直灣島LNG碼頭工程潮流數學模型研究及泥沙淤積分析*

曹永港，陳宜展，廖世智，歐陽永忠，楊 威，張 燕，肖志建，馬 媛

(1.國家海洋局南海調查技術中心，廣東 廣州 510300；2.自然資源部海洋環境探測技術與應用重點實驗室，廣東 廣州 510300)

目前，世界各國面臨應對氣候變化及環境持續惡化的挑戰，均將目光投向最清潔的石化能源—天然氣，紛紛看好其未來發展趨勢。中國作為世界上最大的能源消費大國和天然氣消費增長最快的國家，積極參與未來全球性天然氣市場治理過程。直灣島LNG項目功能定位是為粵港澳及周邊區域增加一個新的可靠的供氣氣源，推動清潔能源利用和節能減排，保障港澳地區天然氣的供應。直灣島LNG接收站碼頭工程位于珠江口外伶仃海域擔桿列島西部直灣島北側，擬于東灣順著浪向布置1座裝卸碼頭，于西灣順著岸線依次布置1座裝船碼頭、1座罐箱(兼重件)碼頭、1座加注碼頭和1座工作船碼頭，見圖1。工程區實測資料稀少，工程后產生的水流條件及泥沙回淤情況是值得關注的問題，碼頭泊位淤積問題是碼頭設計和建設關注的重點。泥沙沖淤結合潮流數值模擬技術是目前被廣泛采用的科學技術手段之一，用于論證項目選址、工程方案合理性等。戴勇等[1]建立二維潮流數學模型模擬分析通用碼頭工程后的流場變化，利用劉家駒公式預測工程實施后泥沙回淤情況；張娜等[2]、張焯等[3]采用潮流泥沙數值模擬方法研究了LNG碼頭建設后的水動力泥沙問題，主要涉及工程實施后的水流及海床沖淤變化情況。另外，還有順岸式棧橋碼頭工程[4]、廈門雙魚島游艇碼頭工程[5]、舟山岱山島燕窩山碼頭工程[6]、杭州灣開敞式長棧橋碼頭工程[7]等論證研究。

圖1 工程平面布置

為滿足工程的平面布置設計需求，基于最新實測海流、懸沙、底質及地形資料，開展潮流數學模型試驗，預測工程實施后的水流條件，利用經驗公式進行泥沙回淤分析，為工程科學決策及建設實施提供可靠的技術依據。

1 水動力及泥沙環境

2019年4月22日—23日在工程海域進行16個站春季大潮水文調查，調查內容包括海流、懸沙、表層沉積物等。同時收集附近大萬山(21°56′N，113°43′E)、珠海(22°15′N，113°35′E)和赤灣(22°28′N，113°53′E)海洋站2019年4月的氣象與潮位資料。

1.1 潮汐和海流

觀測海區的潮汐主要表現為不規則半日潮特征。大萬山站、珠海站和赤灣站最大潮差分別為1.92、2.16、2.45 m。圖2為2019年4月22—23日珠江口垂線平均海流矢量(v垂線=0.3v表+0.5v0.6H+0.2v底)。珠江口外附近海域的實測海流主要受珠江沖淡水、南海北部沿岸流和潮汐3種動力過程共同作用。沖淡水自珠江上游河道而來，在科氏力作用下沿著珠江河口西側進入南海北部；南海北部沿岸流主要影響西側站位中底層及桂山島東側站位，主要表現為東向流；潮汐作用為不規則半日潮特征，由口門外向上游河口方向逐漸增強，漲潮流為北向，落潮流為南向。

圖2 珠江口垂線平均海流矢量圖

1.2 含沙量特征

直灣島離珠江口河口較遠，幾乎無內河沙源。工程海域海水含沙量低，擬建碼頭附近C1站實測含沙量在0.000 1～0.013 5 kg/m3，大潮期平均含沙量為0.003 7 kg/m3，中值粒徑為0.019 mm。

1.3 表層沉積物特征

表層沉積物總體顆粒較細，中值粒徑范圍為0.009～0.012 mm，類型為細粉砂。沉積物中粉砂含量最高，平均值為77.30%；黏土含量次之，平均值為17.79%；砂含量第3，平均值為4.92%。

2 二維潮流數學模型及泥沙淤積

2.1 潮流數學模型

水流連續方程[8]：

(1)

x、y方向水平動量方程分別為：

(2)

(3)

2.2 泥沙淤積計算

2.2.1正常天氣下回淤

直灣島港址所處海域開闊，-20 m等深線距島最近距離約80 m，根據圖1可知，受直灣島掩護，西灣碼頭泊位和重件泊位等港池均屬于掩護式港池；東灣北側的接卸泊位港池則為開敞式，碼頭和港池離開陸岸有一定距離，碼頭和棧橋均為透空式高樁梁板結構。這種類型的港口布置幾乎不改變近岸水流的流路，港池回淤計算公式[9]如下：

(4)

(5)

式中：P1和P2分別為掩護式和開敞式港池泥沙年淤積強度(m/a)；K0為經驗系數，取值為0.14～0.17；K1為淤積系數，取0.35；ω0為黏性細顆粒泥沙絮凝沉速(m/s)，取0.000 6～0.000 8 m/s；v1、v2分別為工程實施前后平均流速(m/s)；S為當地實測平均含沙量(kg/m3)；T為1 a回淤時間(s)；ρ0為泥沙干密度；A為港內水下淺灘水域面積(m2)；A0為港內總水域面積，包括港池和水下淺灘面積(m2)，本工程A與A0的面積取相同。

2.2.2風浪天氣下回淤

首先進行水體含沙量修正[10]，計算得到風浪情況下的平均含沙量。風浪作用下的泥沙可能一部分或大部分以底沙或浮泥形式進入港區、碼頭泊位水域。工程海域表層沉積物平均中值粒徑為0.009～0.012 mm，泥沙輸移采用的浮泥輸沙率計算公式[11]如下：

(7)

(8)

(9)

式中：qsf為浮泥單寬輸沙率[(kg/(s·m)]；Mc為沖刷系數[(kg/(m2·s)]，由試驗確定；ubmax為波浪的最大軌道速度(m/s)；uc為泥沙起動流速；vm為潮流、波流(傳質速度)和風吹流的合成速度(m/s)；ub為波浪的平均軌道速度(m/s)；φ為波流傳質速度方向與航道方向的夾角(°)。

泥沙參數參考全潮水文觀測的實測結果，大潮期懸沙中值粒徑平均值為0.019 mm，懸沙含量平均值為0.003 7 kg/m3，表層沉積物中值粒徑平均值為0.009～0.012 mm。

2.3 模型網格與相關參數

模型計算區域和網格見圖3，模型網格數為275 620個、節點數為139 540個。采用三角形非結構化網格，碼頭工程區域進行適當加密。根據樁基實際位置情況，基于等效過水面積對樁基處網格進行概化，模型最小網格為1 m。岸邊界采用可滑不可入條件，靠近陸地的水邊界根據實測潮位值得出，外海水邊界利用全球潮汐模型(TPXO9)通過15個分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、MM、MF、M4、MN4、MS4、2N2、S1)推算得到。糙率根據水深進行插值計算獲取。

圖3 計算域及網格剖分

2.4 模型驗證

具體驗證過程見文獻[12]，選取2019年4月22日—23日工程海域春季大潮水文調查其中6個站進行對比，由圖4、5可知，計算值與實測值吻合較好，滿足精度要求。

圖4 潮位驗證

圖5 流速流向驗證

3 試驗結果分析

3.1 潮流場分析

工程方案實施前后大潮期漲、落急流場見圖6，工程海域漲潮流偏W、落潮流偏E為往復流。漲潮流經直灣島和二洲島之間的二門水道進入直灣島北部海域后，向西側繞過直灣島東邊岬角折向直灣角工程海域，再向西與繞過直灣島西邊岬角的海流匯合繼續向北流動。落潮流由西向東流經直灣島北部海域，在直灣島東北方分成兩股，一股水流經直灣島西邊岬角后繼續向西流動；主流則在直灣島北部海域經過港區后受二洲島阻擋，一部分流向二洲島北部海域，一部分經二門水道流入南海。直灣角西灣海域受岬角掩護，潮流不大。東部碼頭位于直灣角東側，靠近直灣角岬角，位于漲落潮流通道，漲潮流向NW、落潮流向SE。工程實施后，東灣碼頭樁基對近岸沿岸流有一定的阻水作用，海流流過樁基后的海流流速有所減弱，樁基之間的流速增強。西灣北碼頭和西灣南碼頭位于西灣內，流速較小，工程前后的流速都普遍小于0.10 m/s。西灣南部碼頭與岸線之間海域海水輻聚、流速增強，工程前流速約為0.01 m/s、工程后流速約為0.04 m/s。

圖6 工程方案實施前后大潮期漲、落急流場

工程建設后直灣島海域流場變化見圖7。碼頭工程建設后，管樁起到阻水作用，管樁附近海流流速減小，管樁之間和碼頭外圍水體輻聚、流速增大。東灣海域位于直灣島東側，靠近水道，海水流速相對較大，流速變化范圍也較大，主要表現為：外圍管樁繁密海域和近岸海域流速變小，碼頭中部海域海水幅聚、流速增大，流速變大和減小幅度都達到0.04 m/s。西灣北海域的流場變化表現為近岸管樁附近海域流速明顯減弱，流速減小最大值達到0.08 m/s。西灣南位于直灣島西側弱流區，碼頭建設后流速相對變化較小，表現為碼頭區流速明顯變小，碼頭外側海域流速小幅增大。從中可比較出，直灣島西側海域較東側海域流速小、屬弱流區，更適合碼頭建設。

圖7 工程前后平均流速差(工程后-工程前)等值線

3.2 泥沙回淤分析

考慮22個特征點[13](圖8)，代表了東灣碼頭、西灣北碼頭、西灣南碼頭、直灣島東側大回旋圓海域和直灣島西側小回旋圓海域的波浪以及泥沙回淤特征，其水深范圍為5～39 m。工程海域不利波向主要集中在NE與WSW向。5 a、10 a、50 a和100 a一遇有效波高范圍分別為2.8～4.6、3.0～4.9、3.5～5.6、3.8～6.1 m。年回淤計算考慮波浪各向年平均波高以及相應的頻率分布。S向波浪對碼頭所在地的影響很小，1#、10#～12#點的不利波向為NE向，2#～3#點的為ENE向，其余計算點的為WSW向。驟淤計算歷時取12 h，10 a一遇對應各特征點的有效波高見表1。

圖8 特征計算點

表1 計算點最大有效波高

直灣島沿岸水深可滿足大型船舶停靠，碼頭工程建設不需要進行清淤，1#～22#特征點不需要開挖。工程后泥沙回淤主要考慮碼頭工程建設后泥沙的自然回淤和驟淤。正常天氣條件下，工程海域水體含沙量較低，約為0.003 7 kg/m3，計算特征點工程前后的流速變化很小，僅直灣島西南側的碼頭泊位會出現回淤，且年平均淤積不超過0.020 m，其余海域未出現回淤，年平均回淤厚度為0.016 m。考慮50 a一遇風浪后，工程海域水體含沙量有所增加，深水區域約為0.04～0.17 kg/m3，量級仍不大，回淤的程度較小。直灣島西南側的碼頭泊位水深小于10 m，受水流和波浪動力的影響較東北側的開敞水域要大，含沙量相對較高，可出現較大的回淤。計算大風浪作用下的泥沙輸移，各計算特征點淤積最大的區域為18#，50 a一遇風浪的淤積厚度為0.32 m；淤積最小的區域為2#，50 a一遇的淤積厚度為0.02 m。見表2。

表2 工程后泥沙回淤預測結果

4 結語

1)工程海域漲潮流偏W、落潮流偏E，為往復流。直灣島西側海域較東側海域流速小，屬弱流區，更適合碼頭建設。工程后并未引起工程海域流場發生較大變化，僅在碼頭建設區域附近有較小程度變化，對周圍水動力環境的影響較小。

2)正常天氣條件下僅直灣島西南側的碼頭泊位會出現回淤，年平均淤積不超過2 cm，其余海域不會出現回淤。極端天氣下工程海域短期回淤也較小，50 a一遇風浪淤積厚度為0.32 m。

3)工程位置離河口較遠，泥沙來源不豐富，水清沙少，泥沙回淤較小，工程后對周邊海域泥沙環境影響整體較小。