臺州港臨海港區(qū)規(guī)劃波浪潮流泥沙數(shù)學模型研究

李文丹，李孟國，肖 輝，麥 苗

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

臺州港臨海港區(qū)規(guī)劃波浪潮流泥沙數(shù)學模型研究

李文丹，李孟國，肖 輝，麥 苗

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

文章研究了臺州港臨海港區(qū)規(guī)劃圍墾后的有關潮流泥沙問題。首先對該海區(qū)的自然條件進行了分析,而后使用二維波浪潮流泥沙數(shù)學模型研究手段對臺州港規(guī)劃圍墾后的二維潮流場、泥沙場、地形沖淤變化進行了模擬研究。研究結果表明，從周圍水沙環(huán)境的影響考慮，該港區(qū)規(guī)劃圍墾的方案是可行的。

潮流；數(shù)學模型；數(shù)值模擬；泥沙；臺州

Biography：LI Wen-dan（1982-）,female,assistant professor.

臺州港臨海港區(qū)位于臺州灣頭門島海域，在上盤鎮(zhèn)東部，東磯列島西面，具有建設港口的良好自然條件，在臺州港總體規(guī)劃中作為綜合性樞紐港區(qū)進行規(guī)劃建設，是臺州港的核心港區(qū)。臺州港臨海港區(qū)建設管理委員會在臺州臨海頭門深水港區(qū)規(guī)劃、進港公路建設和北洋海涂部分已圍墾成陸的基礎上，為保證和促進其經濟持續(xù)發(fā)展，擬在頭門島及進港公路北側及柱頭山—大鑼島—雀兒岙島以內的規(guī)劃圍墾范圍與水域，建設臨港產業(yè)園區(qū)及其配套的臨港作業(yè)區(qū)碼頭，提前實施雀兒岙島、田岙島深水港區(qū)規(guī)劃（圖1）。

本文在臺州港臨海港區(qū)原有工作研究和資料的基礎上，根據(jù)臺州灣海域的最新水下地形和最新的水文泥沙測量資料，通過二維波浪潮流泥沙數(shù)值計算，研究臺州港臨海港區(qū)水域泥沙沖淤規(guī)律，分析計算臺州港臨海港區(qū)規(guī)劃方案對周圍海區(qū)的影響和泥沙淤積，為規(guī)劃和設計提供波浪潮流泥沙方面的依據(jù)，為其進一步深入工作提供技術支撐。

圖1 開邊界示意圖Fig.1 Sketch of open boundary

1 水動力泥沙特征

1.1 潮汐潮流

椒江河口外側海域潮汐屬正規(guī)半日潮型，平均高潮位、平均潮差由外海向椒江河口，由南向北逐漸增高或增大，頭門島站平均潮差為3.66 m，最大潮差達6.15 m，因此該海域屬大潮差強潮海域，潮流動力相對較強。

該海域潮流屬于不正規(guī)半日潮型的淺海潮流，各站潮流運動可分為往復流和旋轉流運動2種形式。其中椒江河口—頭門島前及附近水域或受島嶼影響基本為往復流運動，其余少數(shù)測站位置為順時針的旋轉流運動［1-3］。

1.2 波浪

根據(jù)大陳島海洋站具有代表性的1994年和1997年波浪觀測資料統(tǒng)計，該站常浪向為ENE向。

全年常浪向主要為ENE—SE向及N、NNE向。該站強浪向為E向。

該海域波浪在年內分布上具有明顯的季節(jié)性變化，其中10月～翌年3月以ENE—E向為主，4～9月以ENE—SE為主，全年強波向以7～9月E、ENE向為主，最大波高可達9.1～9.5 m，10～12月強浪向以NE、ESE向為主，最大波高為6.6～8.0 m，1～6月強浪向以NNE、E向為主，最大波高僅在3.0 m以內。

頭門島工程區(qū)水域北側B1站常浪向為ESE向；強浪向為ESE向，H1/10最大波高為4.12 m。B2站常浪向為E向，強浪向為ESE向，H1/10最大波高為4.45 m，最大波高為5.49 m。從兩站出現(xiàn)H1/10波高的程度上看，除臺風經過該海區(qū)時波高較大外，B1、B2站H1/10波高均在2.0 m以內，大多數(shù)時間H1/10波高在1.5 m以下，由于B1站掩護條件稍好，使其波況條件要稍好于B2站。但由于波向隨季節(jié)變換，某些時段兩站的波況條件又基本一致。

1.3 含沙量

本海區(qū)含沙量具有以下特點：

（1）該海域含沙量分布呈現(xiàn)河口大、鄰近河口區(qū)域稍小，淺灘水域排后，頭門島及其東南側水域為最小的變化規(guī)律。

（2）臺州灣海域含沙量的變化隨潮型大、小變化、大潮潮差大、潮汐動力強，潮流流速大，則水體含沙量大、反之則水體含沙量??；同時臺州灣海域水體的含沙量對風浪的影響較為敏感，如過大的風浪作用，則可使得海域含沙量增大約1倍左右。

（3）臺州灣海域水體的含沙量與季節(jié)變化有明顯的關聯(lián)、夏季含沙量小，冬季含沙量大，一般冬季海域水體含沙量約比夏季大1倍。

（4）據(jù)頭門島西南側長山碼頭處含沙量固定觀測站觀測，該工程水域的含沙量是相對較低的。

（5）海域各垂線含沙量呈現(xiàn)水面表層含沙量小，底層大的分布規(guī)律，其表、底層含沙量分別為垂線平均含沙量的67%～52%和160%～177%。頭門島附近水域分別為55%、203%。

1.4 懸沙粒徑

各站大、小潮型懸沙中值粒徑d50為0.005～0.007 mm，平均d50為0.006 mm。另據(jù)頭門島2008年10月和2009年2月8條垂線夏、冬季水文全潮采用同樣方法取懸沙分析，其懸沙d50變化范圍0.006～0.008 mm。d50平均為0.008 mm。表明頭門島附近懸沙d50粒徑稍大于大范圍的懸沙d50粒徑。

1.5 底質

該工程區(qū)底質d50粒徑范圍為0.008～0.023 mm。按沉積物分類主要為粘土質粉砂物質，僅局部范圍為粉砂沉積物所覆蓋。由于季節(jié)的不同，受風浪掀沙作用影響，在頭門島南側泥沙有粗化的變化，而其東北側泥沙有細化的現(xiàn)象。這種局部變化與其特殊位置、潮流、波浪作用有著密切關系，大面上基本沒有大的變化。從臺風前后底質沉積物變化來看，臺風后使得粉砂沉積物多了3個；從中值粒徑d50上看，d50由0.009 mm增至0.010 mm，顯得有粗化趨勢，但田岙島以北水域各處d50基本沒有變化，頭門島南北處于東側水道旁水域大部略有粗化現(xiàn)象，這種變化與前面季節(jié)變化趨勢是一致的。表明各水域局部動力的變化將引起沉積物d50的變化。

2 波浪數(shù)學模型

為了解該海域的水動力及泥沙環(huán)境，掌握工程海區(qū)泥沙運動的特點及海床的演變趨勢，需對工程大范圍海域的波浪場進行計算，為考慮波浪作用的二維潮流泥沙數(shù)學模型提供波浪方面的資料。

2.1 依據(jù)資料及計算內容

在頭門島附近有B1和B2兩個臨時波浪觀測站，分別位于頭門島北和頭門島南約-10 m水深處，其中B1波浪觀測站包括2008年12月至2009年8月共9個月的測波資料，B2波浪觀測站包括2008年9月～2009年8月共1 a的測波資料。

本文主要選取對工程泥沙影響較大的浪向進行年平均波浪場計算，計算時以頭門島附近有效波高Hs≥1.0 m為參考標準（即去掉對海床泥沙作用不大的小浪），由于B1波浪觀測站資料不足1 a，本次計算以B2波浪觀測站測波資料作為計算依據(jù)，計算波向包括ENE向、E向和ESE向。具體驗證情況見文獻［2］。

2.2 模型地形及參數(shù)選取

本次波浪計算主要是為泥沙數(shù)學模型提供波浪場，因此，根據(jù)地形資料和計算方向建立了大范圍波浪數(shù)學模型，模型的范圍基本包含了泥沙模型計算范圍。本模型采用正四邊形網格，地形網格步長DX=DY=100 m，計算網格步長滿足模式計算要求。

工程西部為大陸，開敞海域主要位于工程東部，其中波浪入射邊界根據(jù)驗證點波浪要素給出適合的入射波高，以達到計算值與實測值一致為準，為了減少誤差保證計算的精確度，計算中均采用正向入射即入射方向與方程傳播的主方向x向相同。以上所有波浪計算的側邊界則按透浪邊考慮。經反復調試，模型中底摩阻取0.005，水位采用工程海域實測平均潮位。

2.3 數(shù)值模擬

根據(jù)工程海域的波浪特征，本模型主要對ENE向、E向和ESE向3個波向進行驗證計算，從驗證結果看，各向計算波高均與實測值基本一致，因此所建立的波浪數(shù)學模型的計算結果是基本合理的，能夠為泥沙數(shù)學模型提供波浪要素。圖2為各項波高分布圖。

從現(xiàn)狀條件計算結果看，由于工程附近島嶼較多，地形水深較為復雜，各方向波浪場的波高等值線分布不規(guī)則，但總體上仍具有外海大、近岸小的分布規(guī)律。波浪到達擬建工程海域時，ENE向、E向和ESE向浪作用下，工程海域年平均H1/3波高大多在1.0 m、1.1 m和1.5 m以下。

圖2 波高分布圖Fig.2 Distribution of wave height

3 工程概況

臺州港臨海港區(qū)規(guī)劃方案根據(jù)設計單位提供，采用全封堵式大方案，港池內按照-13.5 m（部分-19.5 m和-17.0 m）設計底標高開挖，航道底寬350 m，底標高-17.0 m。

4 二維潮流泥沙數(shù)學模型

4.1 數(shù)學模型的建立

根據(jù)試驗要求，建立了潮流泥沙數(shù)學模型。數(shù)學模型主要了解規(guī)劃方案實施后工程區(qū)外宏觀海域環(huán)境的流場的變化情況和研究規(guī)劃方案實施后工程區(qū)范圍內的流場和泥沙場的變化情況。

計算域：本次模型北起檀頭山以北（北緯29°16′），南至大陳島以南（北緯28°18′），東邊界至東經122°16′。南北距離112 km，東西距離86 km；

網格剖分：本次模型采用正四邊形網格進行模擬，網格步長50 m；

邊界條件：模型共有東邊界、北邊界、南邊界和椒江河口4條開邊界，其中東邊界、北邊界和南邊界為外海邊界，由潮位過程控制，潮位由中國海域潮汐預報軟件Chinatide［4］計算給出。椒江河口邊界采用流速控制。

4.2 模型驗證

4.2.1 潮位、流速流向和懸沙驗證

采用2009年4月26日14時～27日18時大潮過程和2009年5月1日18時～2日22時小潮過程對模型進行了驗證：潮位測站8個，分別為頭門島、小鵝冠島、長嶼、一江山島、瑯磯山、下大陳、白沙和擴搪山；潮流懸沙測站12個。限于篇幅，這里只給出部分測站大潮的潮位、流速流向驗證曲線（圖3、圖4）。從模型的驗證過程來看，無論是計算的量值還是位相，均與實測值基本吻合，符合文獻［5］的要求。漲、落潮流態(tài)與海區(qū)地形輪廓相符。因此模型的驗證是成功的，可以應用本模型對計算海區(qū)內的工程方案前后的潮流場進行數(shù)值模擬的計算分析。

圖3 大潮潮位驗證Fig.3 Verification of spring tidal level

圖4 流速流向驗證Fig.4 Verification of flow velocity and flow direction

4.2.2 地形沖淤驗證

文獻［1］使用不同時期的水深測圖對工程海區(qū)的沖淤演變進行了分析，工程海區(qū)海床沖淤基本平衡，略有淤積，多年平均淤積厚度2.4 cm/a，近期海床呈現(xiàn)略有沖刷的趨勢，因此該海域海床是基本穩(wěn)定的。工程附近缺乏足夠的地形沖淤驗證資料，這里采用上述資料對泥沙參數(shù)總體進行率定，并結合其他工程經驗，最終確定各參數(shù)的取值。

4.3 數(shù)值模擬

對方案進行了二維潮流數(shù)值模擬研究。計算以2009年實測大潮潮型為基礎，泥沙沖淤計算考慮了波浪作用，根據(jù)對數(shù)值模擬結果的分析，方案實施后主要結論有：

4.3.1 工程前流場情況

（1）工程前流態(tài)。本工程海區(qū)附近的潮流以往復流為主，方向為近乎SE—NW向，河口區(qū)往復流特性更強，開闊海域漸有旋轉特性。漲潮時，水流從東偏南向西北向運動，受東磯列島排列的影響，其外海漲潮流一部分水流沿東磯列島島側間隙和其北側貓頭洋海域進入三門灣南側淺灘水域和灣內水域，另一部分水流通過一江山島—黃瑯和一江山島—頭門島由東略偏南向轉向西略偏北向進入頭門島西南淺灘和河口水域，并有部分漲潮水體經頭門島—田岙島口門向西北向白帶門坡壩港水域，以及頭門島—白沙間水域向白沙—頭門島北側水域和淺灘流去，充填該水域和邊灘的納潮量；落潮時，其水體則沿相反運動進入東海域。

現(xiàn)狀流場分布受控于陸地岸線和島嶼岸線。漲急時，水流經頭門島兩側向西北方向上溯，受頭門島的掩護，大、小竹山與頭門島之間水域的潮流偏弱，頭門島西側區(qū)域形成回流，大竹山西側上灘水流強于東側；落潮時，面長山與頭門島西北角形成阻水斷面，水流從南北兩側繞過，與大竹山至頭門島西北角連線基本平行。

從工程前漲、落潮流態(tài)上看，白沙—頭門島北側水域至浦壩港范圍水域呈現(xiàn)為上、下淺灘的漲、落潮流態(tài)，該股水流對進出椒江河口和三門灣水域不發(fā)生影響［6］。

（2）工程前流速分布。工程前海區(qū)流速分布具有以下特征：①整個工程區(qū)域附近漲潮流速大于落潮流速；②工程區(qū)域附近全潮平均流速為0.4～0.6 m/s；③頭門島周圍有幾塊較明顯的弱流區(qū)，一是頭門島南北兩側擬圍墾的區(qū)域；二是頭門島東側近島區(qū)域；三是面長山與南山島之間區(qū)域；四是面長山北側頭門島以西水域；④頭門島南側、西側和東側外圍周邊水域全潮平均流速為0.4～0.5 m/s，頭門島與田岙島之間的流速可達0.5～0.6 m/s；因此，頭門島與田岙島之間潮汐通道流速大于頭門島其余區(qū)域；⑤整個區(qū)域椒江河口的流速為最大。

圖5 工程實施后漲落潮流場Fig.5 Flow field at flood and ebb strength of tide

4.3.2 方案實施后流場

本文以2009年4月26日～27日潮型（大潮）為代表，計算了方案實施后流場情況。流場計算采用的水深、潮位基面均統(tǒng)一至理論基準面。

本工程方案實施后，大范圍海域流場的總體特征與現(xiàn)狀流態(tài)基本相同。即工程海區(qū)漲落潮水流基本為上下淺灘水域的往復流，方向為近乎SE—NW向。工程圍墾所在局部區(qū)域發(fā)生了改變，截斷了天然狀態(tài)下經頭門島—白沙島之間的漲落潮流路，使得水流在頭門島處分成兩股，其中一股向西北流向浦壩港，一股向西流向椒江；漲潮時，水流將在頭門島東側分成兩股沿圍墾區(qū)兩側流向椒江和浦壩港，落潮流按原路返回。

4.3.3 對周邊水域的影響

本文采用方案實施前后全潮平均流速差等值線的方式進行統(tǒng)計分析。結果表明：由于方案規(guī)模大，其影響范圍較大；圍墾區(qū)北側與大鑼島連線東側區(qū)域全潮平均流速呈增加趨勢，連線西側全潮平均流速呈減小趨勢；北側港池與南側港池附近流速呈減小趨勢（圖6）。

圖6 全潮平均流速差等值線Fig.6 Total tidal average velocity difference isoline

4.3.4 潮位及潮量變化

（1）潮位變化。為了了解工程實施后三門灣和椒江河口附近潮位的變化情況，在三門灣內選取3個特征點：1#～3#，在椒江河口選取3個特征點：4#～6#（參見文獻［2］）。計算結果表明：方案建設引起的三門灣內特征點潮位都沒有變化，方案的實施對三門灣的潮位沒有影響。方案建設引起的椒江河口外側潮差最大變化值為1 cm。表明工程建設對椒江河口潮位基本沒有影響。

（2）潮量變化。在整個計算域內選取5個斷面（文獻［6］），本文計算了方案實施后5個斷面漲、落潮潮量變化（按潮位閉合計算一個潮周期，折算為一漲一落）。結果表明：1#斷面漲、落潮流量沒有變化,表明該工程方案對三門灣水域漲落潮潮量變化沒有影響，2#斷面漲落潮流量增加，表明該工程方案引起雀兒島和南山島之間的潮流流速有所增強，表明大柱山—銅蘿島—雀兒岙島封堵進入浦壩港及其淺灘水域的潮量需由該斷面潮量增加供給。5#斷面漲落潮流量減小，表明進入頭門島—瑯磯山斷面的潮量有所減小，這是由于由頭門島—白沙間進入頭門島北側淺灘水域的潮量減少導致。

4.3.5 懸沙場變化

方案實施后，工程區(qū)北側含沙量基本沒有變化；工程區(qū)南側含沙量呈減小趨勢，其中0.1 kg/m3含沙量等值線有向近岸靠近的趨勢；港池內含沙量呈現(xiàn)口門處最大，越靠近港池內越小的趨勢；椒江河道內含沙量沒有變化。

4.3.6 泥沙淤積

此次泥沙淤積計算潮汐動力以大、小潮組合為代表潮流動力，波浪條件根據(jù)波浪數(shù)模計算結果，按照不同波向及頻率組合進行考慮。通過泥沙數(shù)學模型計算，結果表明：方案實施后，港池開挖部分年平均淤強為0.42 m/a，港池外航道淤強越靠近口門處淤強越大，年平均淤強為0.44 m/a。

5 結語

為了探討臺州港臨海港區(qū)大型圍墾以獲取大量土地資源和好的港區(qū)條件，本文采用二維波浪潮流泥沙數(shù)學模型研究手段對臺州港規(guī)劃圍墾后的二維潮流場、泥沙場和地形沖淤變化進行了模擬研究。研究結果表明：

（1）規(guī)劃方案的實施僅對工程區(qū)附近流場有所影響，對三門灣沒有影響，對椒江河口基本沒有影響。

（2）規(guī)劃方案實施后，工程區(qū)局部區(qū)域都有環(huán)流的產生，環(huán)抱式港池內流速明顯減小，且流速從口門向里逐漸減小。

（3）規(guī)劃方案實施后，僅工程區(qū)附近局部區(qū)域含沙量發(fā)生有限的變化。

（4）港池開挖部分年平均淤強為0.42 m/a。港池外航道淤強越靠近口門處淤強越大，年平均淤強為0.44 m/a。

（5）從臨海市發(fā)展對圍墾土地、發(fā)展產業(yè)園區(qū)經濟要求及與其配套的碼頭作業(yè)區(qū)考慮，作為港區(qū)有利于其經濟發(fā)展而言，方案可以推薦其作為規(guī)劃方案。作為工程方案的實施可分為城市圍墾造陸工程、港區(qū)圍墾造陸和碼頭建設等部分。作為港區(qū)建設可根據(jù)岸線布置按起步工程、結合港區(qū)專業(yè)貨物、城市圍墾造陸開發(fā)利用產業(yè)等發(fā)展的要求分步、分塊實施，最終形成規(guī)模。

［1］麥苗，吳以喜.臺州港臨海港區(qū)規(guī)劃自然條件及灘槽演變分析［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所，2010.

［2］肖輝，許婷.臺州港臨海港區(qū)規(guī)劃波浪數(shù)學模型計算研究報告［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所，2010.

［3］李文丹，李孟國.臺州港臨海港區(qū)規(guī)劃波浪潮流泥沙數(shù)學模型研究［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所，2010.

［4］李孟國，鄭敬云.中國海域潮汐預報軟件 Chinatide的應用［J］.水道港口，2007，28（1）：65-68.

LI M G，ZHENG J Y.Introduction to chinatide software for tide prediction in china seas［J］.Journal of Waterway and Harbor，2007，28（1）：65-68.

［5］JTJ/T233-98，海岸與河口潮流泥沙模擬技術規(guī)程［S］.

［6］李文丹，肖輝.臺州港臨海港區(qū)頭門島北側水域潮流數(shù)學模型試驗初步研究報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2009.

Numerical modeling of tidal current and sediment on Linhai port area in Taizhou sea area

LI Wen-dan，LI Meng-guo，XIAO Hui，MAI Miao
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment，Ministry of Transport，Tianjin300456，China）

The tidal current and problems related to the reclamation of the Linhai port area in Taizhou were studied in this paper.The natural conditions of the estuary were analyzed.Then by means of the 2D mathematical model，the study on wave，tidal current and sediment，as well as the seabed erosion and deposition before and after reclamation were carried out.The results show that the reclamation of the Linhai port in Taizhou is feasible.

tidal current；mathematical model；numerical modeling；sediment；Taizhou

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2012）03-0194-07

2011-05-05；

2011-06-08

李文丹（1982-），女，天津市人，助理研究員，主要從事海岸河口水動力與泥沙研究。