大連港太平灣港區(qū)擴(kuò)建工程潮流泥沙數(shù)學(xué)模型研究

姚姍姍，解鳴曉

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

近年來(lái)，二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型在港口工程建設(shè)實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用，李孟國(guó)等[1-2]基于 TK-2D軟件，在連云港田灣核電及江蘇如東西太陽(yáng)沙海域開(kāi)展模擬研究；李文丹等[3-4]通過(guò)岸灘演變分析及數(shù)學(xué)模型手段對(duì)溫州港深水航道工程、莆田興化灣某電廠開(kāi)展潮流泥沙數(shù)值模擬研究；閆睿[5]建立波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)天津港大港港區(qū)10萬(wàn)t級(jí)航道的淤積情況；李大鳴等[6]利用二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型研究擋沙堤對(duì)青島港航道泥沙回淤的影響；李玉婷、吳慧琴等[7-8]建立舟山海域二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，分別模擬岱山島燕窩山碼頭工程和釣梁二期圍墾工程實(shí)施后潮流及地形沖淤變化；戴勇等[9]分析南通港呂四港區(qū)的水沙特征，采用二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型模擬預(yù)測(cè)碼頭流場(chǎng)及港池淤積；楊華等[10]針對(duì)港珠澳大橋沉管隧道工程，通過(guò)開(kāi)展大量自主創(chuàng)新性研究，開(kāi)發(fā)沉管基槽多因素、復(fù)合型基槽回淤預(yù)報(bào)模型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)沉管基床上泥沙回淤的精細(xì)化預(yù)報(bào)。在本文研究的太平灣海域，李孟國(guó)、徐雪蛟等[11-12]對(duì)太平灣建港條件、水沙環(huán)境進(jìn)行了分析論證。本文將采用二維波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型手段，圍繞大連港太平灣港區(qū)擴(kuò)建工程實(shí)施后的潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律及航道港池的淤積情況開(kāi)展模擬研究，結(jié)果可為擴(kuò)建工程方案的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 工程概述及自然條件

大連港太平灣港區(qū)位于遼東灣仙人島至將軍石岸段(圖1)，現(xiàn)狀條件下港區(qū)陸域岸線已基本圍填完畢，港區(qū)內(nèi)已建成10 個(gè)泊位，且港內(nèi)水域已按照設(shè)計(jì)水深開(kāi)始開(kāi)挖，現(xiàn)狀條件下港區(qū)陸域后方太平湖內(nèi)存在許多圍墾養(yǎng)殖區(qū)。本次太平灣港區(qū)擴(kuò)建工程擬在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，增設(shè)4個(gè)泊位，包括1 個(gè)10 萬(wàn)t級(jí)泊位、1 個(gè)3 萬(wàn)t級(jí)集裝箱泊位和2 個(gè)10 萬(wàn)t級(jí)通用泊位，即港內(nèi)建成14個(gè)泊位(位于圖2中①～⑤區(qū)域)，港池泊位設(shè)計(jì)底高程在-7.0～17.6 m(理基，下同)不等，同時(shí)拆除太平湖內(nèi)現(xiàn)狀圍墾養(yǎng)殖區(qū)，使得太平湖和將軍湖在港區(qū)后方實(shí)現(xiàn)連通，港區(qū)形成離岸島式，并將湖內(nèi)浚深至底高程-2.15 m。太平灣港區(qū)航道規(guī)劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段，以滿足不同噸級(jí)船型的通航要求，航道Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段設(shè)計(jì)底高程分別為-17.0 m、-16.6 m和-16.4 m。港區(qū)平面布置方案如圖2所示[13-14]。

太平灣海區(qū)處于遼東半島西側(cè)遼東灣東岸，岸線呈NE-SW向走向分布，沿岸為岬灣相間的沙礫質(zhì)海岸。工程海域潮汐為不規(guī)則半日潮，平均潮差1.60 m，潮流運(yùn)動(dòng)基本呈現(xiàn)往復(fù)態(tài)，岬角處挑流，灣內(nèi)為弱流區(qū)，實(shí)測(cè)大潮流速一般在0.3～0.5 m/s，常風(fēng)向、強(qiáng)風(fēng)向及常浪向、強(qiáng)浪向均來(lái)自WSW-NNE向。工程海域水清沙少，正常情況下水體含沙量不足0.01 kg/m3，-10 m等深線以外主要為細(xì)顆粒沉積，以內(nèi)主要為粗顆粒沉積，灣內(nèi)的淺灘沙脊是歷史形成的古地貌形態(tài)，工程海域的天然岸線及灘槽格局在現(xiàn)代水文泥沙環(huán)境下保持著長(zhǎng)期穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖1 工程位置示意圖Fig.1 Location of the project圖2 港區(qū)工程方案平面布置圖Fig.2 Layout of the calculation case

2 模型建立與驗(yàn)證

2.1 波浪數(shù)學(xué)模型

在模擬港池航道常年泥沙回淤時(shí)，必須考慮波浪對(duì)底床泥沙的掀動(dòng)作用，因此需要對(duì)波浪要素進(jìn)行模擬。由于太平灣缺乏長(zhǎng)期有效的波浪測(cè)站資料，本次研究將依據(jù)工程海區(qū)西南方向約20 km處的江石底測(cè)站波浪統(tǒng)計(jì)資料，通過(guò)推算江石底測(cè)站波能頻率分布，得出波能主要集中于N-NNE、WSW和NW-NNW這三個(gè)方向，其對(duì)應(yīng)的波能所占頻率達(dá)到總波能的91.2%。因此，波浪數(shù)值模擬將以上三個(gè)主導(dǎo)波向作為代表波向，采用MIKE21 SW模塊計(jì)算三個(gè)方向的代表波浪場(chǎng)，為泥沙數(shù)值模擬中提供波浪輸入條件，并分別與潮流作用，按照各自波向在1 a中出現(xiàn)的實(shí)際時(shí)間頻率加權(quán)，得到港池和航道的正常年回淤厚度。有關(guān)波浪模型的理論詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[8]。

2.2 潮流數(shù)學(xué)模型

(1)

(2)

(3)

2.3 泥沙數(shù)學(xué)模型

本工程港池航道泥沙淤積的預(yù)測(cè)，基于竇國(guó)仁波、流共同作用下挾沙力概念建立的平面二維泥沙數(shù)學(xué)模型，如式(4)

(4)

式中：S為垂線平均含沙量；α為沉降概率；ω為泥沙沉速；Dx和Dy分別為泥沙沿水平方向的擴(kuò)散系數(shù)。S*依據(jù)波、流挾沙的原理，考慮代表潮流及波浪兩種動(dòng)力因素作用下的挾沙力。

懸沙引起的地形沖淤變化，可如式(5)計(jì)算

(5)

底沙引起的地形沖淤變化計(jì)算表達(dá)式如式(6)～式(7)

(6)

(7)

式中：γ0為泥沙容重，本次研究依據(jù)工程海域懸浮泥沙中值粒徑，γ0取為701 kg/m3；沉速ω取為0.000 5 m/s；η為底高程；α為經(jīng)驗(yàn)回淤系數(shù)，可依據(jù)當(dāng)?shù)鼗蝾愃乒こ痰幕赜儋Y料確定。系數(shù)βc、β1及β2的取值，可依據(jù)大量的河道、河口及海岸現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)以及實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)資料取值，本次研究上述各系數(shù)分別取為0.023、0.045及2.5×10-5。

2.4 模型范圍與網(wǎng)格剖分

針對(duì)太平灣港區(qū)擴(kuò)建工程，模型計(jì)算范圍如圖3所示，其中大模型范圍包含整個(gè)渤海海域，局部模型范圍南至長(zhǎng)興島，北至營(yíng)口港鲅魚(yú)圈以北，西至外海-30 m等深線附近，局部模型所需的潮位邊界可由大模型提供。潮流數(shù)學(xué)模型采用非結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行剖分，圖4表示大范圍和局部模型的網(wǎng)格剖分情況，其中用以模擬工程方案的模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)在101 894個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)在200 367個(gè)，最小空間步長(zhǎng)為20 m左右，能夠保證模型計(jì)算所需的網(wǎng)格分辨率。

圖3 模型計(jì)算范圍示意圖Fig.3 Scope of the numeirical model圖4 模型網(wǎng)格剖分圖Fig.4 Grid of the local model2.5 模型驗(yàn)證

潮流數(shù)學(xué)模型采用2010年5月大、小潮水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，水文測(cè)站如圖5所示，限于篇幅，只給出部分測(cè)站大潮流速、流向及含沙量的驗(yàn)證，驗(yàn)證情況如圖6～圖8所示。經(jīng)驗(yàn)證，無(wú)論是計(jì)算相位、量值還是過(guò)程線，均與原型吻合良好，滿足《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》[15]要求。

波浪數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證包括代表波高、波向和波周期的驗(yàn)證，表1給出模型計(jì)算值與推算值的對(duì)比，結(jié)果顯示波浪模型模擬得到的代表波浪參數(shù)與推算值達(dá)到良好的一致性。

工程海區(qū)目前處于未開(kāi)發(fā)狀態(tài)，缺少用于地形沖淤驗(yàn)證的挖槽回淤資料。根據(jù)文獻(xiàn)[8,10]所述，距離太平灣港區(qū)較近的營(yíng)口港鲅魚(yú)圈處海岸動(dòng)力條件，與太平灣海域具備良好相似度，因此，鲅魚(yú)圈港區(qū)航道、港池淤積數(shù)據(jù)可作為本次數(shù)模沖淤計(jì)算的驗(yàn)證資料。根據(jù)2002年鲅魚(yú)圈外航道及港池內(nèi)年回淤數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，外航道最大年回淤約在0.5 m/a左右；港池內(nèi)平均年回淤在0.3 m/a左右。本次數(shù)學(xué)模型中計(jì)算的鲅魚(yú)圈航道回淤最大0.51 m/a，港池內(nèi)平均回淤為0.34 m/a與實(shí)測(cè)值較為接近。通過(guò)驗(yàn)證，表明所建立地形沖淤數(shù)學(xué)模型合理，可進(jìn)一步用于工程后港池航道的泥沙淤積預(yù)測(cè)。

圖5 工程區(qū)附近水文測(cè)站布置圖Fig.5 Measuring-points arrangement near the project圖6 2010年5月大潮潮位驗(yàn)證Fig.6 Verification of tidal level during spring tide (2010-05)

圖7 2010年5月大潮流速、流向驗(yàn)證Fig.7 Verification of flow velocity during spring tide (2010-05)

圖8 2010年5月大潮含沙量驗(yàn)證Fig.8 Verification of sediment concentration during spring tide (2010-05)

表1 江石底測(cè)站代表波高(H1/3)、波向、波周期選取及驗(yàn)證Tab.1 Verification of representative wave height (H1/3),wave direction and wave period of Jiangshidi station

3 潮流泥沙模擬結(jié)果

3.1 現(xiàn)狀及工程后潮流場(chǎng)

現(xiàn)狀條件下太平灣海域潮流運(yùn)動(dòng)呈往復(fù)態(tài)，漲潮流偏NNE，落潮流偏SSW(圖9)。近岸潮流運(yùn)動(dòng)受岸線和地形變化影響，表現(xiàn)為岬角挑流，灣內(nèi)弱流，太平角附近的沙脊水域處由于受灘槽交錯(cuò)地形影響，潮流運(yùn)動(dòng)主要沿淺脊間的深槽走向，局部水流略有擺動(dòng)。

工程建設(shè)并未改變?cè)摵Ｓ虻恼w潮流運(yùn)動(dòng)特征，僅局部流場(chǎng)有所變化(圖10)。體現(xiàn)在，太平湖內(nèi)養(yǎng)殖區(qū)全部拆除后，港區(qū)形成離岸島式，太平湖和將軍湖在港區(qū)后方實(shí)現(xiàn)連通，漲、落潮水流可以自由進(jìn)出。同時(shí)，港區(qū)內(nèi)部開(kāi)設(shè)通道以后，漲、落潮流亦可經(jīng)過(guò)通道進(jìn)入太平湖或從太平湖進(jìn)入港內(nèi)，使得港內(nèi)流速略有增強(qiáng)。經(jīng)計(jì)算，工程后港內(nèi)平均流速在0.30 m/s以內(nèi)，航道沿程平均流速在0.7 m/s以內(nèi)。

9-a 漲急 9-b 落急圖9 大范圍海域現(xiàn)狀漲、落急流場(chǎng)圖

Fig.9 Tidal current field at flooding and ebbing in large-scale sea area10-a 漲急10-b 落急圖10 工程海域工程后漲、落急流場(chǎng)圖Fig.10 Tidal current field after project construction at flooding and ebbing in local area

航道橫流自內(nèi)航道至口門處逐漸增加，自口門向外航道先減小后增加。航道沿程最大橫流約0.47 m/s，位于口門附近，出現(xiàn)在落潮階段。相比較而言，航道Ⅰ段、Ⅱ段基本屬于內(nèi)航道段，橫流較小，最大橫流不足0.1 m/s，航道Ⅲ段橫流較大，最大橫流0.47 m/s。航道沿程流速矢量及最大橫流沿程分布如圖11～圖12所示。

3.2 航道港池泥沙淤積預(yù)測(cè)

采用經(jīng)驗(yàn)證的波浪、潮流及泥沙數(shù)學(xué)模型，考慮代表波浪場(chǎng)結(jié)合連續(xù)潮作用，模擬了工程海域的含沙量分布情況，并對(duì)太平灣港區(qū)擴(kuò)建工程實(shí)施后航道港池內(nèi)的正常年淤積情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，統(tǒng)計(jì)了港池航道特征點(diǎn)(圖13)處的淤積情況，并給出了航道的沿程淤積分布(圖14)。

經(jīng)計(jì)算，正常天氣下，工程海域含沙量在0.01～0.06 kg/m3左右，太平灣港區(qū)擴(kuò)建工程實(shí)施后，全航道平均年淤?gòu)?qiáng)0.17 m/a，最大年淤?gòu)?qiáng)0.34 m/a，全航道正常淤積量86萬(wàn)m3/a左右；港池(包含14個(gè)泊位及對(duì)應(yīng)港池，即圖2中①～⑤區(qū)域)最大年淤?gòu)?qiáng)在0.31 m/a，平均年淤?gòu)?qiáng)0.18 m/a，港池正常淤積量54萬(wàn)m3/a左右；航道港池總淤積量在140萬(wàn)m3/a左右。

圖11 航道沿程流速矢量圖Fig.11 Velocity vector distribution along channel圖12 航道沿程最大橫流分布Fig.12 Maximum cross flow distribution along the channel

圖13 淤積取樣點(diǎn)布置圖Fig.13 Layout of sediment sampling points圖14 航道沿程淤積分布Fig.14 Distribution of siltation along the channel

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用經(jīng)驗(yàn)證的二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，模擬了太平灣港區(qū)擴(kuò)建工程實(shí)施后的潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，預(yù)測(cè)了正常天氣航道港池的淤積情況，得到以下結(jié)論：

(1)太平灣海區(qū)潮汐為不規(guī)則半日潮，平均潮差1.60 m，實(shí)測(cè)大潮流速一般在0.3～0.5 m/s。常風(fēng)向、強(qiáng)風(fēng)向及常波向、強(qiáng)波向均呈WSW-NNE向。正常天氣下含沙量在0.01～0.06 kg/m3左右，天然岸線與岸灘長(zhǎng)期保持基本穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)現(xiàn)狀條件下太平灣海域潮流運(yùn)動(dòng)呈往復(fù)態(tài)，漲潮流偏NNE，落潮流偏SSW。近岸潮流運(yùn)動(dòng)受岸線和地形變化影響，表現(xiàn)為岬角挑流，灣內(nèi)弱流，工程后港內(nèi)平均流速在0.30 m/s以內(nèi)，航道沿程平均流速在0.7 m/s以內(nèi)，航道沿程最大橫流約0.47 m/s，位于口門附近，出現(xiàn)在落潮階段。

(3)工程實(shí)施后，正常天氣下，全航道平均年淤?gòu)?qiáng)0.17 m/a，最大年淤?gòu)?qiáng)0.34 m/a，全航道正常淤積量86萬(wàn)m3/a左右。港池(包含14個(gè)泊位及對(duì)應(yīng)港池)最大年淤?gòu)?qiáng)在0.31 m/a，平均年淤?gòu)?qiáng)0.18 m/a，港池正常淤積量54萬(wàn)m3/a左右。航道及港池總淤積量在140萬(wàn)m3/a左右。