通州灣建港工程對(duì)輻射沙洲海域潮流泥沙條件的影響

謝靈運(yùn)，王 勇，白玉川（.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 30007；.南通濱海園區(qū)港口發(fā)展有限公司，江蘇 南通 6333）

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通州灣建港工程對(duì)輻射沙洲海域潮流泥沙條件的影響

謝靈運(yùn)1，王 勇2，白玉川1
（1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.南通濱海園區(qū)港口發(fā)展有限公司，江蘇 南通 226333）

本文借助南通市通州灣造港工程規(guī)劃構(gòu)建二維潮流泥沙模型，進(jìn)行水流泥沙數(shù)值模擬，對(duì)工程前后水動(dòng)力及泥沙沖淤情況進(jìn)行對(duì)比分析，以期得出造港工程對(duì)周圍水動(dòng)力環(huán)境以及輻射沙脊群整體潮流場(chǎng)的影響，預(yù)測(cè)工程實(shí)施后水道深槽沖淤情況，從而驗(yàn)證通州灣造港工程的實(shí)際可行性。數(shù)模計(jì)算結(jié)果可見建港工程對(duì)局部區(qū)域內(nèi)水動(dòng)力條件影響明顯，對(duì)大范圍潮流場(chǎng)影響甚微，港區(qū)規(guī)劃內(nèi)預(yù)測(cè)泥沙淤積量在接受范圍以內(nèi)。

輻射沙洲；圍填造港；潮流泥沙；數(shù)值模擬

引　言

南黃海輻射沙脊群位于南黃海海域江蘇蘇北沿岸水深30m以淺區(qū)域，是中國(guó)沿海最具特色的近岸潮流沉積體系。輻射沙脊群以江蘇弶港為頂點(diǎn)，南北跨越200多公里，東西跨越150多公里。輻射沙脊群由線狀沙脊及溝槽組成，整體呈扇形向外海輻散［1，2］。潮流是控制南黃海輻射沙脊群形成發(fā)展的主要因素，輻射沙脊海域由兩種潮波系統(tǒng)控制。兩股潮波系統(tǒng)在弶港附近輻合形成了以弶港為中心的漲落潮輻聚、輻散的獨(dú)特潮流現(xiàn)象［3～6］。

通州灣位于江蘇省南通市東部沿海，存在冷家沙及腰沙兩條主要淺灘沙脊，面積300多平方公里。借助這兩處淺灘沙脊進(jìn)行圍填，同時(shí)對(duì)小廟洪以及三沙洪水道進(jìn)行航道疏浚成為在通州灣海域建成深水港的理想方案。

圖1　通州灣灣造港規(guī)以及水道分布示意

工程區(qū)域位于蘇北輻射沙脊群南部邊緣處，在輻射沙脊群輻聚中心弶港以南，以腰沙、冷家沙為分界線，北面為兩大潮波系統(tǒng)輻合的爛沙洋海域，南面為太平洋前進(jìn)潮波控制的小廟洪水道，整片海域?qū)僖?guī)則的半日潮，潮流流速最大時(shí)刻出現(xiàn)于中潮位的附近。小廟洪及三沙洪水道內(nèi)深槽處潮流橢圓橢圓率小，潮流呈現(xiàn)往復(fù)流特征，水道出口深槽外潮流橢圓率較大，潮流呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)流特征［4～5］。隨著規(guī)劃的深水大港的建成，這一區(qū)域的潮流泥沙環(huán)境會(huì)受此影響，建港工程對(duì)于通州灣區(qū)域局部的潮流環(huán)境影響、對(duì)于蘇北海域整個(gè)輻聚輻散潮流場(chǎng)的影響以及工程建成后的港區(qū)沖淤情況將是本文數(shù)值模擬的重點(diǎn)。

1　二維潮流泥沙模型設(shè)置及驗(yàn)證

1.1控制方程

數(shù)學(xué)模型包含兩部分，二維水流數(shù)學(xué)模型和二維泥沙數(shù)學(xué)模型。

水流連續(xù)方程：

x方向的水流運(yùn)動(dòng)方程：

y方向的水流運(yùn)動(dòng)方程：

懸沙輸移方程：

推移質(zhì)輸沙方程：

河床變形方程：

式中：f為 Coriolis系數(shù)；Cs為謝才系數(shù)；Ci為第i組懸移質(zhì)的含沙量；Pi為第i組懸移泥沙的起懸量；Di為第i組懸移泥沙的沉降量；qbi為第i組推移質(zhì)輸沙率；di為第i組推移質(zhì)泥沙的代表粒徑；Uic為第i組推移質(zhì)的起動(dòng)流速；ξ為紊動(dòng)影響系數(shù)；Psi為第i組懸移泥沙的組份；Pbi為第i組推移泥沙的組份；Cm為渾水保持流體特性的最高含沙量。

泥沙起懸量方程：

式中：tcci=tci/（2c*2）0.5，c*表示一比例系數(shù)，可以取0.27，tci=ωi/u*；Ioi為沉速等于ωi的泥沙在床面泥沙中的份數(shù)，Ioi=σ*iCb，σ*i表示沉速等于ωi的泥沙顆粒在床面泥沙Cb中的有效含量，由床面泥沙級(jí)配可以求出，Cb是在水流的作用下，底部泥沙的活動(dòng)量（相對(duì)體積比）。

泥沙沉降量方程：

式中：wi為泥沙沉速；k為卡門常數(shù)；C為懸沙濃度。

泥沙顆粒起動(dòng)流速公式：

式中：d50為泥沙顆粒中值粒徑；hc為水深。

泥沙懸揚(yáng)流速公式：

式中：z1為泥沙懸浮指標(biāo)；h為水深；n為糙率；k為夾沙水流的卡門常數(shù)。

1.2模型設(shè)置

本文采用大小模型嵌套的方式對(duì)區(qū)域潮流泥沙進(jìn)行數(shù)值模擬，大模型進(jìn)行潮流二維模擬為小模型提供開邊界條件，小模型進(jìn)行局部區(qū)域二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模擬。

大模型為南黃海潮流數(shù)學(xué)模型。模型區(qū)域?yàn)闁|經(jīng)119°～124.065°、北緯31°～36.135°，計(jì)算范圍為南黃海，采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行離散，開邊界條件為潮位條件，由九個(gè)主要分潮經(jīng)潮汐調(diào)和分析得到。

小模型為江蘇南通研究海域潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，模型區(qū)域?yàn)闁|經(jīng)120.8°～122.5°、北緯31.8°～33°，分為工程前與工程后兩部分。工程后模型岸線參照南通市沿海地區(qū)城鎮(zhèn)與港區(qū)發(fā)展規(guī)劃圖以及南通市海域規(guī)劃。

大小模型區(qū)域以及地形分布如圖2。

圖2　模型計(jì)算區(qū)域

1.3模型驗(yàn)證

1）潮流條件驗(yàn)證

大模型取用 2012年黃、渤海海區(qū)《潮汐表》潮位值作為驗(yàn)證資料，驗(yàn)證時(shí)間自2012年2月16日至2月20日，測(cè)站取燕尾港、陳家塢，潮位驗(yàn)證情況如圖3、圖4。

圖3　燕尾港潮位過程驗(yàn)證

圖4　陳家塢潮位過程驗(yàn)證

從大模型潮位驗(yàn)證可看出大模型漲落潮過程以及分時(shí)潮位與驗(yàn)證資料基本符合，其運(yùn)算結(jié)果可為小模型提供較為精確的開邊界條件。

小模型選取2012年2月為配合南通通州灣冷家沙和腰沙圍填布置規(guī)劃及有關(guān)試驗(yàn)研究所布設(shè)的水文全潮觀測(cè)站的大潮觀測(cè)值進(jìn)行潮位及流速、流向的驗(yàn)證。

呂四海洋站以及洋口海洋站潮位驗(yàn)證如圖 5、圖6。

圖5　呂四海洋站潮位過程驗(yàn)證

圖6　洋口海洋站潮位過程驗(yàn)證

選取4個(gè)測(cè)點(diǎn)（c1～c4）進(jìn)行流速流向驗(yàn)證，驗(yàn)證點(diǎn)位置見圖2。

從小模型潮位以及流速、流向驗(yàn)證情況來看，潮位模擬平均誤差在10cm以內(nèi)，驗(yàn)證點(diǎn)漲急、落憩流速平均誤差在15%以內(nèi)，流向平均誤差在10°以內(nèi)，流速、流向過程線基本一致。

2）懸沙濃度驗(yàn)證

本文根據(jù)前文所提實(shí)測(cè)資料進(jìn)行小模型2012年2月大潮期間相關(guān)驗(yàn)證點(diǎn)（s1，s2）潮流含沙量驗(yàn)證，驗(yàn)證情況見圖7。

圖7　潮流含沙量過程驗(yàn)證

驗(yàn)證情況顯示s1點(diǎn)含沙量與實(shí)測(cè)值平均相差13.9%，s2點(diǎn)含沙量與實(shí)測(cè)值平均相差18.4%，潮流攜沙過程趨勢(shì)基本符合。

2　潮流條件變化

本文將對(duì)工程區(qū)域內(nèi)深槽水道在工程前后的潮流情況做出模擬與對(duì)比，水道與測(cè)點(diǎn)分布見圖8。

圖8　水道、測(cè)點(diǎn)分布示意

2.1大洋港深槽與小廟洪水道潮流變化

大洋港深槽位于整個(gè)蘇北輻射沙洲區(qū)域最南翼邊緣處，深槽東西走向，南靠陸域，北接腰沙淺灘，水深10～15m，最深處可達(dá)20m，由于該處處于往復(fù)潮流控制區(qū)域，深槽沖淤形勢(shì)穩(wěn)定，故而具有良好的通航條件。

小廟洪水道西接大洋港深槽，有南、中、北三處水道，經(jīng)多年深槽以及水道的演變，小廟洪三處分水道分別呈現(xiàn)北水道逐漸淤塞，南、中水道加寬加深發(fā)展的趨勢(shì)。

根據(jù)造港規(guī)劃，經(jīng)過模型計(jì)算后，各測(cè)試點(diǎn)流速流向?qū)Ρ龋约跋鄳?yīng)深槽水道流量變化對(duì)比分析如下：

1）大洋港深槽水動(dòng)力條件減弱明顯

由于腰沙上圍填工程的實(shí)施以及港口南側(cè)突堤和相應(yīng)碼頭的建設(shè)，大洋港深槽北側(cè)的納潮面積驟減，流速損失十分明顯，深槽靠近陸測(cè)測(cè)試點(diǎn)A工程前后大潮漲、落急流速損失將近50%，大洋港深槽與小廟洪水道相接處測(cè)試點(diǎn)B工程前后大潮流速損失也高達(dá)30%。

2）小廟洪水道潮流條件有相應(yīng)減弱

西洋哲學(xué)-講師為外山正一。使用貝恩(譯者注：Alexander Bain)《心理學(xué)》、卡彭特(譯者注：William Benjamin Carpenter)《精神生理學(xué)》、斯賓塞《哲學(xué)原理總論》等講授心理學(xué)。

本文于小廟洪水道南、中、北三處水道各自設(shè)立流量測(cè)試斷面，模型計(jì)算結(jié)果見表1。從中可以看出，工程后三處水道流量均有減少，其中以北水道流量減少最為明顯，其漲落潮流量平均減少約22%，南水道漲落潮平均流量減少15%，中水道漲落潮平均流量減少13%。此三處水道工程前就已經(jīng)呈現(xiàn)北水道淤積，南、中水道沖刷的趨勢(shì)［10～11］。

表1　小廟洪水道各水道流量變化

2.2三沙洪水道潮流變化情況

三沙洪水道位于腰沙及冷家沙之間，呈東西走向，西接網(wǎng)倉(cāng)洪水道入海。三沙洪水道水深約8～15m，具有一定的通航條件。

根據(jù)模型模擬，工程前后于三沙洪水道內(nèi)布置的兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)（E、D）工程后呈現(xiàn)了不同程度的流速減弱，靠近內(nèi)陸的測(cè)試點(diǎn)E流速減弱較大，漲急時(shí)刻平均流速減弱約21%，落急時(shí)刻平均流速減弱約45%；靠近口門處的測(cè)試點(diǎn)D減弱相對(duì)較緩，漲急時(shí)刻平均流速減弱17%，落急時(shí)刻平均流速減弱36%。通過口門處斷面測(cè)得工程后漲落急某時(shí)刻口門處流量均較工程前較少了50%左右，為整個(gè)模型區(qū)域水動(dòng)力減弱作為劇烈的區(qū)域。

表2　三沙洪水道斷面流量變化

2.3冷家沙外側(cè)附近水域潮流變化情況

本文于冷家沙外側(cè)附近設(shè)立三處流速流向測(cè)試點(diǎn)（F、G、H），由于建港工程對(duì)納潮量的削減，靠近冷家沙的G、F兩點(diǎn)流速有較為明顯的減弱，測(cè)試點(diǎn)F漲落急流速平均減弱9%，測(cè)試點(diǎn)G漲落急流速平均減弱13%。然而距離突堤稍遠(yuǎn)的測(cè)試點(diǎn)H處的流速流向受影響甚微，其流速改變約1%，流向改變約2%。

2.4建港區(qū)域以北爛沙洋水域潮流變化甚微

建港區(qū)域以北為爛沙洋水域，本文于該處水域設(shè)置兩處流速流向測(cè)試點(diǎn)（I、J），根據(jù)工程前后測(cè)試點(diǎn)流速流向比對(duì)，這兩種情況下其流速流向幾近相等，工程前后三點(diǎn)流速誤差不超過2%，流向誤差不超過2%，并沒有呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)。由此可得出通州灣建港工程對(duì)爛沙洋及其以北地區(qū)潮流條件幾乎不構(gòu)成影響，工程所造成的潮流條件改變是局部的。

圖9　爛沙洋海域

對(duì)比工程前后小模型區(qū)域漲落急時(shí)刻流場(chǎng)圖可得出結(jié)論：

1）就圍填建港局部區(qū)域而言，港口突堤都是順沿淺灘沙脊走向所圍填建造，借助溝槽水道形成航道。就模擬結(jié)果來看，工程的實(shí)施對(duì)深槽水道內(nèi)的水流流向并未形成實(shí)質(zhì)性地影響。

2）就小模型區(qū)域整體而言，順應(yīng)沙脊溝槽而建的港口工程并沒有對(duì)整體潮流場(chǎng)形成實(shí)質(zhì)性的改變，距離工程實(shí)施地越遠(yuǎn)，工程前后流場(chǎng)重合度越高，同時(shí)潮流場(chǎng)的輻聚輻散中心位置并沒有發(fā)生改變，仍舊位于弶港附近。故建港工程對(duì)于整個(gè)輻射潮流場(chǎng)區(qū)域而言不會(huì)造成實(shí)質(zhì)性的破壞。

圖10　工程前后漲急流場(chǎng)對(duì)比

3　規(guī)劃港區(qū)沖刷落淤模擬

本文模型對(duì)工程實(shí)施后區(qū)域進(jìn)行泥沙沖淤模擬。通州灣港整體計(jì)劃于 2030年建成，模型模擬港口工程建成一年后小模型區(qū)域沖淤情況：

1）大洋港深槽

槽內(nèi)工程建成一年后主要呈現(xiàn)沖刷趨勢(shì)，槽內(nèi)最大沖刷量達(dá)42cm，深槽靠陸端由于潮流余流帶來的泥沙而形成了一定的落淤，年淤積量最高可達(dá)36cm。

2）小廟洪水道

小廟洪水道南、中水道整體呈現(xiàn)沖刷趨勢(shì)，南水道內(nèi)最大沖刷量達(dá)8cm，中水道內(nèi)最大沖刷量達(dá)16cm；北水道呈現(xiàn)淤積趨勢(shì)，泥沙淤積主要集中在水道兩側(cè)，最大淤積量可達(dá)43cm。對(duì)比工程建設(shè)前同等水流條件下區(qū)域充裕情況，南、中水道沖刷程度略有減弱，北水道淤阻現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

3）三沙洪水道

三沙洪水道兩側(cè)都有回填工程建設(shè)，水動(dòng)力條件減弱較為明顯，經(jīng)過泥沙模型計(jì)算，工程建成后作為航道的三沙洪水道并未呈現(xiàn)較為嚴(yán)重的淤積，水道微淤，其中最大淤積量為20cm。

表3　水道淤積情況

圖11　工程建成一年后沖淤情況

4　結(jié)　論

1）就工程局部區(qū)域而言，造港工程建設(shè)對(duì)其附近區(qū)域水動(dòng)力有明顯的削弱作用，相應(yīng)深槽、水道由于工程區(qū)域圍填海的影響致使納潮面積減小，潮流漲落流速流量隨之有顯著的削減。

2）就工程影響范圍而言，填海建港對(duì)于周圍環(huán)境水動(dòng)力的削弱作用僅僅只是局部的，對(duì)于工程區(qū)域以北20 km以外更靠近輻射沙脊群海域輻聚輻散潮流場(chǎng)中心弶港、爛沙洋一帶海域來說，都未受造港工程的影響。此項(xiàng)工程規(guī)劃并未對(duì)輻射沙脊群大區(qū)域的潮流漲落狀況有所影響，對(duì)以潮流控制為主的輻射沙脊群主體的演化造成的影響也是微小的。

3）就工程區(qū)域沖淤趨勢(shì)而言，小廟洪北水道為淤積最為迅速的地區(qū)，同時(shí)大洋港深槽近陸端淤積形勢(shì)也較為嚴(yán)重，如需利用此段區(qū)域水道則需注重水道的疏浚；三沙洪水道于造港工程實(shí)施后整體呈現(xiàn)微淤狀態(tài)；小廟洪水道南、中水道沖刷、發(fā)展的趨勢(shì)在工程實(shí)施后并沒有發(fā)生改變。工程區(qū)域在工程實(shí)施后整體的沖淤狀況驗(yàn)證了造港工程的可實(shí)施性。

［1］王穎.黃海陸架輻射沙脊群［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002，12.

［2］劉振夏，夏東興.中國(guó)近海潮流沉積沙體［M］.北京：海洋出版社，2004，12.

［3］張東生，張君倫.黃海海底輻射沙洲區(qū)的 M2潮波［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，05：37-42.

［4］諸裕良，嚴(yán)以新，薛鴻超.黃海輻射沙洲形成發(fā)育潮流數(shù)學(xué)模型［C］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展（A輯），1998，04：473-480.

［5］諸裕良，嚴(yán)以新，蔡鴻超.南黃海輻射沙洲形成發(fā)育水動(dòng)力機(jī)制研究［J］.中國(guó)科學(xué)，1998，28（5）：403-410.

［6］張家強(qiáng)，李從先，叢友滋.蘇北南黃海潮成沙體的發(fā)育條件及演變過程［J］.海洋學(xué)報(bào)（中文版），1999，02：65-74.

［7］白玉川，棪顧元，邢煥政.水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型理論及應(yīng)用［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2005.

［8］白玉川，楊建民，黃本勝.二維水沙數(shù)學(xué)模型在復(fù)雜河道治理中的應(yīng)用［J］.水利學(xué)報(bào)，2003，09：25-30.

［9］白玉川.海岸三維潮流數(shù)學(xué)模型的研究［J］.海洋學(xué)報(bào)，1998，20（6）：87-100.

［10］陳可鋒，陸培東，王艷紅，等.南黃海輻射沙洲趨勢(shì)性演變的動(dòng)力機(jī)制分析［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2010，21（2）：267-274.

［11］陳可鋒，陸培東，喻國(guó)華.輻射沙脊小廟洪水道口門形態(tài)演變及其水動(dòng)力機(jī)制研究［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，2：101-106.

Impact of Tongzhou Gulf Port Project on Tidal Current and Sediment
Conditions of Radial Shoal Area

Xie Lingyun1，Wang Yong2，Bai Yuchuan1
（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Port Development Co.，Ltd.of Nantong Binhai Industrial Park，Nantong Jiangsu 226333，China）

Based on the planning of Nantong Tongzhou gulf port project，a 2D tidal current & sediment model has been establish to simulate the motion of current and sediment，compare and analyze the differences of hydrodynamic and sediment scour-and-fill conditions before and after the port construction.The above analysis results are used to estimate the effect of port construction on local hydrodynamic environment and the whole tidal current field of radial sand ridges as well as the scour-and-fill state of waterway deep-ditch after the construction.Furthermore，the feasibility of Tongzhou gulf port project is verified.Numerical simulation results show that port project will definitely affect local hydrodynamic condition，but merely affect large-scale tidal current filed.The sediment deposit estimated in harbor planning is acceptable.

radial shoal； reclamation and port construction； tidal current and sediment； numerical simulation

TV148

A

1004-9592（2016）04-0001-06

10.16403/j.cnki.ggjs20160401

2015-11-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41576039）

謝靈運(yùn)（1990-），男，碩士研究生，主要從事港口、近海潮流泥沙數(shù)值模擬研究。