東營(yíng)港水動(dòng)力要素及泥沙運(yùn)動(dòng)特性

李典，徐振坤，肖立敏，孫林云*

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098；2.東營(yíng)港建設(shè)服務(wù)辦公室，山東東營(yíng)257237；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029）

東營(yíng)港水動(dòng)力要素及泥沙運(yùn)動(dòng)特性

李典1，徐振坤2，肖立敏3，孫林云3*

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098；2.東營(yíng)港建設(shè)服務(wù)辦公室，山東東營(yíng)257237；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029）

收集整理了東營(yíng)港現(xiàn)場(chǎng)波浪、潮汐、潮流及泥沙底質(zhì)等實(shí)測(cè)資料，分析得到該海域波浪動(dòng)力以東北向和西北向?yàn)橹?，潮汐類型為正?guī)全日潮，潮流特性表現(xiàn)為基本平行于海岸的往復(fù)流，流速較大，海域底質(zhì)以黏土質(zhì)粉砂為主，屬于粉砂質(zhì)海岸類型。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)劉家駒波浪作用下泥沙起動(dòng)公式，計(jì)算了港口附近海岸泥沙在不同水深下起動(dòng)波高與泥沙粒徑的關(guān)系，為東營(yíng)港港區(qū)規(guī)劃及相關(guān)研究提供參考依據(jù)。

東營(yíng)港；水文泥沙；水動(dòng)力特性；泥沙起動(dòng)

1 概述

山東省東營(yíng)市東營(yíng)港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)位于黃河三角洲中心城市東營(yíng)市東北部，北臨京津唐經(jīng)濟(jì)區(qū)，南連膠東半島，瀕臨渤海西南海岸，地處黃河經(jīng)濟(jì)帶與環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈交匯點(diǎn)[1]。該港始建于1984年，依托勝利油田開發(fā)建設(shè)，為勝利油田的生產(chǎn)、生活及相應(yīng)腹地的商貿(mào)提供服務(wù)。隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，港區(qū)吞吐量近年來不斷增長(zhǎng)，東營(yíng)港現(xiàn)有規(guī)模已不適應(yīng)發(fā)展需要，為此東營(yíng)港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)擬擴(kuò)大港口規(guī)模，提高航道等級(jí)，逐步開展各項(xiàng)規(guī)劃研究。本文通過現(xiàn)場(chǎng)資料的收集整理，分析了東營(yíng)港風(fēng)、浪、潮汐及潮流等水動(dòng)力要素及泥沙運(yùn)動(dòng)特性，為港區(qū)規(guī)劃及相關(guān)研究提供基礎(chǔ)資料支撐。

2 水動(dòng)力特征

2.1 波浪

根據(jù)中心二號(hào)平臺(tái)測(cè)站2015年1—12月的連續(xù)波浪觀測(cè)資料，對(duì)有效波高和平均周期分等級(jí)、分方向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖1。由圖1可見，常波向?yàn)镾W向和W向，其出現(xiàn)頻率為10.92%，這兩個(gè)方向主要以小波浪為主。強(qiáng)波向?yàn)镋NE向，其波高大于2.5 m出現(xiàn)頻率為1.42%，次強(qiáng)波向?yàn)镋向，波高大于2.5 m出現(xiàn)頻率為0.74%。E向與NNE向也出現(xiàn)了大波浪的情況?？傮w而言，該海域波浪主要?jiǎng)恿碓从跂|北向。2015年有效波高大于1.5 m的波浪全年出現(xiàn)天數(shù)接近40 d。平均周期主要分布在4.0～5.9 s，出現(xiàn)頻率為52.31%，全年平均周期為5.82 s。

圖1中心二號(hào)平臺(tái)測(cè)站2015年1—12月波浪玫瑰圖

Fig.1Wave rose diagram of No.2 central platform station from Jan.to Dec.in 2015

2.2 潮汐

根據(jù)東營(yíng)港海域的孤東及黃河海港潮位站2010年1月—2015年12月實(shí)測(cè)潮位資料分析可知，東營(yíng)港地區(qū)潮汐類型指標(biāo)（Hk1+HO1）/HM2= 7.03，即潮汐類型以正規(guī)全日潮為主，大部分時(shí)段每日出現(xiàn)1次高潮和1次低潮[2]，受淺水分潮影響，個(gè)別時(shí)段每日還會(huì)出現(xiàn)多次高、低潮，最多可達(dá)4次。由于靠近渤海灣至萊州灣間的無潮點(diǎn)，本海域潮汐強(qiáng)度弱，潮差小，歷年平均潮差不足0.8 m。潮位特征值分析結(jié)果見表1。

表1 東營(yíng)港海域潮位特征值Table 1Characteristic values of tidal level in Dongying Harbor

由表1可以看出，在平均海平面方面，黃河海港站略高，可能是由于該站緊鄰防波堤，潮波變形引起的潮位抬高。此外，其他潮位特征基本一致。東營(yíng)港海域各基面換算關(guān)系：1985國家高程基準(zhǔn)=理論深度基準(zhǔn)面+0.78 m=實(shí)測(cè)資料潮位零點(diǎn)+1.0 m。

2.3 潮流

中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司在東營(yíng)港工程海域布設(shè)的7條潮流觀測(cè)垂線，于2015年7月31日—8月1日（農(nóng)歷六月十六至十七，大潮）、2015年8月8—9日（農(nóng)歷六月廿四至廿五，小潮）進(jìn)行過2個(gè)全潮水文測(cè)驗(yàn)[3]。由大潮實(shí)測(cè)資料繪制潮流矢量圖，見圖2。

圖2 東營(yíng)港實(shí)測(cè)大潮潮流矢量圖Fig.2Vector diagram of measured spring tidal current in Dongying Harbor

由測(cè)量結(jié)果分析可知：1）東營(yíng)港潮流屬正規(guī)半日潮，觀測(cè)海域潮流基本表現(xiàn)出往復(fù)流特性，從時(shí)間分布上看，觀測(cè)垂線流速大部分時(shí)段從大潮到小潮有減小的趨勢(shì)。該海區(qū)西北向流速略大于東南向流速。2）小潮漲潮（東南向）潮段平均流速在0.36～0.58 m/s之間，落潮（西北向）潮段平均流速在0.26～0.54 m/s之間；小潮觀測(cè)期間，實(shí)測(cè)最大流速為1.41 m/s，流向?yàn)?78°，出現(xiàn)在漲潮期間L1垂線的表層。大潮漲潮（東南向）潮段平均流速在0.40～0.62 m/s之間，落潮（西北向）潮段平均流速在0.31～0.60 m/s之間；大潮觀測(cè)期間，實(shí)測(cè)最大流速為1.56 m/s，流向?yàn)?78°，出現(xiàn)在漲潮期間L1垂線的表層。3）由于L1點(diǎn)布置在航道口門附近，從實(shí)測(cè)資料分析可知，最大垂線平均流速超過了1.20 m/s，流向與擬建口門相切，與航道垂直，對(duì)船舶的航行不利。

3 泥沙運(yùn)動(dòng)特性

3.1 底質(zhì)

中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司于2015年7月、8月開展了港區(qū)附近較大范圍灘面表層沉積物調(diào)查，共采取樣品198個(gè)。沉積物樣品點(diǎn)分布從10 m等深線開始，延伸至外海，15 m等深線基本處于取樣范圍中央位置，其中10～15 m等深線之間約有103個(gè)樣品，15 m等深線之外約有95個(gè)樣品。對(duì)所有樣品均做粒徑組成分析，特點(diǎn)如下：

1）樣品類型

底質(zhì)樣品以黏土質(zhì)粉砂（YT）為主，共計(jì)160個(gè)（占80.80%）；粉砂（T）共計(jì)23個(gè)（占11.62%）；砂質(zhì)粉砂（ST）共計(jì)12個(gè)（占6.06%）；粉砂質(zhì)砂（TS）共計(jì)2個(gè)（占1.01%），砂-粉砂-黏土（STY）共計(jì)1個(gè)（占0.51%）。

2）樣品中值粒徑

樣品中值粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，沉積物樣品粒度較小，D50在0.005 1～0.067 8 mm之間。底質(zhì)樣品分選程度均為“差”。

表2 樣品中值粒徑統(tǒng)計(jì)Table 2Statistics of sample median particle size

3.2 實(shí)測(cè)含沙量

海域水體含沙量是計(jì)算分析泥沙回淤量最重要的參數(shù)之一，它不僅與當(dāng)?shù)貏?dòng)力條件有關(guān)，還與泥沙條件、邊界條件密切相關(guān)。對(duì)潮流觀測(cè)期間兩個(gè)潮次的含沙量觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行整理，表3為實(shí)測(cè)最大含沙量。由表可見，從垂線上看，各垂線含沙量呈現(xiàn)出從表層到底層逐漸增大的趨勢(shì)，從平面上看，L1、L2、L4和L5數(shù)值相對(duì)較高，表明水深越淺含沙量越大；大潮觀測(cè)期間，實(shí)測(cè)最大含沙量為0.243 1 kg/m3，出現(xiàn)在L4垂線的底層；小潮觀測(cè)期間，實(shí)測(cè)最大含沙量為0.212 0 kg/m3，出現(xiàn)在L2垂線的底層。

表3 實(shí)測(cè)最大含沙量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3Statistical results of measured maximum sediment concentration

3.3 泥沙起動(dòng)

海灘泥沙的起動(dòng)水深反映了岸灘演變的界限。一般來說，波浪作用下的泥沙起動(dòng)與波高、波長(zhǎng)、泥沙粒徑以及泥沙顆粒重度有關(guān)[4-5]。劉家駒根據(jù)相關(guān)專題研究試驗(yàn)資料，提出如下形式波浪作用下泥沙起動(dòng)波高計(jì)算公式[6]：

式中：H*是起動(dòng)波高；Ls、ks分別為波長(zhǎng)、波數(shù)；h、D、D0依次分別為水深、泥沙中值粒徑和特定泥沙粒徑D0=0.015 mm；ρs、ρ分別為泥沙密度和水的密度。

據(jù)此結(jié)合前述東營(yíng)港風(fēng)浪資料，應(yīng)用上述公式對(duì)不同波浪、水深條件下泥沙起動(dòng)波高進(jìn)行計(jì)算，周期取全年平均周期T0=5.82 s，繪制出泥沙粒徑D與起動(dòng)波高H*之間的關(guān)系曲線簇，見圖3。圖中曲線簇縱坐標(biāo)最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的泥沙粒徑D約在0.016 cm左右，表明這種粒徑的泥沙最容易起動(dòng)。大于這種粒徑的泥沙，由于質(zhì)量大慣性力大不易起動(dòng)，小于這種粒徑的泥沙，由于顆粒間的黏結(jié)力增強(qiáng)也不易起動(dòng)，這與明渠水流的泥沙起動(dòng)性質(zhì)是一致的。

圖3 周期T0=5.82 s波浪作用下的泥沙起動(dòng)波高計(jì)算曲線Fig.3Calculation curve of sediment incipient motion wave height under wave cyclic T0=5.82 s

為了分析東營(yíng)港附近海灘泥沙運(yùn)動(dòng)特性，根據(jù)上述底質(zhì)采樣資料和泥沙起動(dòng)公式，分別計(jì)算了T0和1.2倍T0狀況下，中值粒徑為D=0.005 cm和D=0.01 cm的泥沙起動(dòng)波高與水深的關(guān)系，見圖4。

圖4 波浪作用下泥沙起動(dòng)波高與水深的關(guān)系Fig.4Relationship between sediment incipient motion wave height and water depth under wave action

由圖4可見，對(duì)于D=0.005 cm和D=0.01 cm這樣的粉砂而言，隨著水深的增加，起動(dòng)波高加大，反之亦然。隨著波長(zhǎng)的增加（周期變大），泥沙的起動(dòng)波高減小。例如在水深10 m處，泥沙的起動(dòng)波高數(shù)值在1～2 m之間，結(jié)合前文東營(yíng)港風(fēng)浪資料可以看出，有效波高大于1.5 m的頻率為10.34%，接近40 d，當(dāng)這些天氣大波浪來臨時(shí)港區(qū)附近海域底床泥沙被掀起，并在較強(qiáng)潮流作用下發(fā)生輸移，一旦在該海域開挖航道可能會(huì)引起航道泥沙回淤。

4 結(jié)語

1）東營(yíng)港附近海域強(qiáng)波向?yàn)镋NE向，次強(qiáng)波向?yàn)镋向。該地區(qū)波浪動(dòng)力主要來源于東北向。

2）東營(yíng)港潮汐類型以正規(guī)全日潮為主，由于靠近渤海灣至萊州灣間的無潮點(diǎn)，本海域潮汐強(qiáng)度弱，潮差小，歷年平均潮差不足0.8 m。該海域潮流特性表現(xiàn)為基本平行于海岸的往復(fù)流，流速較大，實(shí)測(cè)最大垂線平均流速超過了1.20 m/s，出現(xiàn)在擬建港池口門附近，流向與口門相切，與擬建航道垂直，形成較大的橫跨航道水流，可能會(huì)影響船舶的航行。

3）東營(yíng)港附近海域底質(zhì)以黏土質(zhì)粉砂為主，中值粒徑在0.005 1～0.067 8 mm之間，屬于粉砂質(zhì)海岸類型。根據(jù)劉家駒波浪作用下的泥沙起動(dòng)公式計(jì)算，當(dāng)較大波浪發(fā)生時(shí)港區(qū)附近海域底床泥沙被掀起，并在較強(qiáng)潮流作用下發(fā)生輸移，一旦在該海域開挖航道可能會(huì)引起航道泥沙回淤，應(yīng)當(dāng)引起港口規(guī)劃建設(shè)部門的重視。

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Hydrodynamic factors and sediment movement characteristics in Dongying Harbor

LI Dian1,XU Zhen-kun2,XIAO Li-min3,SUN Lin-yun3*
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China; 2.Construction Services Office of Dongying Harbor,Dongying,Shandong 257237,China; 3.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing,Jiangsu 210029,China）

Based on collection and arrangement of wave,tide,current and sediment measured data in Dongying Harbor,we have studied that the wave is dominated by northeast and northwest direction,the tidal type is regular diurnal and featured by reciprocating current parallel to the coast,the sea bed of the sea area is mainly composed of silty clay,which belongs to the sandy coast type.According to the formula of sediment incipient motion under wave created by LIU Jiaju,we calculated the relationship between sediment incipient wave height and the sediment grain size in different water depth near the harbor,which provides a reference for port planning and related research in Dongying Harbor.

Dongying Harbor;hydrology and sediment;hydrodynamic characteristics;sediment incipient motion

U652.3；P731.2

A

2095-7874（2017）06-0007-04

10.7640/zggwjs201706002

2017-02-24

2017-04-01

李典（1992—），男，安徽六安人，碩士研究生，主要從事

港口航道工程水動(dòng)力數(shù)值模擬研究。

*通訊作者：孫林云，E-mail：linyunsun@sina.com