基于三維數模對連云港港連云港區回淤強度的研究

程 達，趙張益，龐啟秀，溫春鵬，張瑞波

(1.連云港港口控股集團有限公司，連云港 222042；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456)

圖1 連云港區水深示意圖Fig.1 Sketch of water depth in Lianyungang port

淤泥質海岸環抱式港口的回淤強度與進港水體含沙量、港池開挖水深、港內淺灘水域面積以及工程建設等因素有關[1]。連云港區分為旗臺、廟嶺以及墟溝港區三大主要生產作業區，其中港池和泊位水深-8～-20 m，淺灘水深-2～-8 m，口門附近水深-12 m(詳見圖1)。伴隨著連云港港連云港區工程的建設以及旗臺防波堤的建成，連云港區已成為典型的淤泥質海岸環抱式港口，其布局和規劃與早期有較大不同，港內泥沙環境也發生了較大改變。目前，連云港港區每季度進行一次全港的水深測量工作，從2015～2017年的測圖可知，港區的月均淤強在0.03～0.06 m之間，最大為0.07 m，與早期研究成果“每月淤強10 cm”有較大差異。為了在不增加測量頻次的基礎上合理推算出各個時期，特別是每季度水深測量間隙港區回淤強度，科學、安全地為港口生產服務，本研究將基于三維數模方法對連云港港連云港區回淤強度進行研究。

1 三維數模的建立與驗證

1.1 模型構成

根據連云港海域的自然條件及泥沙運動特點，采用下列數學模型。

1.1.1 三維水動力模型

三維潮流場計算采用FVCOM(Finite Volume Coastal Ocean Model)模型[2]，其控制方程如下

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：x，y和z為笛卡爾坐標系下的東西向、南北向以及垂向的坐標；u，v和w分別為x，y和z軸的速度分量；g為重力加速度；t為時間；ρ為密度；p為壓力；f為科氏力參數；Km為垂向渦粘系數；Fu和Fv為水平動量擴散項；Kh為熱力垂向渦粘系數。

垂向采用σ坐標變換

(5)

式中：ζ為自由表面；H為海床相對于基準面的距離。

水動力方程中的渦粘系數通過求解紊流模型獲得。本研究選用目前三維水動力模式中應用廣泛的Mellor-Yamada 2.5階模式[3]，該模式考慮了紊動動能和混合長度局部變化率，紊流能量的水平和垂直輸送以及紊流能量的垂直擴散。

當有大風或臺風發生時，利用天氣研究與預報模型WRF(Weather Research and Forcasting Model)[4]以及SWAN(Simulating Waves Neashore)模型[5]分別計算對應的風場和波浪場，并為水動力泥沙模型提供相應的動力參數，如風速、風向、波高、波向等。

1.1.2 三維泥沙運動模型

(1)控制方程。

① 控制方程

粘性泥沙運動以懸移質為主，控制方程為懸移質三維對流擴散方程

(6)

式中：AH和Kh分別為水平和垂向擴散系數；C為懸泥濃度；ws為泥沙沉速。

② 邊界條件

自由水面要求含沙量的凈通量為零，即在z=ζ時

(7)

底部邊界條件表示為

(8)

式中：E和D分別為淤積率和沖刷率，其計算方法分別采用Ariathurai和Arulanandan[6]與Krone公式[7]。泥沙參數根據數模驗證情況，沖刷系數取0.000 1～0.000 5；泥沙的臨界沖刷應力在各區域采用不同的值，連云港以北區域0.2 N/m2，連云港以南區域取1.2 N/m2，泥沙沉積的臨界應力取值同臨界沖刷應力。

(2)泥沙沉降速度。

淤泥質河口海岸地區的粘性泥沙沉速受水體紊動、含沙量、溫度、鹽度等多種因素的影響。本研究采用Hwang的沉速公式[8]

(9)

式中：a，b，m，n為經驗系數，分別取為1.05，0.58，2.37，4。上式考慮了含沙量對沉速的影響，且能夠描述粘性泥沙的制約沉降過程。

(3)沖淤模型。

采用以下公式計算沖淤強度

(10)

式中：F為底床泥沙凈通量；γs為泥沙干容重，取629 kg/m3；zb為計算時間T內的沖淤強度。

1.2 模型建立

2-a 大模型 2-b 小模型圖2 二維模型計算網格Fig.2 2D model computing grid

采用三維大、小模型嵌套計算的方法進行計算，大范圍模型主要為小范圍模型提供合理的邊界條件。

大模型(圖2-a)區域囊括整個黃海和渤海，向南至浙江寧波(北緯29.5°)，大模型外海開邊界西起浙江寧波(東經122°)，東至韓國(東經128°)，采用非結構化網格，在工程區附近局部加密，網格空間步長最大為2 000 m，最小為125 m，模型采用曲線開邊界以較好地模擬開邊界與岸線交界處的潮流情況。小模型(圖2-b)范圍北起35°25′N，南至34°26′N，東至120°07′E，同樣采用局部加密的非結構化網格和曲線開邊界，網格空間步長最大為1 500 m，最小為20 m。

圖3 連云港港連云港區2016年11月大潮測站位置示意圖Fig.3 Sketch of station location in Lianyungang port area(2016-11)

1.3 模型驗證

采用2016年11月大潮水文資料(1個潮位測站，6個潮流和含沙量測站，圖3)對正常天氣下模型結果進行驗證，其中圖5～圖7分別給出了潮位、流速、流向和含沙量驗證情況。采用2007年9月“韋帕”臺風期間的風、浪、泥沙回淤資料對臺風天氣下模型結果進行驗證(測站位置如圖4所示)，其中圖8～圖10分別給出-5 m等深線處測站的風速、風向、波高、泥沙回淤驗證情況。限于篇幅，本文中只展示了1個測站的驗證過程，其余測站驗證過程，請參閱文獻[9]。

可見，本次計算結果與實測結果吻合程度良好，工程水域內絕大部分測點驗證結果符合交通運輸部《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》的要求，所建模型比較全面地反映了研究海域的水動力和泥沙運動規律，可進一步分析港區流場及回淤情況。

圖4 連云港港2007年9月測站位置示意圖Fig.4 Sketch of station location in Lianyungang port (2007-09)圖5 2016年11月潮位驗證Fig.5 Tidal level verification(2016-11)

圖6 2016年11月D2站大潮流速流向驗證Fig.6 Current verification of station D2(2016-11)

圖7 2016年11月D2站大潮含沙量驗證Fig.7 Sediment concentration verification of station D2(2016-11)

圖8 韋帕臺風期間連云港測站點的風速風向驗證結果Fig.8 Wind speed and direction validation of Typhoon Wipha in Lianyungang port

圖9 韋帕臺風期間連云港-5 m測站點的波高驗證結果Fig.9 Wave height verification of Typhoon Wipha in Lianyungang port(-5 m)圖10 韋帕臺風期間航道淤強沿程分布驗證Fig.10 Verification of channel siltation intensity of Typhoon Wipha

2 流場分析

從圖11可知，連云港海域的流速分布，總體上由近岸水域向外海側逐漸增大，靠近港區圍堤及防波堤附近的水流受挑流作用，流速相對較大。漲潮流速大于落潮流速。

連云港區流速最大的區域位于港區口門附近，最大流速能達到1 m/s，越向港內，流速越小。連云港區口門附近出現較為明顯的順時針環流，主要發生在漲轉落的時間段。港內除口門附近外，基本呈現往復流特性，流速整體都較小，而且越向港內，流速越小。墟溝、廟嶺港區流速很小，僅靠自然流速，局部泥沙將難以起動，這些區域的淤積主要是漲潮流攜帶的泥沙造成。

11-a 漲急時刻 11-b 落急時刻圖11 特征時刻流場Fig.11 Flow field of characteristic time

3 港區回淤強度

3.1 月度動力條件下計算結果

由于連云港地區水體含沙量季節性變化明顯，其中，夏季風速小，且盛行離岸向的東南風，含沙量低；冬季風速大，以西北向向岸風為主，含沙量高。所以為偏安全考慮，采用2016年11月中旬～12月中旬的潮流及該時段的風況(期間發生了6級風)作為月度動力條件，利用經驗證的數學模型，計算連云港區月淤積分布情況。港區回淤分布如圖12。從圖可知，港區淤積分布呈現口門附近較大，港池內部逐漸減小的分布趨勢，而且航道淤厚普遍大于周邊灘地。從淤積量值來看，墟溝港區淤厚在0.02～0.03 m之間；廟嶺港區淤厚在0.03～0.04 m之間；旗臺港區航道淤厚在0.05～0.08 m之間，港池淤厚在0.03～0.06 m之間。

3.2 臺風條件下計算結果

為了合理確定極端天氣條件下的港區回淤強度，利用經驗證的數學模型，采用“韋帕”臺風及有代表性潮動力(為了合理反映臺風發展過程，計算時間為96 h)[10]，計算連云港區在臺風條件下的淤積分布情況。港區回淤分布如圖13。從圖表可知，在臺風作用下，港區淤積分布呈現口門附近較大，港池內部逐漸減小的分布趨勢，而且航道淤厚普遍大于周邊灘地，從淤積量值來看，在“韋帕”臺風作用下，墟溝港區淤厚在0.03～0.05 m之間；廟嶺港區淤厚在0.05～0.06 m之間；旗臺港區航道淤厚在0.10～0.20 m之間，港池淤厚在0.05～0.11 m之間。需要指出，“韋帕”臺風[11]雖然最大風力只有8級，但由于作用時間較長，導致港區的淤積厚度也較大。

圖12 港區月度淤積分布圖 Fig.12 Monthly siltation distribution 圖13 港區韋帕臺風后淤積分布圖Fig.13 Siltation distribution after Typhoon Wipha

4 淤積原因分析

連云港區為環抱式港區，在潮汐作用下，口門外含沙水體隨漲潮水流進入港內，由于流速從口門向港內逐漸較小，加上口門環流，進入港區的含沙水體中粒徑較粗的泥沙將有大部分先落淤下來，較細顆粒的泥沙也逐漸落淤；落潮期間，由于落潮流速小于漲潮流速，港內水體中未落淤的泥沙仍沿程落淤。因此，漲落潮過程中引起的懸沙落淤是港內淤積的主要形態。在上述動力條件下，淤強沿港內縱斷面呈現出口門附近的淤積厚度最大，口門以內淤積厚度向港內逐漸減小的分布趨勢。

而在大風浪作用下，口門外大范圍泥沙發生懸浮，同時由于泥沙較細，被掀起的泥沙在潮流作用下被輸向外海或向近岸輸移，其中向近岸輸移的部分泥沙進入港區造成港區淤積。而且當波浪強度較小時，港區淤積較小；當波浪強度較大時，港區淤積增大，與實測資料吻合。

綜上所述，港區的泥沙主要來源于近岸淺灘泥沙，造成港區泥沙淤積的主要動力因素是波浪和潮流的共同作用。

5 結論

(1)港區的泥沙主要來源于近岸淺灘泥沙，在風浪潮流共同作用下泥沙懸揚、搬移，懸沙沿程逐漸落淤，造成港池航道淤積，因此，港內的淤積呈現口門處最大、口門內淤積厚度逐漸減小的分布趨勢。

(2)通過數學模型計算，確定了旗臺、廟嶺及墟溝港區的月淤積強度分別為0.08 m、0.06 m以及0.04 m；另外，大風或臺風天氣情況下，港區的淤積會加重，可參照前文計算結果對各港區回淤強度進行修訂。