬對下灣門航道進行了研究，分析了航道開挖及炸礁前后的潮流場特征及變化。

1 潮汐潮流特征分析

1.1 潮汐特征

據石浦海洋站實測潮位資料準調和分析計算，石浦港附近水域潮汐特征值（H01+HK1）/HM2＜0.5，表明該海域潮汐性質屬正規半日潮。根據2011 年7 月23 日～8 月1日，2011 年7 月21 日～8 月23 日和有關報告統計［3］，該港平均潮差在3.00 m 以上，最大潮差可達6.08 m，平均漲潮歷時6∶05，平均落潮歷時6∶19，落潮略長于漲潮。

1.2 潮流特征

據石浦港2006 年9～10 月口門段水文全潮驗潮流資料調和分析，潮流類型（WO1+WK1）/WM2＜0.5，該工程海域潮流性質屬正規半日潮流型，在一個太陰日內有2 次漲潮和2 次落潮流，潮流運動形式為往復流。各站漲、落潮憩流一般發生在高、低潮位前后，最大流速發生在半潮前后，表明石浦港區內潮波屬駐波性質。

2011 年7 月24～25 日和7 月31 日～8 月1 日在石浦港區范圍進行了全潮同步觀測，觀測結果表明［3］：（1）石浦港東西向水道潮段流速均在0.50 m/s 以上，最大流速達1.25 m/s；銅瓦門、東門水道內潮段平均流速及最大流速呈現有落潮大于漲潮的變化規律，落潮最大流速分別可達1.20 m/s、0.92 m/s，下灣門水道內段漲落潮最大流速分別為1.29 m/s、1.12 m/s，各站的流速變化呈現有隨潮差的增大而增大的變化規律。（2）各站漲落潮流向基本為方向相反的往復流，并與岸線或水道深泓線基本一致。（3）從漲落潮歷時上看，落潮平均歷時大于漲潮；潮差變化呈由沿海向內陸水域逐漸增大的規律。

2 數學模型的建立及計算

2.1 計算方法及方程

潮流計算采用Mike 系列軟件中的三角形網格水動力模塊（FM 模塊）。控制方程采用經Navier-Stokes 方程沿深積分的二維淺水方程組［4］，并將紊流作用以渦粘系數的形式參數化。基本方程形式為

式中：h=η+d 和d 分別為水面高度和靜水深；x 和y 分別為橫軸和縱軸坐標；t 為時間；g 為重力加速度；和分別為沿x 和y 方向的深度平均流速；f 為柯氏力系數；ρ 為流體密度；ρ0為參考密度；S 為點源流量；us與vs為點源流速；Tij為應力項，包括粘性應力、紊流應力和對流等，根據水深平均的流速梯度計算。

式中：Cf為拖曳力系數=（ub，vb）為水深平均流速。

水平渦粘性系數采用Samagorinsky 亞網格尺度模型求解，可以較好地描述各種渦的形成，即渦粘系數取為

式中：Cs為可調系數，可取為0.28。

在控制方程的求解過程中使用有限體積法進行離散，采用三角形網格；時間積分采用顯式歐拉格式；計算中采用干濕網格方法對淺灘進行考慮。

2.2 計算域的確定及網格劃分

模型北起大平崗島以北的29°32′N 緯度線，南到東肌列島，東邊界在122°26′E 經緯線，南北距離約77 km，東西距離約92 km，包括整個三門灣海域。為擬合復雜岸線和航道等細致建筑物邊界，采用不規則三角形網格剖分計算域。現狀情況下網格如圖4，模型共84 891個網格節點，165 018 個三角形單元，三角形網格最小邊長18.22 m，網格最大邊長4 880 m。模型邊界條件由ChinaTide［5］提供。

2.3 模型驗證

為了驗證潮流模型的合理性，采用2011 年7 月～8 月大潮和小潮水文觀測資料對模型潮位、流速、流向進行驗證。本次水文測量在工程海域布置13 個流速、流向和含沙量測站，分別為V1～V13，并布置了H1～H6六個潮位測站（圖1）。限于篇幅，只給出部分測站大潮的潮位、流速及流向的驗證曲線，如圖5～圖7。經驗證無論在計算的位相、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》［6］的要求，可以用來進行工程方案流場模擬計算研究。

3 潮流計算結果分析

3.1 工程前流場特征

（1）工程海區地形復雜、島嶼眾多，外海為逆時針旋轉流形式運動，石浦港內水域多呈水道形式，潮流呈往復流形式運動，流向與水道走向基本一致［7］。

（2）石浦港內水域漲潮時，外海潮波通過銅瓦門水道、東門水道、下灣門水道和林門水道流入石浦港內，經三門口水道流出；落潮與漲潮時流路基本一致，只是方向相反，且各口門漲、落潮基本同步（圖8）。

（3）石浦港內及口門附近水流流速大于外海水域，這主要是由其潮流通道收縮所引起的。石浦港內全潮平均流速介于0.48～0.95 m/s，最大流速介于0.91～1.40 m/s；外海水域全潮平均流速介于0.29～0.65 m/s，最大流速介于0.3～1.0 m/s。三門灣內全潮平均流速介于0.6～0.8 m/s，最大流速介于0.8～1.70 m/s。

（4）石浦港航道軸線，全潮平均流速介于0.31～0.89 m/s，最大流速介于0.68～1.40 m/s。

（5）下灣門水道全長3.3 km，寬度300～600 m，水深達25～58 m。水道附近水流流速較大，全潮平均流速介于0.15～1.1 m/s，最大流速介于0.6～1.8 m/s。岬角水域存在明顯挑流，在岬角背流側水域內有局部環流發生，最大環流流速約為0.60 m/s。口門內側潮差較外側增大，體現在高潮位大幅上揚，低潮位略有下挫，下灣門內外高潮位相差10 cm，低潮位相差4 cm。圖9 為工程前下灣門口門處漲、落急時刻流態圖。

3.2 工程方案實施后潮流運動

3.2.1 對流場的影響

（1）對流態的影響。經分析［7］，方案的航道布置均充分利用現狀海域的岸線及水深，總體挖深較小，并未改變大范圍海域潮流運動整體特征，與工程前相比流速矢量無明顯變化。方案實施后，將炸礁點處炸除至滿足設計航道底高程，與工程前相比，航道軸線水域的流場更加平順，流向與航道走向基本一致。

（2）對流速的影響。

①下灣門航道方案實施后，三門口—中界山段的航道流速略呈減小趨勢，全潮平均流速減小范圍介于0.01～0.02 m/s；中界山及汏網嶼東北側深槽附近水域流速呈增加趨勢，全潮平均流速增加范圍介于0.02～0.04 m/s；中界山—汏網嶼段深槽航道流速呈增加趨勢，全潮平均流速增加值介于0.02～0.08 m/s；汏網嶼北側深槽流速呈增加趨勢，全潮平均流速增加值介于0.02～0.08 m/s；下灣門水道內流速呈增加趨勢，全潮平均流速增加值介于0.01～0.4 m/s，最大流速增加值介于0.02～0.50 m/s；口門處流速增加介于0.02～0.08 m/s；外航道段所處水域開闊，由于航道挖深，相比工程前，流速呈現減小的趨勢；全潮平均減小值介于0.01～0.06 m/s，最大流速減小值介于0.01～0.08 m/s。圖10 為工程海區全潮平均流速差等值線（工程后－工程前）。

②下灣門水道由于水深條件良好，沒有實施航道開挖工程，工程整治重點主要是位于下灣門水道出口部分的炸礁點A 和炸礁點B，其中炸礁點B 即石欄礁，是暗礁，位于規劃出海航道軸線上，將其消除至滿足設計航道底高程后，流速有所減小，全潮平均流速減小值介于0.04～0.2 m/s。石欄礁消除后，通過該段進出下灣門水道的流量將有所增加，受此影響，金龍礁南側水流得以增強，金龍礁北側水流消弱，使得通過該段進入下灣門水道的水流基本與岸線平行，可以滿足航行要求。

炸礁點A 位于園山，該點在消除至滿足設計航道底寬和水深的條件下，附近水域的漲落潮水流也明顯得到改善，園山附近航道軸線水域的流場趨于平順。漲潮時刻，因園山挑流作用被消弱，形成的環流有所減弱，最大環流流速約為0.6 m/s；落潮時段，下灣門水道兩側存在一系列環流，園山處的環流強度同漲潮一樣有所減弱，最大環流流速約為0.3 m/s，環流持續時間基本覆蓋了全潮過程。圖11 為工程后下灣門口門處漲落急流場圖。

3.2.2 對潮位的影響

炸礁工程后口門局部拓寬，且航道段亦有所浚深。為考察炸礁工程對口內外潮位影響，表1 給出了航道方案實施后，取樣點處高低潮位變化情況（圖1 中X1～X3 點）。經分析，總體來說，航道開挖及局部炸礁工程方案實施后，引起高低潮位變化均在1cm 以內，對潮位變化無影響。

表1 特征點高、低潮位變化Tab.1 Change of feature points at high and low tidal levels m

3.2.3 對潮量的影響

炸礁工程實施后，口門處過水斷面增大，將引起各口門潮量的變化。為分析方案對工程海域各通道斷面潮量的影響，在各口門附近選取了5 條斷面（圖1 中D1～D5），方案實施后：銅瓦門水道斷面漲、落潮潮量均有減少，減幅在1%～2%。林門水道斷面漲、落潮潮量均略有減少，幅度在1%～3%；三門口斷面漲、落潮潮量均略有增加，幅度在1%～3%。東門水道斷面漲、落潮潮量有所減小，減幅在2%～3%。下灣門水道斷面漲、落潮潮量均有所增加，增幅在3%～6%。銅瓦門、東門和下灣門漲落潮分流比分別為0.26：0.16：0.58、0.28：0.16：0.56。

總體來說下灣門方案及炸礁工程后，下灣門口門處潮量增加，而其他口門潮量降低，銅瓦門和東門變幅較大；林門和三門口由于距工程較遠，從而潮量變幅微弱。

3.2.4 航道橫流分析［7］

進港航道內的橫流直接影響通航安全，也是航道寬度設計的重要參數，因此對橫流的全面把握具有十分重要的意義。經統計：在航道轉彎位置、進港口門以及外海航道處潮流主向與航道軸線夾角較大，橫流較強且歷時較長，而其他區段由于潮流基本呈順槽運動，從而橫流均較弱。方案實施后，航道內最大橫流約為0.67 m/s，位于南田島東側外海航道轉彎處，且最大橫流出現時刻為落急。

4 結論

（1）石浦港海域潮汐性質屬正規半日潮，潮流性質屬正規半日潮流型。潮流運動基本為往復運動，流向與水道走向基本一致。港內及進港口門附近水流流速大于外海水域。石浦港內全潮平均流速介于0.48～0.95 m/s，最大流速介于0.91～1.40 m/s；外海水域全潮平均流速介于0.29～0.65 m/s，最大流速介于0.3～1.0 m/s。

（2）下灣門航道工程方案實施后，由于水深總體挖深較小，流速變化很小，并未改變大范圍海域潮流運動整體特征。開挖段航道流速呈減小的趨勢，深槽水域流速呈增加趨勢。外航道段所處水域開闊，由于航道有所挖深，相比工程前，流速呈現減小的趨勢。

（3）下灣門航道工程方案實施后，口門處因炸礁使得航道軸線水域的流場趨于平順，流向與航道走向基本一致，對周邊流場基本沒有影響。受岸線挑流影響，漲、落潮時在水道兩側分別形成環流，持續時間、強度與工程前相差不大。

（4）下灣門航道開挖及局部炸礁工程方案實施后，引起高低潮位變化均在1 cm 以內，對潮位變化無影響。

（5）下灣門航道工程方案實施后，下灣門口門處潮量增加，而其他口門潮量降低，銅瓦門和東門變幅較大，林門和三門口由于距工程較遠，從而潮量變幅微弱。銅瓦門、東門和下灣門漲落潮分流比分別為0.26：0.16：0.58、0.28：0.16：0.56。

（6）航道轉彎位置、進港口門以及外海航道處橫流較強，其他區段橫流均較弱。方案實施后，航道內最大橫流約為0.67 m/s，位于南田島東側外海航道轉彎處。

（7）綜合來看，下灣門航道工程實施后，工程區的潮位潮量變化不大，港內流態較平順，下灣門水道及口門處的流態得到了較大的改善，可以滿足航行要求，因此下灣門方案是可行的。

［1］王義剛，梁亮，王震.石浦港口門炸礁工程對港內影響研究［C］//中國海洋工程學會. 第十二屆中國海岸工程學術研討會論文集.北京：海洋出版社,2005.

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［3］麥苗，蔡寅，韓志遠，等.石浦港航道工程自然條件與沖淤演變分析［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所，2012.

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［6］JTS/T231-2-2010，海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程［S］.

［7］李文丹，解鳴曉，溫春鵬.石浦港航道工程潮流泥沙數學模型試驗研究報告［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所，2012.