日照豪邁碼頭港池布局對泥沙輸移影響研究?

王春玲， 武雅潔,2??， 董啟濤,3, 陳玉潔

(1.中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學山東省海洋工程重點實驗室，山東 青島 266100；3.青島市水利建設監理有限公司，山東 青島 266071)

豪邁重工臨港廠區運輸碼頭位于山東省日照市日照經濟開發區南部，緊靠日照港南面，工程海域為砂質海岸。豪邁重工臨港廠區運輸碼頭改造工程擬在現有的港池基礎上確定不同防波堤開口方向及航道規劃下港池和航道回淤情況，而泥沙淤積問題一直是影響通航能力和投資建設的關鍵因素[1]，因此建立工程區域潮流泥沙的數學模型是必要的。中國學者對碼頭附近潮流特性和泥沙輸移作了一些研究工作。成積禧等分析研究了日照港水域水動力及港區回淤情況[2]；胡金春等針對石臼灣研究當地泥沙輸移情況，為港池、航道的沖淤計算提供依據[3]。

MIKE21是丹麥水力學研究所研發的二維數學模擬軟件，應用于河口、海灣以及海洋近岸區域的水流及水環境的數值模擬[4]，可為工程應用、海岸及規劃提供完備、有效的設計條件和參數[5]。該軟件已在國內外工程中得到廣泛應用，如：南水北調工程[6]、三峽庫區排污數值模擬[7]、維斯瓦河鹽度分析[8]、法國瓦河地貌變化分析[9]等。MIKE21FM是一個基于三角形不規則網格的數值模擬工具[10]，由于其網格的靈活性，在地形較為復雜的區域具有較好優勢，例如模擬岸線彎曲的情況[11]，也可在研究的重點區域局部網格加密，計算結果可信，后處理功能強大。

本文以豪邁重工臨港廠區運輸碼頭改造工程為背景，建立潮流與波浪耦合作用下的泥沙沖淤數值模型，分析碼頭在不同規劃方案下水動力環境以及泥沙沖淤情況，探索港池布局對周邊海域流場及泥沙輸移的影響情況，為后續開展工程規劃和設計提供科學依據。

1 模型介紹與設置

1.1 控制方程與定解條件

1.1.1 控制方程 本文基于MIKE21/3 Integrated Model建立潮流和波浪耦合作用下的泥沙輸移數值模型，其子模塊在空間上采用有限體積法進行離散計算，在時間上采用顯性歐拉法進行離散計算，控制方程[12]如下：

二維深度平均淺水方程：

(1)

(2)

(3)

泥沙輸移控制方程：

(4)

波作用守恒方程：

(5)

1.1.2 定解條件 初始條件：

(6)

邊界條件：對開邊界，采用預報潮位條件；對水陸邊界，采用法向流速為零條件；對潮灘區，采用干濕邊界處理。

1.2 模型建立與參數設置

1.2.1 計算范圍和網格設置 本文所建立的數值模型計算域范圍如圖1所示，地理位置為119°24′E～119°37′12″E，35°13′48″N～35°24′36″N之間，計算區域東西寬約20.46 km，南北長約19.8 km。為了能較好擬合地形邊界，模型采用非結構三角形網格，同時為了更清楚地了解工程區域所在區域的水動力條件，工程區域進行局部加密，見圖2。工程區域最小網格邊長約為16 m，最大網格邊長約為988 m。

1.2.2 模型開邊界輸入 潮流模型的開邊界條件為MIKE21軟件包自帶的用戶自定義導出的潮位過程，用戶自定義所需的參數包括潮汐的分潮、振幅和遲角，模型考慮4個主要分潮K1,M2,O1,S2，調和常數從NAO.99b tidal prediction system提取，該潮汐模型是日本國立天文臺 Matsumoto 等基于二維非線性淺水方程，采用Blending方法同化日本和韓國沿岸驗潮站和5年的 T/P 衛星測高資料建立的全球以及日本周邊局部海洋潮汐模型，其分辨率為1/12(°)[13]。開邊界潮位由下式輸入計算：

(7)

式中：η為平均海平面；m為分潮總數；Ri為分潮振幅；σi為第i個分潮角速度；θi為第i個分潮相位滯后；θi0為第i個分潮從某年、月、日子夜零時算起的相角。

1.2.3 相關參數的選取 灘地采用干濕邊界控制灘地漲落潮期間的出露和淹沒，分別取值hdry=0.005 m，hflood=0.05 m，hwet=0.1 m。底床糙率通過曼寧系數進行控制，本次曼寧值取M=58m1/3/s。水平渦動粘滯系數采用考慮亞尺度網格效應的Smagorinsky formulation進行計算。波浪采用常浪向SSE向作為涌浪驅動條件。波流共同作用下計算所得輸沙率，是基于泥沙輸移表線性插值的結果[14]。

2 水動力模型驗證

2.1 數據來源

潮流場數值模型采用計算區域2個海流測站的水深、潮流流速和流向的實測資料對模型進行驗證(具體驗潮點位置見圖3)。為了深入研究日照豪邁重工臨港廠區運輸碼頭附近海域的水動力環境，中國海洋大學于2015年9月30日9時—10月1日10時在項目所處海域進行了大潮期多船同步水文觀測，于2015年10月5日8時—6日9時進行小潮期多船同步水文觀測。

圖1 大海域計算范圍及網格設置圖Fig.1 Computational domain and grid of large sea area

圖2 局部海域網格設置圖Fig.2 Computationalgrid of local sea area

圖3 驗潮點站位圖Fig.3 Position of tide station

2.2 水深驗證

由工程區域水深驗證結果可以看出，兩測站大小潮潮期水深模擬值與實測值擬合較好(見圖4、5)。

2.3 流速和流向驗證

由工程區域流速和流向驗證結果可以看出，兩測站大小潮潮期潮流流速、流向模擬值與實測值擬合較好(見圖6～9)。

因此，本文基于MIKE21FM建立的潮流場數值模型計算結果能夠較好地反映豪邁重工臨港廠區運輸碼頭周圍海域潮流水動力過程和運動特征，再現該海域的流場情況。由此可知，本文所建立的數值模型和邊界設置合理，可以作為豪邁重工臨港廠區運輸碼頭不同改造方案下水動力和沖淤環境影響預測及評價的基礎。

3 潮流場數值模擬及分析

根據工程設計方案，建立不同改造方案下工程建成后周邊海域潮流場數值模型，港池不同改造方案如表1、圖10所示，其中在航道處進行局部網格加密。由此得到不同工況下漲落潮潮流場如圖11～13所示。

圖4 大潮期間水深驗證Fig.4 Verification of total water depthduring the spring tide

圖5 小潮期間水深驗證Fig.5 Verification of total water depth during the neap tide

圖6 大潮期間流速驗證Fig.6 Verification of current speed during the spring tide

圖7 大潮期間流向驗證Fig.7 Verification of current direction during the spring tide

從圖11可知港池西南向開口工況下，漲急時刻,受防波堤及港池開口方向的影響，水流結構改變，潮流進入港池后分流，分別形成方向相反的環流；落急時刻，潮流流速略有減小且流速等值線向岸推進，堤頭處流線受到擠壓，可能導致港池口門處沖刷。從圖12可知港池東南向開口工況下，漲急時刻，由于堤頭挑流作用，潮流進入港池后靠岸一側形成逆時針作用，外側則形成了順時針環流，流速較小；落急時刻，潮流形成一個較大的逆時針環流，流速略有減小。從圖13可知為港池西南向開口工況下，漲急時刻，堤頭處流速可達0.35 m/s,在港池口門處形成一個較大的順時針環流；落急時刻，流速等值線向岸推進，流速較小，口門處易受沖刷。

圖8 小潮期間流速驗證Fig.8 Verification of current speed during the neap tide

圖9 小潮期間流向驗證Fig.9 Verification of current direction during the neap tide

不同工況下漲潮時港池內流速普遍介于0.05～0.30 m/s，落潮時港池內流速普遍介于0.04～0.20 m/s, 港池內均有環流形成，近工程區潮流呈現沿堤流特性，由于工程區水深條件好，工程改造后地形變化小，因此不同改造方案的工程建設對潮流場的影響微弱。

表1 港池不同改造方案Table 1 Different reconstruction schemes of harbor

圖10 港池開口示意圖Fig.10 Schematic diagram of the opening of the harbor basin

圖11 方案1工程海域潮流場

圖 12 方案2工程海域潮流場Fig.12 Tidal current fields of Scheme 2 in the engineering area

圖13 方案3工程海域潮流場

4 泥沙沖淤數值模擬及分析

對工程區域沉積物取樣分析發現，該地為砂質海岸。波浪是構成近岸泥沙運動的主要原因[15]，"波浪掀沙，潮流輸沙"是波流耦合作用下的近岸泥沙運動機制，馬福喜等研究表明波流耦合作用懸沙濃度場比無浪情況下增加40%～100%[16]，波浪作用不可忽視。結合水深地形、工程地質、風資料，運用MIKE21/3 Integrated Models中Coupled Models FM模型模擬波流耦合作用下工程海域的沖淤演變。本文考慮潮流與SSE向波浪作用下的沖淤演變，其中水動力部分考慮風速為4.1 m/s的N向風，待波浪穩定后進行泥沙的數值模擬，港池不同開口方向沖淤數值模擬結果如圖14所示。根據數值模擬結果采用Data Manager提取所需范圍數據計算并分析得出結論：

圖14(a)表明港池西南向開口工況下靠岸內部淤積明顯，年最大淤積厚度可達0.95 m，港池中間有較弱淤積，年淤積厚度一般位于0.60 m內；左側防波堤內沖刷明顯，年最大沖刷厚度為0.91 m，港池口門和右側防波堤內側部分處于微沖刷狀態，年沖刷厚度小于0.50 m，航道沖刷較大，年最大沖刷可達0.74 m。圖14(b)表明港池東向開口工況下港池北側淤積明顯，年淤積厚度小于0.50 m，局部淤積年最大淤積厚度達0.93 m；兩側防波堤處主要處于沖刷狀態，年最大沖刷厚度為0.73 m。圖14(c)表明港池南向開口工況下港池內僅東側角落淤積明顯，年最大淤積厚度為0.90 m，年淤積厚度主要位于0.53 m以內；港池兩側防波堤存在局部沖刷，年沖刷厚度主要小于0.55 m，年最大沖刷厚度為0.76 m，航道沖刷程度較小。隨著時間推移，泥沙輸移達到平衡狀態，預計沖淤幅度會越來越小。

圖14 港池沖淤演變圖Fig.14 Evolution of scouring anddeposition of the harbor

港池不同布置方案下泥沙輸移存在差異，模擬過程中,在波流作用下，來流攜帶泥沙，近岸波浪紊動加強，在水動力較弱區域，離岸水流不能完全帶走攜帶而來的泥沙，反之亦然。隨著時間推移，泥沙輸移會達到一個相對的、暫時的平衡狀態[17]。港池內均存在局部沖淤不平衡情況，水流結構的變化即流速的不均勻性以及路徑的特殊性是導致這種情況的主要原因[18]。防波堤口門流線受邊界影響呈密集趨勢，沖刷明顯。

由此可知，港池西南向開口工況下港池內部沖淤程度均較南向和西南向開口大，而港池東南向開口最大沖刷厚度及落淤范圍均較南向開口大，從通航情況分析可知南向開口工況沖刷程度略大于東南向開口。因此，港池南向開口工況略優于其它兩種布置工況。

5 結論

日照豪邁重工臨港廠區運輸碼頭的地理位置、周邊環境和泥沙特性等決定了港池周邊泥沙輸移的復雜性，本文基于MIKE21數值模擬工具建立了平面二維潮流、波浪和泥沙數值模型，并通過實測水深、潮流流速及流向對模型進行了驗證，該數值模型能較好地模擬工程區域的流場情況，并運用其分析不同改造方案下的地形地貌沖淤演變情況。本文得出以下結論：

(1)潮流場遵循漲潮向西、落潮向東的往復流動，不同改造工況對工程區域潮流場影響微弱。潮流進入港池內水流結構改變，形成環流，防波堤堤頭具有挑流作用，口門處流線收縮。

(2)港池開口方向對泥沙輸移有較大影響，防波堤堤頭處流線受邊界影響呈密集趨勢，流速增加，沖刷明顯。潮流進入港池內，伴有輸沙效果，漲潮時將泥沙帶入港池，落潮時流速較小不易將泥沙帶走，易在港池內落淤。波浪進入港池內，但進入港池的波浪并不多，伴有掀沙效果。

(3)波浪和潮流共同作用下的近岸海域泥沙輸移，比純潮流場作用復雜。雖然本文考慮常浪向SSE作用下的泥沙輸移可滿足要求，但由于只考慮波浪單向的作用，為此波流耦合下泥沙輸移模型仍需進一步完善。

綜上所述，由于工程規模較小，港池布局對近工程區域水動力條件影響甚微，對泥沙沖淤有所影響。本文從水動力和泥沙沖淤的角度分析了工程不同方案的影響情況，可為工程的規劃和設計提供了技術依據，滿足海洋工程的應用要求。