天津港大沽口港區三維潮流數值模擬

肖立敏，孫林云，孫 波，韓 信，劉建軍

(1. 南京水利科學研究院河流海岸研究所，江蘇 南京 210029；2. 河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；3. 港口航道泥沙工程交通行業重點實驗室，江蘇 南京 210024)

天津港大沽口港區位于渤海灣西北側的海河口南側，見圖1。港區現已建成10萬噸級大沽沙航道，底寬375 m、底高程-14.5 m(當地理論基面)。口門防波堤東、北堤分別建至C、G點，形成喇叭狀，口門位于航道里程16+000附近，寬度1 360 m。現狀布置條件下，港內波浪掩護效果較差。為改善泊穩條件，結合港區規劃，擬延伸口門東、北防波堤。延伸段防波堤走向與航道平行，東防波堤延伸1 500 m至D點，為出水堤，堤頂高程5.0 m；北防波堤延伸2 350 m至I點，其中1 500 m為出水堤(GH段)，850 m為潛堤(HI段，堤頂高程為2.5 m)。延伸方案見圖2。

圖1 港區平面布置及大潮分層流速矢量圖

圖2 港區平面布置方案

水流條件是港區口門防波堤建設需要重點考慮的問題之一。一些學者針對渤海灣內的潮流特性開展了研究，如張越美等[1]基于河口、陸架和海洋模型(ECOM)建立了渤海灣三維變動邊界潮流模型；孫長青等[2]、陳昌波等[3]分別模擬了渤海灣二維和三維潮流分布；吳相忠等[4]模擬了黃驊港三維潮流流場；肖立敏等[5]建立平面二維潮流數學模型，研究了天津港大港港區口門潮流特性。以往研究主要針對渤海灣大范圍潮波系統或港口工程的二維水流特性。鑒于潛堤等復雜建筑物，為了更好地模擬，建立三維潮流數學模型，分析大沽口港區防波堤延伸布置下的潮流分布，從水流條件角度，為口門布置提供依據。

1 潮汐潮流概況

工程海域潮汐類型屬不規則半日潮，日潮不等現象明顯，漲潮歷時約為5.5 h，落潮歷時約為7 h。歷年平均高、低潮位為3.77和1.34 m，平均潮差2.43 m。

2013年10月在工程區附近共布置了5條垂線(V1～V5)。大潮分層流速矢量圖見圖1，口門附近V5點的分層流速流向過程對比見圖3。從流速平面分布來看，港區附近海域，潮流以往復流運動為主。港區所在海域為潮流分流點，漲潮時，部分水流向北側的天津港方向偏轉，部分水流向南偏轉。落潮時，則反之。從流速大小來看，V2～V5水深均在5.5 m左右，漲潮最大流速在0.57～0.66 ms，落潮最大流速為0.49～0.60 ms。港區內的V1處水深在18 m左右，流速相對較小，漲落潮最大流速為0.27 ms。從流速垂線分布來看，表層流速要略大于0.6h水深處流速，底層流速明顯較小。以V1點為例，表層、0.6h水深和底層最大流速分別為0.27、0.23和0.14 ms。從流向上看，各層分布較為一致，V1處上述3層漲急時刻流向分別為297°、298°和282°。

圖3 實測大潮V5處分層流速和流向過程對比

2 三維潮流數學模型建立及驗證

2.1 控制方程

數學模型采用正交曲線坐標(ξ，η)，在垂直方向上采用σ坐標。連續方程為[6-7]：

(1)

ξ和η方向的動量方程為：

(2)

(3)

2.2 模型建立與驗證

模型范圍涵蓋整個渤海灣。模型網格步長約800 m，在工程區附近加密至100 m，局部區域加密至20 m，見圖4。沿水深方向分為12層，其中最上面兩層和最下面兩層占水深的比例均為5%，其余8層占水深的比例均為10%[8]。采用2013年10月現場大潮全潮水文測驗資料，對模型進行驗證。測驗內容包括2個臨時潮位站的潮位以及5條垂線的分層流速、流向。

圖4 模型網格

模擬的渤海灣海域大潮漲急垂線平均流場見圖5。大沽口港區附近海域漲、落急時刻表層和底層流速的分布對比見圖6。從平面分布來看，漲潮期間，外海水流基本沿著垂直于岸線方向朝近岸運動，水流進入港區，受已建東、北防波堤影響，在口門附近流速較大，且主流基本沿著平行于北防波堤出水堤方向運動，并形成逆時針回流區域。落潮流態與漲潮流態大致相反，口門附近水流與航道夾角較大。從分層流速分布來看，底部流速明顯要小于表層流速。兩層流速的流向基本一致。流速平面分布以及垂線分層分布及其變化趨勢與實測結果較為一致。

圖5 模擬的渤海灣垂線平均漲急流場分布

圖6 現狀方案口門附近漲落急分層流速分布

實測大潮時段計算的潮位過程與實測值的對比見圖7，計算的潮位與實測吻合較好，高、低潮潮位、相位均比較吻合。V5處表層、0.6h水深以及底層的流速、流向計算值與實測值的對比見圖8，計算值與實測值均吻合較好。上述驗證結果表明，建立的三維模型能較好地模擬工程區海域潮汐潮流動力特性。

圖7 潮位過程驗證曲線

圖8 V5處分層流速和流向過程驗證曲線

3 計算結果分析

3.1 水流流態

東、北防波堤延伸方案大沽口港區附近海域漲、落急時刻0.6h水深處流場分布見圖9。可以看出，漲潮期間，由于受到平行于航道的東、北防波堤延伸段的作用，在該束窄段流速相對較大，流向基本上與航道平行，水流進入港區后流速逐漸減小，且口門區回流基本消失。落潮時，水流流態較為平順，與航道夾角較現狀方案明顯減小。東、北防波堤延伸段形成后，港區口門附近水流流態有明顯改善，有利于船舶航行。

圖9 東、北防波堤延伸方案漲落急垂線平均流速分布

3.2 水流流速

漲、落潮期間，東、北防波堤延伸方案沿航道中心軸線表層、0.6h水深和底層的最大流速沿程分布見圖10。0.6h水深沿程流速分布較表層略小，底層流速明顯要小。漲潮期間，上述3層最大流速依次為0.64、0.60和0.44 ms，出現在航道里程16+500處，即延伸段起點附近；落潮期間，最大流速依次為0.53、0.51和0.37 ms，出現在航道里程17+000處，即東堤、北堤延伸段出水堤堤頭附近。各層漲潮流速均強于落潮流速。

注：+為漲潮，-為落潮。

統計分析東北防波堤延伸方案實施前后表層和0.6h水深處最大橫流沿程分布，見圖11。相同口門布置條件下，表層和0.6h水深處橫流沿程分布基本相同，主要是在航道里程15+000～18+000處，前者略大于后者。現狀條件下，漲、落潮期間，由于口門內水流較強，且與航道夾角較大，橫流也相對較大，0.6h水深處最大橫流速度分別為0.33和0.23ms，分別位于航道里程14+000和13+000附近。東、北防波堤延伸段工程實施后，橫流較現狀方案明顯減小，0.6h水深處漲、落潮最大橫流流速分別為0.15和0.12 ms左右，出現位置均在航道里程14+000處。計算結果表明，防波堤延伸方案實施后，航道口門附近水流更為平順，橫流進一步減小。

注：+為漲潮，-為落潮。

4 結論

1)實測和潮流數學模型結果均表明，天津港大沽口港區附近表層與0.6h水深處流速大小較為接近，底層流速明顯較小。上述3層流向基本一致。

2)大沽口港區現有口門防波堤呈喇叭狀，漲潮期間，口門附近流速較大，且口門區有回流；落潮時水流與航道夾角較大。口門航道處橫流相對較大。

3)大沽口港區口門東、北防波堤延伸工程實施后，口門航道附近水流流態明顯改善，橫流流速也進一步減小，有利于船舶通行。

4)從水流條件考慮，大沽口港區東、北防波堤延伸走向與航道平行，并分別延伸1 500和2 350 m，是較為適宜的。口門延伸布置方案綜合考慮波浪泊穩和泥沙淤積予以確定。