大豐港深水航道潮流泥沙數值模擬

徐藝哲，諸裕良，黃惠明，譚易成

(河海大學港口海岸及近海工程學院，南京 210098)

大豐港是江蘇沿海三大深水海港之一，位于江蘇1 040 km海岸線的中部，區位優勢十分顯著。大豐港深水航道建設主要依托蘇北輻射沙洲北緣的潮汐通道西洋深槽，深水航道地處粉砂淤泥質海岸[1]，航道周圍淺灘眾多，泥沙易在波浪作用下掀揚，在潮流作用下輸運航道，使得航道產生淤積。而國內外建立在粉砂淤泥質海岸上的航道較少，對此開展的研究不多，可用作參考的經驗與理論依據相對較少，因此研究大豐港深水航道潮流泥沙運動特性顯得十分必要。

近年來，諸多學者對航道潮流泥沙運動規律及回淤問題開展了大量的研究，并取得了相應的進展與成果。目前研究航道泥沙回淤問題主要有以下四種方法。

(1)現場資料分析。嚴冰等[2]結合多次現場實測資料，分析討論盤錦港深水航道的水沙特征；徐嘯等[3]分析京唐港自然條件，探究航道泥沙回淤特點。

(2)經驗公式估算。劉家駒[4]在考慮粉沙淤泥質泥沙與淤泥質泥沙的不同運動特性的情況下，將淤泥質海岸航道淤積計算方法成功應用到粉沙淤泥質海岸中去；祁偉等[5]提出適用于淤泥質海岸泥沙淤積計算公式，研究電廠港池和航道的泥沙淤積規律。

(3)物理模型試驗。孫林云等[6]建立了波浪潮流共同作用下泥沙物理模型，模擬了京唐港航道在風暴潮作用下形成驟淤過程。

(4)數學模型計算。戈國慶等[7]建立大清河航道二維水沙模型，分析航道整治后水流泥沙沖淤情況；方擁軍等[8]建立珠江口大范圍二維水沙數學模型，計算龍穴南水道內淤積強度；路川藤等[9]建立了波流共同作用下的長江口三維潮流泥沙數學模型，研究北槽航道在臺風期間驟淤問題；李文丹等[10]建立考慮波浪作用的潮流泥沙數學模型，研究分析溫州港深水航道潮流泥沙運動規律，預測航道內泥沙年回淤量及驟淤可能性分析。相比于現場資料觀測難度大、經驗公式精度低、物理模型投入高，數學模型計算的便捷、精準、投入小等特點十分顯著。現將根據現場實測資料，建立考慮波浪作用的潮流泥沙數學模型，研究大豐港深水航道工程實施后潮流泥沙運動規律，分析流場特征及預測航道在大風條件下航道發生驟淤的可能性，為大豐港深水港區后期維護與發展提供可靠依據，也為相類似的粉砂淤泥質海岸深水航道建設研究提供參考。

1 研究區域概況

1.1 大豐港深水航道簡介

大豐深水航道工程位于蘇北輻射沙洲北緣的西洋西槽內，主要分為內航段、外航段及轉彎段三段，如圖1所示，其中航道里程0～26 km為內航段，寬210 m，0～9.9 km段為自然水深段，水深為14.5～20.9 m，9.9～26 km為航道疏浚段，設計疏浚深度為14.5 m；航道里程26～27 km為轉彎段，設計疏浚深度為15 m；航道里程27～46 km為外航段，寬220 m，設計疏浚深度為15 m。

圖1 大豐港深水航道工程示意圖

1.2 氣象條件

根據氣象資料統計，大豐地區常風向為SE向，頻率為13%，次常風向為N、E及NE向，頻率為8%。強風向出現在N向，最大風速可達24.3 m/s，次強風向為W向，最大風速達20.7 m/s，NNE方向為平均風速最大方向。

1.3 水文條件

根據實測水文數據資料分析，大豐港潮汐類型為正規半日潮，海域最大潮差為5.25 m，平均潮差為3.56 m，漲潮稍微占優，漲潮歷時短于漲潮歷時，平均漲潮歷時為5.8 h，平均落潮歷時為6.3 h。

大豐港海域為強海流區，潮流是該海域的主要動力因素，大潮漲、落潮平均流速為1.0、0.7 m/s，大潮漲、落急流速為1.5、1.1 m/s。由于受到小陰沙和瓢兒沙的屏障，港區及深水航道內波浪作用不強，以風浪為主，就全年而言，常浪向為NNW向，次常浪向為SSE向，強浪向為NE向，主要以NW～NE向風浪為主，而E、ESE和SE向受到岸外沙脊的屏蔽作用波浪作用較小。

1.4 泥沙條件

根據2017年6—7月對大豐港海域開展的大范圍海域底質采樣樣品分析，大豐港海域底質泥沙主要為黏土質粉砂、粉砂質黏土、粉砂質砂，中值粒徑(d50)平均值為0.040 6 mm，西洋深槽以及航道外段的航道附近水域底質相對較細，中值粒徑(d50)為0.017 6 mm；小陰沙和瓢兒沙的底質粒徑相比較大，中值粒徑為0.103 1 mm。由此可見，深水航道工程海域呈現粉砂淤泥質海岸的特點。

2 模型建立及驗證

2.1 基本方程

2.2.1 連續方程

(1)

x向動量方程為

(2)

y向動量方程為

(3)

2.2.2 懸沙擴散方程

(4)

2.2.3 床面沖淤變化方程

(5)

(6)

(7)

式中：γd為床沙干容重；ηb為床面沖淤厚度；α為沉降概率；ω為泥沙沉速；S*為風浪和潮流綜合作用下的挾沙力；V1為潮流速度；V2為平均水平波動流速；γS為泥沙顆粒密度，γS=2 650 kg/m3；d為淺灘的平均水深。

2.2.4 底床切應力方程

波流共同作用下底床切應力有平均剪切應力τmean和最大剪切應力τmax兩種計算方式，即

(8)

(9)

式中：τc為水流單獨作用時的切應力；τw為波浪單獨作用時切應力的幅度；b、p、q、a、m、n為常數。

2.2 網格與模型參數

工程海域模型閉邊界為自然岸線，模型東西長約115 km，南北長約225 km。計算海域內共剖分54 613個三角形計算單元，計算節點數為27 578個，并對工程區及可能影響到的航道、港區等海域進行了局部加密，空間步長最小為5 m，詳見圖2。

圖2 模型計算網格

本文模型的外海開邊界的潮位資料是從全球潮汐預報系統中提取8個主要潮汐分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、Q2、P1)的調和常數進行調和分析并插值得到的。水動力模型中CFL(Courant-Friedrichs-Lewy)數的臨界值為0.8；水平渦黏系數采用Smagorinsky公式求解，其中Cs系數取0.28；根據前人經驗[11]以及模型的驗證與調試，本次計算模型的西洋水道糙率n取為0.02，灘面糙率n取為0.045，外海糙率n則根據水深進行插值計算，計算公式為n=0.013+0.01/H，H為水深。

波浪場計算采用將波浪的動力條件概化為潮周期中具有平均意義的代表波要素，疊加至潮流運動中的方法。根據大豐氣象站2013—2017年的資料，使用海大公式進行波要素計算，推算模擬海域N-S向若干主風向作用下的平常年波要素，為泥沙數學模型提供波浪條件。用于模型計算的代表波浪要素見表1。

表1 代表波要素

2.3 模型驗證

2.3.1 潮位、流速、流向和含沙量驗證

選擇2010年5月23日—5月25日大豐港一期、二期碼頭潮位資料作為模型的潮位驗證資料，選擇2010年1月20日16：00—2010年1月22日18：00的寒潮大風期的大豐港深水航道附近海域觀測站實測水文泥沙資料作為模型的潮流和泥沙驗證資料，水文泥沙實測時間間隔均為1 h，Z1、Z2站點位置如圖1所示。從圖3～圖5中可以看出，大豐港一期、二期碼頭模擬潮位值與實測潮位值基本相等；各觀測站模擬計算流速值與實測流速值雖存在一定的誤差，但模擬流速與實測流速趨勢走向基本吻合，且流速數值誤差在10%以下，在合理范圍之內；流向的模擬擬合得較好，體現了往復流的規律；含沙量模擬值曲線與實測值曲線基本擬合，且含沙量的模擬值與實測值都位于同一量級上，能夠比較好地描述大豐海域在大風作用下的泥沙分布情況及運動過程。

圖3 潮位驗證圖

圖4 流速、流向驗證圖

圖5 含沙量驗證圖

2.3.2 泥沙沖淤驗證

本次地形沖淤驗證主要采用大豐港深水航道一期工程試挖槽的實測泥沙沖淤資料進行驗證，試挖槽位置如圖1所示。圖6為試挖槽一年泥沙沖淤驗證情況，計算值與實測值位于同一量級上，且航道沖淤分布情況較為吻合，因此該泥沙模型可以用于深水航道泥沙沖淤模擬計算。

圖6 航道沿程沖淤驗證

3 工程后潮流泥沙特征分析

3.1 流場特征分析

圖7為航道工程附近海域大潮漲落急流場圖。從圖7中可以看出，漲落潮流近似呈南北向的往復流，漲潮流流向偏南，落潮流流向偏北，內航段航道軸線與水流主流向基本一致，外航段航道軸線與水流主流向有一定的夾角。航道附近海域潮流作用強，水流大潮漲落急流速基本在1 m/s以上，在水深較大的航道南段大潮漲落急流速可達1.5 m/s。

圖7 大潮漲落急流場圖

3.2 泥沙回淤分析

圖8為深水航道沿程年回淤強度分布。由圖可知，航道內航段年回淤強度介于0.88～1.93 m/a，最大回淤強度出現在航道里程18 km處，回淤厚度為1.93 m，在10～20 km的航道中段的回淤強度略大于其他航段的回淤強度；航道外航段年回淤強度在0.31～1.9 m/a之間，最大回淤強度出現在航道里程35 km處，回淤厚度為1.9 m，航道在32～37 km航段內回淤強度變化起伏較大，在航道里程41 km外，回淤強度逐漸減小。經計算，深水航道一期工程年平均回淤強度為1.32 m/a，總淤積量為1 199.2萬m3。

圖8 航道年淤積沿程分布

3.3 極端大風天航道驟淤分析

深水航道在強烈的風暴(臺風、寒潮大風)的作用下，比較容易發生不同于往常的驟淤情況，尤其是建立在粉砂淤泥質海岸的深水航道驟淤情況更為嚴重。相對而言本海域受大風天氣影響較為頻繁，因此分析預測航道在大風天下發生驟淤的可能性顯得十分必要。

根據大豐海域實測資料統計分析，海域常風向為SE方向，25年一遇的風速為21.5 m/s，風向與航道走向相交，強風向為N方向，25年一遇的風速為23.7 m/s。為研究極端大風天期間航道所產生的回淤強度最不利的情況，故假定極端大風都發生在水動力更強的大潮期間，在大潮期間加入3 d 10年一遇和25年一遇的大風，為了使風浪卷起的泥沙能夠完全落淤，大風過后再模擬4 d的沖淤變化，模擬時間共計7 d。

從圖9中得知，相較于N風向，SE風向對航道回淤強度作用較為明顯，在25年一遇SE風向作用下，航道7 d回淤強度介于0.02～0.15 m，平均回淤強度為0.10 m，在12～15 km、35～39 km航段內，回淤強度較大；在25年一遇N風向作用下，航道7 d回淤強度介于0.02～0.10 m，平均回淤強度為0.07 m，在28～29 km航段內，回淤強度較大。由此可見，由于深水航道外小陰沙、瓢兒沙等輻射沙洲的掩護作用以及航道內水流流速較大，水動力較為強勁，且主流向與航道軸線基本平行，極端大風天作用下航道并未出現嚴重的礙航驟淤現象，但大風引起局部航段回淤問題仍不可忽視，尤其是與航道交角較大的風向給航道淤積帶來的影響。

圖9 航道年淤積沿程分布

4 結論

(1)深水航道工程海域水流呈南北往復運動，漲潮流流向向南，落潮流流向向北，內航段航道軸線與主流向一致，外航段與主流向呈一定的夾角。

(2)航道年淤強介于0.31～1.93 m/a，內航段最大回淤強度為1.93 m/a，外航段最大回淤強度為1.9 m/a，航道年平均回淤強度為1.32 m/a，總淤積量為1 199.2萬m3。

(3)在25年一遇的SE向和N向極端大風作用下，航道7 d平均回淤強度分別為0.10 m和0.07 m，由于輻射沙洲的掩護作用以及航道內水動力較為強勁，且主流向與航道軸線基本一致，航道并未出現嚴重的礙航驟淤現象，但大風引起局部航段回淤問題仍不可忽視，尤其是與航道交角較大的風向給航道淤積帶來的影響。