濱海港防波堤對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，模擬了防波堤建設前后的沖淤特征并分析了沖淤變化的原因。結果表明潮流、泥沙計算值與實測資料吻合良好，模擬的泥沙沖淤結果與實際沖淤特征相符。分析表明，波浪是防波堤外沖刷的主要因素，堤內淤積的泥沙來源于外海泥沙輸入，波浪對堤內泥沙淤積分布起決定性作用。

關鍵詞：mike21；廢黃河三角洲；防波堤；數值模擬；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力作用下受到劇烈沖刷[1，2]，在經過一個多世紀的侵蝕后，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，深水區更為貼岸，-15m等深線距岸僅3.95km[5]。這為濱海港建設提供了優越的水深條件。經過充分的論證，2008年12月，江蘇濱海港環抱式防波堤北堤開工建設，至2011年11月南堤建成。中國海洋大學曾于2012年8月對防波堤北部及外部600m范圍內進行了1：10000的水深測量，發現防波堤內淤積嚴重。給航道疏浚增加了難度，并可能對未來港內運行造成影響。

文章利用mike21軟件建立了濱海港防波堤工程區域波流共同作用下的泥沙輸運模型。在通過實測資料驗證的基礎上，對濱海港防波堤工程建設前后的水動力環境和泥沙輸運進行了模擬，分析了防波堤周圍沖淤變化的影響因素，為未來港內運行、防淤提供科學依據。

1 數學模型

1.1 潮流模型

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

其中：

：自平均海平面向上計算至波動海面的距離（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：時間，s。f：科氏力系數，f=2？棕sin？準，其中？棕是地球自轉角速度，rad/s，？準為地理緯度。g：重力加速度，m/s2。？子bx和？子by：x和y方向的海底摩擦應力。（？子bx，？子by）=■。？子sx和？子sy：x，y方向上的海上風應力。c：謝才系數，c=■H1/6，n為糙率系數。Ax和Ay：渦動粘滯系數，m2/s。Sxx，Sxy，Syy和Syx是波浪輻射應力分量。

1.2 波浪模型

在笛卡爾坐標系下，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。

1.3 泥沙輸運模型

泥沙模型中的控制方程采用考慮沉降項的對流擴散方程：

（5）

其中：t為時間，s；x，y-笛卡爾坐標，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方向的擴散系數；S-泥沙沉降和起動的源匯項；h-水深，m；

2 計算區域

工程計算區域如圖1所示，計算范圍從中山河口到扁擔港口，長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值模擬的預報潮位插值得到。計算區域采用不規則三角網格劃分，防波堤周圍局部加密。網格步長為20-300m。

圖2顯示了防波堤修建后的沖淤變化。可以看出，防波堤外南北兩側的淺水區和堤頭處沖刷，侵蝕深度約2m。防波堤北側整體沖刷，而南側中部淤積1m。防波堤內近岸1km范圍內的淺水區沖刷1m，其余海底淤積，淤積中心位于北堤內側中部，最大淤積厚度5m，防波堤內凈淤積量為4.9×106m3。

3 模型驗證

數學模型的驗證采用圖1中計算區域的6個流速、流向驗證點，模型計算結果與實測資料符合。圖3給出了大潮時防波堤內B點和防波堤外D點的流速、流向驗證。可以看出計算流速、流向與實測基本吻合，但堤外D點的吻合程度要比堤內的B點好，因為防波堤內區域小，受人工構筑物影響嚴重，流場復雜，不易精確模擬。由此可知，模型的計算結果與實測資料吻合較好，所建立模型能夠基本反映廢黃河三角洲的實際潮流特征，可以用于進行后續的泥沙沖淤計算。

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模型，模擬了波流共同作用下環抱式防波堤工程建設之后廢黃河三角洲的泥沙運動。根據濱海海洋站1995年5月-2006年12月在離岸800m、水深-5m處的波浪觀測資料統計，影響濱海港防波堤的波浪主要是偏北向浪，在NE～E方向內，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，防波堤外南北兩側防波堤根部沖刷，沖刷深度相當。北堤堤頭處沖刷最嚴重。防波堤內部泥沙絕大部分靠近口門的2km范圍內，淤積中心位于北堤中部。根據建立的潮流、波浪模型，在ENE向波浪作用下，在防波堤外南北兩側根部，由于防波堤的側向反射、水深變淺，波浪邊形，波高增大，對底床的剪切應力增強，起動泥沙，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，對底床的剪切應力增大，泥沙大量起動，侵蝕嚴重。在防波堤內部，由于堤頭的衍射，波浪主要分布在靠近南堤的南部，北堤附近是波影區范圍。堤內波浪分散，波高減小，不足起動泥沙。而外海泥沙進入口門后，在波流共同作用下，向波影區輸運、沉積，沉積中心在北堤離岸段中部。與實際沖淤特征相符合。

5 結束語

文章建立了廢黃河三角洲的潮流模型，計算潮位和潮流與實測資料吻合良好，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的近岸淺水區和堤頭處波高增大，堤內波浪分散，波高較小，波浪主要散布在防波堤內南側，北側則處于波影區范圍內。

波浪和潮流共同作用下泥沙沖淤計算結果與實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，潮流是泥沙輸運的主要動力。防波堤外泥沙主要來源外海泥沙輸入，波浪對堤內泥沙分布起決定性作用。

參考文獻

[1]高抒.廢黃河口海岸侵蝕與對策[J].海岸工程，1989，8（1）：37-42.

[2]虞志英.波流共同作用下廢黃河河口水下三角洲地形演變預測模式[J].海洋與沼澤，2002，33（6）：583-590.

[3]張仁順，陸麗云，等.江蘇海岸侵蝕過程及趨勢[J].地理研究，2002，21（4）：469-477.

[4]陳宏友.近期蘇北廢黃河三角洲海灘動態及其防護[J].海洋通報，1991，10（4）：61-63.

[5]裴義亭，陸培東.濱海港區海岸穩定性及深水航道工程對其的影響研究[J].現代交術，2011，8（6）：87-91.

[6]管君陽，谷國傳.廢黃河口海岸近期侵蝕特征與機理[J].海岸工程，2011，30（2）：51-61.

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