濱海港防波堤對(duì)廢黃河三角洲沖淤變化的影響因素研究

摘 要：利用mike21建立了廢黃河三角洲潮流、波浪、泥沙模型，模擬了防波堤建設(shè)前后的沖淤特征并分析了沖淤變化的原因。結(jié)果表明潮流、泥沙計(jì)算值與實(shí)測(cè)資料吻合良好，模擬的泥沙沖淤結(jié)果與實(shí)際沖淤特征相符。分析表明，波浪是防波堤外沖刷的主要因素，堤內(nèi)淤積的泥沙來(lái)源于外海泥沙輸入，波浪對(duì)堤內(nèi)泥沙淤積分布起決定性作用。

關(guān)鍵詞：mike21；廢黃河三角洲；防波堤；數(shù)值模擬；沖淤變化

前言

自黃河1855年改道北歸渤海后，江蘇北部廢黃河水下三角洲在海洋動(dòng)力作用下受到劇烈沖刷[1，2]，在經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的侵蝕后，海岸線已后退20多公里，水下三角洲基本沖蝕殆盡[3-5]。在廢黃河三角洲突出部位，受侵蝕最劇烈，斷面已呈全面侵蝕的下凹型，深水區(qū)更為貼岸，-15m等深線距岸僅3.95km[5]。這為濱海港建設(shè)提供了優(yōu)越的水深條件。經(jīng)過(guò)充分的論證，2008年12月，江蘇濱海港環(huán)抱式防波堤北堤開工建設(shè)，至2011年11月南堤建成。中國(guó)海洋大學(xué)曾于2012年8月對(duì)防波堤北部及外部600m范圍內(nèi)進(jìn)行了1：10000的水深測(cè)量，發(fā)現(xiàn)防波堤內(nèi)淤積嚴(yán)重。給航道疏浚增加了難度，并可能對(duì)未來(lái)港內(nèi)運(yùn)行造成影響。

文章利用mike21軟件建立了濱海港防波堤工程區(qū)域波流共同作用下的泥沙輸運(yùn)模型。在通過(guò)實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對(duì)濱海港防波堤工程建設(shè)前后的水動(dòng)力環(huán)境和泥沙輸運(yùn)進(jìn)行了模擬，分析了防波堤周圍沖淤變化的影響因素，為未來(lái)港內(nèi)運(yùn)行、防淤提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 潮流模型

潮流模型考慮了波浪輻射應(yīng)力的影響，其連續(xù)方程和動(dòng)量方程如式（1）-（3）所示：

其中：

：自平均海平面向上計(jì)算至波動(dòng)海面的距離（潮位），m。u和v：x，y方向的垂線平均流速分量，m/s。h：海底到靜止海面的距離（水深），m。H：總水深， 。t：時(shí)間，s。f：科氏力系數(shù)，f=2？棕sin？準(zhǔn)，其中？棕是地球自轉(zhuǎn)角速度，rad/s，？準(zhǔn)為地理緯度。g：重力加速度，m/s2。？子bx和？子by：x和y方向的海底摩擦應(yīng)力。（？子bx，？子by）=■。？子sx和？子sy：x，y方向上的海上風(fēng)應(yīng)力。c：謝才系數(shù)，c=■H1/6，n為糙率系數(shù)。Ax和Ay：渦動(dòng)粘滯系數(shù)，m2/s。Sxx，Sxy，Syy和Syx是波浪輻射應(yīng)力分量。

1.2 波浪模型

在笛卡爾坐標(biāo)系下，MIKE21 SW的控制方程，即波作用下守恒方程：

■+？犖（■N）=■ （4）

其中，■指波群速度，■=（cx，cy，c？滓，c？茲），cx和cy分別表示波作用在地理空間（x，y）中的傳播變化。c？滓表示由于水深和水流變化造成的相對(duì)頻率的變化，c？茲表示由于水深和水流造成的折射。S指能量平衡方程中以譜密度表示的源函數(shù)。

1.3 泥沙輸運(yùn)模型

泥沙模型中的控制方程采用考慮沉降項(xiàng)的對(duì)流擴(kuò)散方程：

（5）

其中：t為時(shí)間，s；x，y-笛卡爾坐標(biāo)，m；u，v-x，y方向上的速度分量，m/s；C-泥沙濃度，Kg/m3；Dx，Dy-x，y方向的擴(kuò)散系數(shù)；S-泥沙沉降和起動(dòng)的源匯項(xiàng)；h-水深，m；

2 計(jì)算區(qū)域

工程計(jì)算區(qū)域如圖1所示，計(jì)算范圍從中山河口到扁擔(dān)港口，長(zhǎng)34km，寬24km。其中北邊界、東邊界、南邊界均為開邊界，西邊界為水陸閉邊界。開邊界水位采用渤黃東海潮汐潮流數(shù)值模擬的預(yù)報(bào)潮位插值得到。計(jì)算區(qū)域采用不規(guī)則三角網(wǎng)格劃分，防波堤周圍局部加密。網(wǎng)格步長(zhǎng)為20-300m。

圖2顯示了防波堤修建后的沖淤變化?？梢钥闯?，防波堤外南北兩側(cè)的淺水區(qū)和堤頭處沖刷，侵蝕深度約2m。防波堤北側(cè)整體沖刷，而南側(cè)中部淤積1m。防波堤內(nèi)近岸1km范圍內(nèi)的淺水區(qū)沖刷1m，其余海底淤積，淤積中心位于北堤內(nèi)側(cè)中部，最大淤積厚度5m，防波堤內(nèi)凈淤積量為4.9×106m3。

3 模型驗(yàn)證

數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證采用圖1中計(jì)算區(qū)域的6個(gè)流速、流向驗(yàn)證點(diǎn)，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料符合。圖3給出了大潮時(shí)防波堤內(nèi)B點(diǎn)和防波堤外D點(diǎn)的流速、流向驗(yàn)證?？梢钥闯鲇?jì)算流速、流向與實(shí)測(cè)基本吻合，但堤外D點(diǎn)的吻合程度要比堤內(nèi)的B點(diǎn)好，因?yàn)榉啦ǖ虄?nèi)區(qū)域小，受人工構(gòu)筑物影響嚴(yán)重，流場(chǎng)復(fù)雜，不易精確模擬。由此可知，模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料吻合較好，所建立模型能夠基本反映廢黃河三角洲的實(shí)際潮流特征，可以用于進(jìn)行后續(xù)的泥沙沖淤計(jì)算。

4 泥沙沖淤模擬

為了研究廢黃河三角洲沖淤變化的原因，文章利用潮流、波浪模型耦合泥沙輸運(yùn)模型，模擬了波流共同作用下環(huán)抱式防波堤工程建設(shè)之后廢黃河三角洲的泥沙運(yùn)動(dòng)。根據(jù)濱海海洋站1995年5月-2006年12月在離岸800m、水深-5m處的波浪觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，影響濱海港防波堤的波浪主要是偏北向浪，在NE～E方向內(nèi)，主波向是ENE向，頻率27%，有效波高1.12m，平均周期5.2s[6]。

在ENE向波浪和潮流共同作用下，廢黃河三角洲的月沖淤特征如圖4所示，可以看出在ENE向波浪作用下，防波堤外南北兩側(cè)防波堤根部沖刷，沖刷深度相當(dāng)。北堤堤頭處沖刷最嚴(yán)重。防波堤內(nèi)部泥沙絕大部分靠近口門的2km范圍內(nèi)，淤積中心位于北堤中部。根據(jù)建立的潮流、波浪模型，在ENE向波浪作用下，在防波堤外南北兩側(cè)根部，由于防波堤的側(cè)向反射、水深變淺，波浪邊形，波高增大，對(duì)底床的剪切應(yīng)力增強(qiáng)，起動(dòng)泥沙，造成侵蝕。在堤頭，波浪輻聚，波高增大，潮流流速也增大，在波流共同作用下，對(duì)底床的剪切應(yīng)力增大，泥沙大量起動(dòng)，侵蝕嚴(yán)重。在防波堤內(nèi)部，由于堤頭的衍射，波浪主要分布在靠近南堤的南部，北堤附近是波影區(qū)范圍。堤內(nèi)波浪分散，波高減小，不足起動(dòng)泥沙。而外海泥沙進(jìn)入口門后，在波流共同作用下，向波影區(qū)輸運(yùn)、沉積，沉積中心在北堤離岸段中部。與實(shí)際沖淤特征相符合。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章建立了廢黃河三角洲的潮流模型，計(jì)算潮位和潮流與實(shí)測(cè)資料吻合良好，可以基本反映廢黃河三角洲的潮流特征。

防波堤外部南北兩側(cè)的近岸淺水區(qū)和堤頭處波高增大，堤內(nèi)波浪分散，波高較小，波浪主要散布在防波堤內(nèi)南側(cè)，北側(cè)則處于波影區(qū)范圍內(nèi)。

波浪和潮流共同作用下泥沙沖淤計(jì)算結(jié)果與實(shí)際沖淤特征基本符合，反映出防波堤外沖刷主要受波浪的作用，潮流是泥沙輸運(yùn)的主要?jiǎng)恿?。防波堤外泥沙主要?lái)源外海泥沙輸入，波浪對(duì)堤內(nèi)泥沙分布起決定性作用。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：楊肖迪（1989-），男，碩士研究生，主要從事海洋動(dòng)力與海岸工程的相互作用研究。