大連新港潮流場整治模型試驗研究

徐華，夏云峰，吳道文，王曉航，聞云呈

（南京水利科學(xué)研究院，水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210029）

0 引言

大連新港位于北黃海內(nèi)，地處丹東與渤海口之間，見圖1。擬建新30萬噸級進口原油碼頭位于大孤山半島，處在大窯灣與大連灣之間的磯頭岬角海岸過渡區(qū)域。工程區(qū)深水近岸，岸線曲折，潮流動力較強，流態(tài)復(fù)雜，特別是2006年沙坨子圍墾后，工程區(qū)域流場已發(fā)生一定的變化。為了合理布置新30萬噸級原油碼頭，改善老30萬噸級碼頭前沿流場，同時為規(guī)劃建設(shè)LNG、礦石二期、燃供泊位以及工作船泊位碼頭布置提供相關(guān)水動力條件等，需要通過物理模型試驗研究工程區(qū)水動力條件、比選改善工程區(qū)域流場的工程措施。

圖1 大連新港區(qū)位圖

1 工程海域自然條件

海域潮汐為不規(guī)則半日潮。根據(jù)多年實測資料統(tǒng)計，本海區(qū)主要潮位特征值如圖2所示。

圖2 工程海域潮位特征值

本海域漲、落急一般出現(xiàn)在高、低潮前1 h左右，轉(zhuǎn)流時刻發(fā)生在中潮位附近，表現(xiàn)為前進潮波特性[1]。外海漲落潮歷時基本相當，近岸受地形邊界影響，漲落潮期間有回流存在，落潮歷時大于漲潮歷時。研究海域外海的漲落潮流方向基本與岸線平行，漲潮流為西南向，落潮流為東北向，呈明顯的往復(fù)流性質(zhì)，見圖3。由圖3可見，近岸區(qū)域落潮動力稍大于漲潮動力，而外海漲潮動力明顯強于落潮動力。

圖3 2008年5月大潮潮流矢量圖

工程海域水深分布見圖4。擬建工程海域深水近岸，水深條件良好，具備建設(shè)大型碼頭的水深條件；沙坨子圍墾成陸后，形成突出于海中的磯頭，工程區(qū)漲落潮期間受邊界條件影響，有回流存在，碼頭前沿存在橫流，如不輔以一定的工程措施改善流態(tài)，勢必影響碼頭的正常運營。

圖4 工程海域水深分布圖

2 物理模型設(shè)計與驗證

綜合考慮模型設(shè)計要求[2]、試驗場地條件、整治工程布置及其影響范圍等因素，確定模型水平比尺為450，垂直比尺為120。另外，大窯灣、小窯灣距工程區(qū)較近，考慮到其納潮量對工程區(qū)水動力有一定的影響，因此模型范圍包括大窯灣、小窯灣。

模型工程區(qū)附近海床地形采用近期實測1∶3 000地形圖進行制作，其余部分根據(jù)海圖資料進行補充。模型采用6臺雙向泵多通道控制進出流量，模擬天然漲落潮過程。

模型采用的測控系統(tǒng)是由工控計算機、485通訊設(shè)備、生潮設(shè)備、流速、水位采集等設(shè)備組成。首先將雙向泵流量過程輸入計算機，通過變頻器控制雙向泵正反轉(zhuǎn)運行，產(chǎn)生潮汐過程，復(fù)演天然的潮汐現(xiàn)象。水位測量采用光柵自動跟蹤水位儀，分辨率為0.01mm，測量誤差約為±0.1 mm。模型水下流速采用光電式小旋槳流速儀測量。表面流場采用流場實時測量系統(tǒng)（VDMS）測量。

模型驗證包括系統(tǒng)重復(fù)性驗證、潮位驗證和水動力驗證。重復(fù)性驗證結(jié)果見圖5，可見模型從第2個循環(huán)開始基本趨于穩(wěn)定，重復(fù)循環(huán)生潮精度基本滿足試驗規(guī)程的要求，因此模型試驗取第2個循環(huán)以后的測量成果。潮位及水動力驗證試驗采用沙坨子圍墾前2004年7月大、小潮和沙坨子圍墾后2007年1月、9月以及2008年5月大、小潮，共計8組水文測驗資料對模型進行了驗證[3-6]，驗證結(jié)果見圖6，可見模型相似性較好。

圖5 模型控制系統(tǒng)重復(fù)性驗證

圖6 模型潮位及水動力驗證

3 工程方案簡介

流場整治工程方案由沙坨子北側(cè)導(dǎo)流堤和南側(cè)近岸圍填岸線調(diào)整工程兩部分組成。其中，北側(cè)導(dǎo)流堤的功能主要是為了歸順擬建新30萬噸級油碼頭前沿附近漲落潮水流流向，兼顧為鯰魚灣港區(qū)泊位碼頭提供防浪掩護作用，試驗研究過程中對其長度進行了多方案比選分析，最終推薦長度采用150m。南側(cè)圍填工程也進行了多個圍填方案試驗研究，為了說明岸線調(diào)整工程邊界條件對工程區(qū)流場的影響，給出了其中兩個圍填方案的流場整治效果。圍填方案1的平順段基本沿著-8m等高線布置，圍填方案2的平順段基本沿著-13m等高線布置，方案2圍填范圍大于方案1。見圖7。

圖7 潮流場整治工程方案布置

4 試驗成果分析

4.1 沙坨子圍填前后工程區(qū)流場變化

由于工程區(qū)處于大孤山磯頭岬角海岸，漲落潮期間工程區(qū)有回流存在。沙坨子圍墾后，其又形成凸出于海中的小磯頭，受局部地形影響，漲落潮期間均有回流存在，且回流區(qū)位置、范圍、強度等隨時間不斷變化，工程區(qū)局部流場變得尤為復(fù)雜[7-8]。模型試驗結(jié)果表明，漲潮憩流時刻，工程區(qū)附近存在大范圍回流，且強度最大，此時原30萬噸級碼頭前沿橫流最強，其最大橫流變化見表1（測點布置見圖7），沙坨子圍填前后漲潮憩流時刻流場見圖8。可見受沙坨子圍墾邊界條件的影響，回流流向與碼頭前沿夾角、強度均有所增大，1號測點橫流由圍墾前的0.26m/s增大到圍墾后的0.41m/s，增幅達57%，2號測點橫流由圍墾前的0.23m/s增大到圍墾后的0.35m/s，增幅約52%，3號測點橫流略有減小。表明沙坨子圍墾工程實施后，已建30萬噸級碼頭前沿橫流增大明顯，對碼頭的正常運行已帶來了一定的不利影響，迫切需要開展流場整治工作，歸順流場，減小橫流，以利于船舶靠泊、停泊和離泊。

表1 沙坨子圍墾工程前后已建30萬噸級碼頭前沿最大橫流變化 m·s-1

圖8 沙坨子漲憩流場

4.2 流場整治工程實施前后工程區(qū)流場變化

圍填方案1、方案2實施后工程區(qū)漲憩流場見圖9，試驗研究結(jié)果表明，受大孤山磯頭岬角大范圍地形影響，漲憩時大范圍回流一直存在，只能通過工程措施調(diào)整回流區(qū)的位置，減小碼頭前沿橫流。通過圖9比較發(fā)現(xiàn)，受近岸回填范圍大小影響，與圍填方案1相比，圍填方案2實施后回流區(qū)位置向外海移動，已建30萬噸級碼頭處于回流區(qū)邊緣，擬建30萬噸級碼頭處于回流區(qū)外；圍填方案2實施后，落急時已建和擬建30萬噸級碼頭前沿落潮水流均較為平順，見圖10。

圖9 圍填方案實施后漲憩流場

已建和擬建30萬噸級碼頭前沿最大橫流變化見表2。由表2可見，沙坨子圍墾后已建30萬噸級碼頭前沿橫流為0.28～0.41m/s；而圍填方案1實施后橫流減小至0.19～0.35m/s；圍填方案2實施后橫流減小至0.18～0.31m/s，略小于沙坨子圍墾前的0.23～0.31m/s。圍填方案2實施后，擬建30萬噸級碼頭前沿橫流有所減小，約0.11m/s。

分析得知，對于磯頭岬角海岸來說，漲落潮期間有回流存在，流場比較復(fù)雜，圍墾工程實施后引起局部岸線發(fā)生變化，進而可能引起周邊流場變得更加復(fù)雜，對已建涉水工程正常運行帶來一定的不利影響。對于該類海岸流場整治，岸線邊界條件變化對流場影響顯著，所以整治工程應(yīng)以歸順岸線工程措施為主，輔以其他相關(guān)工程，通過模型試驗研究科學(xué)論證工程方案的選取。

圖10 圍填方案2實施后落急流場

表2 沙坨子圍墾工程前后已建和擬建30萬噸級碼頭前沿最大橫流變化 m·s-1

5 結(jié)語

大連新港位于大孤山半島磯頭海岸，2006年沙坨子圍墾后港區(qū)局部潮流場發(fā)生了一定的變化。為合理布置擬建新30萬噸級原油碼頭，通過潮流物理模型試驗研究了大連新港潮流場整治工程方案。研究結(jié)果表明，局部岸線調(diào)整對工程區(qū)流場影響明顯，圍填方案2整治效果優(yōu)于方案1，圍填方案2實施后，已建30萬噸級原油碼頭前沿橫流減小至沙坨子圍墾前，擬建30萬噸級碼頭前沿橫流較小，落急流場也較為平順。建議該類海岸流場整治工程應(yīng)以歸順岸線工程為主，輔以其他相關(guān)工程。

[1] 嚴愷，梁其荀.海岸工程[M].北京：海洋出版社，2002：20-60.

[2] 李昌華，金德春.河工模型試驗[M].北京：人民交通出版社，1981：25-77.

[3] 大連港新30萬噸級原油碼頭工程海流觀測報告（9月）[R].國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，國家海洋局海洋環(huán)境保護研究所，大連海洋工程勘察設(shè)計和環(huán)境保護開發(fā)中心，2005.

[4] 大連港新30萬噸級原油碼頭工程海流觀測報告（1月）[R].國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，國家海洋局大連海洋工程勘察設(shè)計和環(huán)境保護開發(fā)中心，2007.

[5] 大連港新30萬噸級原油碼頭工程海流觀測報告（10月）[R].國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，國家海洋局大連海洋工程勘察設(shè)計和環(huán)境保護開發(fā)中心，2007.

[6] 中國石油大連液化天然氣項目碼頭工程海流潮位觀測報告[R].國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，國家海洋局大連海洋工程勘察設(shè)計和環(huán)境保護開發(fā)中心，2008.

[7] 張金善，孔俊，章衛(wèi)勝.大連港新30萬噸級原油碼頭工程平面二維潮流運動數(shù)值計算報告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2008.

[8] 徐華，夏云峰.大連新港新30萬噸級原油碼頭工程潮流物理模型試驗研究報告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2009.