鹽城濱海港遠(yuǎn)期規(guī)劃對(duì)周邊水沙影響的數(shù)值模擬研究

朱思諭，盧 丹

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

濱海港區(qū)(圖1)位于江蘇省鹽城市廢黃河三角洲侵蝕性海岸最凸出岸段[1]，北有中山河口和灌河口，南有廢黃河口和扁擔(dān)河口，近岸波流動(dòng)力較強(qiáng)，泥沙運(yùn)動(dòng)較為活躍，深水貼岸、水下地形復(fù)雜。2014年10月濱海港10萬(wàn)t級(jí)通用碼頭開(kāi)港通航，根據(jù)《江蘇省濱海港區(qū)總體發(fā)展規(guī)劃(2016—2030)》，濱海港區(qū)遠(yuǎn)期30萬(wàn)t級(jí)港口工程基于現(xiàn)有港區(qū)北防波堤西北側(cè)海域進(jìn)行布置，而大規(guī)模建港對(duì)周邊進(jìn)港航道和重要河口的水沙動(dòng)力格局的影響程度尚不可知，工程實(shí)施后有可能出現(xiàn)海床侵蝕、航道淤積等問(wèn)題。

圖1 濱海港區(qū)地理位置

因此，本文在研究工程海域潮流動(dòng)力及泥沙現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了平面二維波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，深入研究了遠(yuǎn)期方案建設(shè)對(duì)潮流場(chǎng)、泥沙場(chǎng)的影響，剖析了正常天氣和大浪天氣下航道的回淤特征和淤積原因，該研究成果可為濱海港建設(shè)決策提供參考性建議。

1 工程區(qū)海域動(dòng)力泥沙環(huán)境特征

濱海海域多以風(fēng)浪為主，外無(wú)掩護(hù)，波浪長(zhǎng)驅(qū)直入，近岸淺灘波浪作用較強(qiáng)，近海區(qū)強(qiáng)浪向?yàn)镹E向，最大波高H1/10為2.3 m，多年平均波高H1/10為0.61 m，次強(qiáng)浪向?yàn)镋NE、E向；常浪向?yàn)镋NE向，最大波高H1/10為2.0 m，多年平均波高H1/10為0.52 m，出現(xiàn)頻率為27.01%；次常浪向?yàn)镋、NE向，出現(xiàn)頻率分別為18.52%、16.55%。

濱海海域漲潮流以東南流為主，落潮流以西北流為主，近岸潮流受岸邊界和水下地形的影響，流向與岸線(xiàn)方向基本一致，呈明顯的往復(fù)流形態(tài)。工程前2007年6月水文測(cè)驗(yàn)(測(cè)站位置見(jiàn)圖2)結(jié)果見(jiàn)表1：離岸較近點(diǎn)的垂線(xiàn)平均流速小于離岸較遠(yuǎn)點(diǎn)；各測(cè)點(diǎn)均以落潮流為優(yōu)勢(shì)流，大潮落潮平均流速略大于漲潮，小潮落潮平均流速明顯大于漲潮；落潮歷時(shí)比漲潮歷時(shí)長(zhǎng)2～3 h。

圖2 濱海港區(qū)附近水深圖及測(cè)站位置

表1 工程前水文測(cè)點(diǎn)垂線(xiàn)平均流速 單位：m/s

濱海海域無(wú)外來(lái)泥沙，泥沙主要來(lái)源為近岸沖刷，泥沙向廢黃河三角洲海岸兩側(cè)及深水區(qū)擴(kuò)散。根據(jù)2007年6月實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，各測(cè)點(diǎn)大潮垂線(xiàn)平均含沙量為1.24～1.42 kg/m3，小潮為0.73～1.20 kg/m3，表2中分別列出了工程前-5、-10 m等深線(xiàn)附近點(diǎn)位大、小潮期間的平均含沙量，垂向分布具有表層最低、中至底層較高的特點(diǎn)，落潮平均含沙量大于漲潮平均含沙量。

表2 工程前水文測(cè)點(diǎn)平均含沙量 單位：kg/m3

濱海地處江蘇侵蝕性淤泥質(zhì)海岸[1-2]，懸沙以0.016 mm以下的黏土組分為主，占懸沙總量的85%以上；底質(zhì)沉積物粒徑分布具有一定的分帶性[3]：-5 m等深線(xiàn)以?xún)?nèi)波浪作用較強(qiáng)，表層沉積物以局部侵蝕殘留粗化的細(xì)砂分布為主，中值粒徑為0.10～0.16 mm；-5～-15 m間水域以粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂和粉砂為主，中值粒徑為0.01～0.10 mm；-15 m以深水域以黏土質(zhì)粉砂為主，中值粒徑在0.01 mm內(nèi)。

圖2是根據(jù)中國(guó)海事局2016年3月出版的《濱海港及附近》(系2015年測(cè)量)海圖資料插值得到濱海港區(qū)附近水深圖。圖中-5、-10、-15 m等深線(xiàn)至海岸最近處距離分別約為0.9、1.9、3.8 km，與文獻(xiàn)[4]結(jié)果一致，這為濱海深水港區(qū)建設(shè)提供了良好的深水近岸條件。

2 波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

江蘇濱海海域平面二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型控制方程和離散方法見(jiàn)文獻(xiàn)[5]，計(jì)算范圍東西長(zhǎng)約90 km，南北寬約60 km，北至灌河河口，南至射陽(yáng)河口，外海東邊界在-20 m水深附近，外海開(kāi)邊界潮位由江蘇沿海平面二維潮流數(shù)學(xué)模型[6]提供。模型采用正交曲線(xiàn)網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為40～500 m，在工程區(qū)附近進(jìn)行局部加密，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.5 min。參考前人研究成果[7-10]，潮流泥沙模型中的主要參數(shù)取值如下：曼寧系數(shù)取0.018；為保證模型中懸沙始終處于沉降狀態(tài)，有充分的泥沙供給，泥沙的臨界淤積切應(yīng)力取理想值1 000 N/m2；臨界沖刷切應(yīng)力取0.2～0.3 N/m2，沖刷系數(shù)取4～5×10-5kg/(m2·s)。外海-20 m水深處含沙量不足0.1 kg/m3，因此模型中東邊界初始含沙量設(shè)為0，南、北側(cè)邊界含沙量從陸側(cè)1 kg/m3向外海東邊界作線(xiàn)性插值。

波浪模型采用第三代SWAN淺水波浪數(shù)值模型[11-12]，計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格劃分與潮流泥沙模型一致，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為60 min。頻譜離散方式采用頻率對(duì)數(shù)分布法；方向譜采用360°離散法，離散方向數(shù)為36。譜型采用JONSWAP譜，底部摩阻系數(shù)經(jīng)實(shí)測(cè)波浪資料驗(yàn)證調(diào)試后取0.01，波浪淺水破碎指標(biāo)取默認(rèn)值0.73，同時(shí)考慮波浪非線(xiàn)性的影響以及波浪折射、繞射和反射情況。本文考慮常浪向多年平均波高與潮流的共同造床作用，東邊界采用恒定波浪參數(shù)邊界，利用外海波要素作為波浪邊界條件，南、北邊界設(shè)置為自由出入邊界。

限于篇幅，本文僅給出了部分驗(yàn)證結(jié)果(圖3、4)。由圖3可以看出，工程區(qū)域流速、流向過(guò)程的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值驗(yàn)證較好，基本能反映出江蘇濱海海域的潮波傳播與變形。

圖3 工程區(qū)域大、小潮期間流速、流向驗(yàn)證

圖4為波流共同作用下大、小潮期間含沙量的驗(yàn)證結(jié)果，含沙量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本一致，但含沙量與流速之間的關(guān)系不明顯，可能是因?yàn)轱L(fēng)浪導(dǎo)致泥沙再懸浮、含沙量較高減弱了含沙量與流速間的相關(guān)性。含沙量變化主要受到波高控制，當(dāng)波高增大，波浪掀沙能力較強(qiáng)，含沙量隨之增大；當(dāng)波高減小，含沙量隨之變低，但沒(méi)有波高減小的明顯，因?yàn)閼疑车某练e還會(huì)受到懸沙粒徑、沉降相對(duì)滯后等因素的制約。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 工程方案布置

圖5所示，濱海港區(qū)工程前平面方案布置主要包括：已建的南北2條防波堤、原10萬(wàn)t級(jí)進(jìn)港航道和北部物流園工程。圍填工程方案布置即為圖5中位于物流園西北側(cè)的遠(yuǎn)景預(yù)留區(qū)，主要包括：液體化工及成品油泊位區(qū)、集裝箱泊位作業(yè)區(qū)、遠(yuǎn)期規(guī)劃防波堤和遠(yuǎn)期30萬(wàn)t級(jí)航道工程等。

圖5 圍填工程方案布置

3.2 對(duì)周邊水沙動(dòng)力影響分析

為了更直觀、方便地研究圍填工程建設(shè)對(duì)周邊流場(chǎng)的影響，本文給出了濱海港區(qū)工程實(shí)施前、后大潮漲急時(shí)刻的流場(chǎng)(圖6、7)。

圖6 工程前大潮流場(chǎng)(漲急時(shí)刻)

濱海港附近海域受北部潮波控制，近岸以往復(fù)流為主，隨離岸距離增加，旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)逐漸增強(qiáng)，但有明顯的主流向。大潮漲潮時(shí)，潮流由西北向東南推進(jìn)；落潮時(shí)，基本沿漲潮的相反方向退出。圍填工程建設(shè)對(duì)北防波堤外側(cè)的西北流和東南流均存在阻水、挑流的影響，對(duì)原濱海港10萬(wàn)t級(jí)航道及口門(mén)、南防波堤南側(cè)的流態(tài)影響較小，不改變工程海域整體宏觀流態(tài)。

圖7 工程后大潮流場(chǎng)(漲急時(shí)刻)

為了量化研究工程前后的流速、含沙量變化，繪制了全潮平均流速、含沙量變化等值線(xiàn)(圖8、9)，計(jì)算結(jié)果顯示：圍填區(qū)西北和東南側(cè)4 km左右范圍內(nèi)的平均流速減小在0.1～0.4 m/s左右，圍填區(qū)前沿2 km范圍內(nèi)平均流速增大0.1～0.2 m/s左右，對(duì)原防波堤南側(cè)、原10萬(wàn)t級(jí)航道及口門(mén)、翻身河閘、廢黃河口、扁擔(dān)河口和中山河口的水動(dòng)力基本沒(méi)有影響。圍填工程攔截了由西北向東南的高濃度含沙水體的泥沙輸運(yùn)，同時(shí)，圍填工程實(shí)施后當(dāng)?shù)厣吃垂┙o減少，導(dǎo)致整個(gè)濱海港區(qū)附近的含沙量明顯減少：濱海港區(qū)周邊2～3 km范圍內(nèi)，含沙量減少0.2 kg/m3以上；原北防波堤北側(cè)含沙量減少0.2～0.3 kg/m3，南堤南側(cè)、翻身河閘、廢黃河口的含沙量減少0.1～0.2 kg/m3；離圍填區(qū)域較遠(yuǎn)的外海區(qū)域含沙量基本無(wú)變化，對(duì)扁擔(dān)河口、中山河口的含沙量也基本無(wú)影響。

圖8 工程實(shí)施后全潮平均流速變化等值線(xiàn)

圖9 工程實(shí)施后全潮平均含沙量變化等值線(xiàn)

3.3 航道建設(shè)后的淤積泥沙來(lái)源及淤積原因分析

模型根據(jù)2007年6月完整的一個(gè)月大、中、小潮的數(shù)值計(jì)算，利用地貌加速技術(shù)，模擬了正常天氣工況下濱海港區(qū)工程后1年的床面沖淤變化(圖10，正值代表淤積，負(fù)值代表沖刷)。

圖10 工程后模擬地形沖淤變化

模擬結(jié)果顯示：原防波堤口門(mén)處年淤積厚度約1.1 m，港內(nèi)航道的近口門(mén)段淤積強(qiáng)度較大，與前人研究成果一致[4，10]，可用于分析工程實(shí)施后的地形變化。30萬(wàn)t級(jí)圍填工程前沿、防波堤堤頭外側(cè)、進(jìn)港航道兩側(cè)的海床均受到不同程度的沖刷，口門(mén)外航道北側(cè)形成明顯的沖刷坑。

圖11為工程實(shí)施后正常天氣下新建30萬(wàn)t級(jí)進(jìn)港航道沿程的年淤積強(qiáng)度、平均含沙量。濱海港30萬(wàn)t級(jí)航道正常天氣下沿程回淤分布規(guī)律分析如下。

圖11 正常天氣下航道沿程淤積厚度、平均含沙量

a)從圖11可知，航道沿程含沙量變化趨勢(shì)與航道淤積厚度變化基本一致，航道內(nèi)含沙量是影響回淤?gòu)?qiáng)度的控制因素。正常天氣下外海含沙量0.2～0.3 kg/m3，口門(mén)外尤其破波帶附近含沙量顯著增加，基本0.8 kg/m3以上，口門(mén)內(nèi)含沙量沿程迅速降低。

b)口門(mén)內(nèi)航道沿程淤積厚度迅速降低，港池內(nèi)部年淤積厚度小于0.1 m。外海泥沙進(jìn)入口門(mén)后，港池內(nèi)水流流速較小，水流挾沙能力大大降低，泥沙沿程迅速落淤在口門(mén)內(nèi)2 km范圍，港池內(nèi)部含沙量較低。因此，漲落潮流挾帶泥沙、沿程快速落淤是口門(mén)內(nèi)進(jìn)港航道淤積的主要原因。

c)靠近口門(mén)處外航道段淤積厚度較大。新建防波堤口門(mén)處原灘面水深7 m，波浪自外海向陸傳播過(guò)程中，由于外海水深，波浪在靠近口門(mén)外的航道兩側(cè)淺灘上才開(kāi)始破碎，波浪對(duì)灘面泥沙的擾動(dòng)陡然增強(qiáng)，位于破波帶附近航道兩側(cè)的淺灘進(jìn)一步受到?jīng)_刷，口門(mén)外高濃度的含沙水體隨漲、落潮流進(jìn)入航道內(nèi)?？陂T(mén)外淺灘水深小、新挖航道灘槽高差較大以及漲、落急時(shí)刻航道處的流向與航道軸線(xiàn)基本垂直等，都會(huì)導(dǎo)致含沙水體跨越航道時(shí)淤積概率較高[13]，口門(mén)外形成一個(gè)以含沙量峰值為中心、直徑約2～3 km的泥沙淤積體，最大淤?gòu)?qiáng)0.008 m/d。

d)向外海航道沿程淤積厚度逐漸降低，年淤積厚度約0.1 m。主要因?yàn)橄蛲夂：沉恐饾u變小，也與水深較深造成波浪對(duì)海床作用較弱、新挖航道挖深比降低、漲落潮平均流速相對(duì)較大等因素有關(guān)。

鄰近工程實(shí)踐[8]及模型計(jì)算結(jié)果表明：隨著淤積過(guò)程的深入和地形向適應(yīng)工程后動(dòng)力環(huán)境方向的調(diào)整，航道工程實(shí)施2～3年后淤積速率顯著降低，即可達(dá)到?jīng)_淤平衡。

3.4 大浪作用下30萬(wàn)t級(jí)航道驟淤研究

大風(fēng)浪作用下航道驟淤是遠(yuǎn)期深水航道建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。中國(guó)港口工程界認(rèn)為底質(zhì)泥沙粒徑分布較廣的粉沙質(zhì)海岸易發(fā)生驟淤[14-15]，淤泥質(zhì)海岸泥沙粒徑分布相對(duì)單一，較少出現(xiàn)驟淤。濱海港地處江蘇侵蝕性淤泥質(zhì)海岸[1-2]，底質(zhì)沉積物粒徑分布具有一定的分帶性。20世紀(jì)70年代采用護(hù)岸工程后，廢黃河三角洲海岸侵蝕速度明顯趨緩，但是淺灘和水下岸坡的侵蝕仍在繼續(xù)。由此導(dǎo)致的海岸組成物質(zhì)粗化、岸灘坡度陡化等現(xiàn)象反映了海岸性質(zhì)存在由淤泥質(zhì)海岸向沙質(zhì)海岸變異的趨勢(shì)[2]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，10萬(wàn)t級(jí)航道自2014年10月通航后未出現(xiàn)驟淤問(wèn)題。

本文在研究濱海港區(qū)新建30萬(wàn)t級(jí)航道在大浪作用下驟淤情況時(shí)，不計(jì)風(fēng)力作用，利用文獻(xiàn)[4]推算的-外海20 m等深線(xiàn)處不同重現(xiàn)期波要素作為大浪天氣工況的波浪邊界條件，該工況的潮流和泥沙條件與前述正常天氣工況相同。

圖11給出了正常天氣下30萬(wàn)t級(jí)進(jìn)港航道平均每日最大淤?gòu)?qiáng)為0.008 m/d，圖12給出了不同重現(xiàn)期大浪作用后30萬(wàn)t級(jí)進(jìn)港航道沿程的淤積厚度、最大淤積強(qiáng)度(口門(mén)位于6 km處)。由圖12可知，在重現(xiàn)期為2、5 a的波浪作用下，最大淤積強(qiáng)度約為正常天的2～4倍，而在10、25和50年一遇的大浪作用下，最大淤?gòu)?qiáng)能達(dá)到正常天的8～24倍，但也小于0.2 m/d，因此不會(huì)產(chǎn)生驟淤礙航問(wèn)題。最大淤積厚度均出現(xiàn)在口門(mén)外側(cè)2 km附近，不同重現(xiàn)期下的波浪越大，口門(mén)束窄導(dǎo)致口門(mén)外流速增大越明顯，水體的挾沙能力大大加強(qiáng)，降低了泥沙的淤積概率，因此自最大淤積部位向口門(mén)處的淤積厚度減少越快；港內(nèi)航道平均淤積強(qiáng)度均小于0.01 m/d。自最大淤積部位向外海航道的淤積厚度也逐漸降低，由于外海航道水深較深，波浪切應(yīng)力小，大浪作用對(duì)航道底部的擾動(dòng)作用有限；而大浪作用下潮流切應(yīng)力強(qiáng)，航道底層的流速大大增加[16]，導(dǎo)致底床的細(xì)顆粒泥沙大量起動(dòng)，高含沙水體隨著漲、落潮流進(jìn)入外海航道內(nèi)，在航道內(nèi)大量堆積，外海航道比正常天氣下淤積明顯。

圖12 不同重現(xiàn)期大浪天氣后航道沿程淤積厚度

4 結(jié)語(yǔ)

a)圍填工程實(shí)施后不會(huì)大范圍改變?yōu)I海海域的水沙動(dòng)力特征，工程影響僅限于圍填區(qū)附近3～4 km范圍，對(duì)扁擔(dān)河口和中山河口的水動(dòng)力、含沙量基本沒(méi)有影響。

b)位于破波帶附近航道兩側(cè)淺灘上的泥沙是口門(mén)外航道淤積的重要沙源。航道開(kāi)挖后，正常天氣下沿程普遍淤積，在口門(mén)外航道段形成一個(gè)以含沙量峰值為中心的泥沙淤積體，自最大淤積部位向口門(mén)內(nèi)、向外海航道淤積厚度逐漸降低。

c)大浪作用下外海含沙量明顯增加，最大淤?gòu)?qiáng)能達(dá)到正常天的8～24倍，但也小于0.2 m/d；最大淤厚均出現(xiàn)在口門(mén)外側(cè)2 km附近，港內(nèi)航道平均淤?gòu)?qiáng)均小于0.01 m/d。