連云港環(huán)抱式防波堤口門航道橫流計算研究

張瑋，張婧，李澤，錢偉

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

連云港港是我國沿海的主要港口和綜合運(yùn)輸體系的重要樞紐。根據(jù)有關(guān)規(guī)劃，連云港將逐步形成“一體兩翼”的總體發(fā)展格局[1]，其中，連云港區(qū)和徐圩港區(qū)將建成30萬噸級的大型海港。由于地處淤泥質(zhì)淺灘開敞海域，波浪作用明顯，水沙運(yùn)動復(fù)雜，兩港區(qū)均采用環(huán)抱式防波堤，從而達(dá)到防浪擋沙、改善港內(nèi)泊穩(wěn)條件、減少泥沙回淤的目的。對于環(huán)抱式防波堤，因堤頭的挑流作用，在口門附近的航槽內(nèi)將產(chǎn)生較大的橫流，不僅是設(shè)計進(jìn)港航道有效寬度的重要參數(shù)[2]，對日后港區(qū)的船舶調(diào)度管理亦存在較大影響，一直是人們所關(guān)注的重點之一。

目前，有關(guān)環(huán)抱式防波堤口門航道橫流的計算研究成果較多[3-8]。不過，在以往的研究工作中，多采用某次實測的大潮作為計算潮型，計算相應(yīng)的航道橫流。這種計算橫流的方式主要存在兩個問題：首先，其結(jié)果相當(dāng)于隨機(jī)值，難以反映出橫流的長期或年內(nèi)分布特點，代表性不明確；其次，對于一般情況下的橫流數(shù)值不易獲得，難以指導(dǎo)實際工作。

本文擬針對連云港港30萬噸級航道，利用二維潮流數(shù)學(xué)模型，模擬計算不同潮型下的連云港海域環(huán)抱式防波堤口門航道最大橫流，探討航道橫流與潮差之間的關(guān)系，擬合兩者之間的經(jīng)驗公式，以便根據(jù)潮汐預(yù)報表，由不同累計頻率的漲潮潮差計算相應(yīng)的航道橫流，為設(shè)計和管理工作服務(wù)。

1 研究對象

連云港海域的潮汐潮流運(yùn)動受黃海駐波系統(tǒng)控制，為正規(guī)半日潮。在外海海域，潮流為旋轉(zhuǎn)流，向近岸則逐漸過渡為往復(fù)流[9]。在進(jìn)行連云港環(huán)抱式防波堤口門航道橫流計算研究時，考慮連云港區(qū)與徐圩港區(qū)的進(jìn)港航道均浚深至30萬噸級。其中，連云港區(qū)的口門寬度為1000 m，位于-5 m（理論基面以下，下同）等深線處，進(jìn)港航道走向63°～243°，航道底標(biāo)高-22.5 m，航道底寬350 m，邊坡1∶7；徐圩港區(qū)的口門寬度為1000 m，位于-5 m等深線處，一期建設(shè)主要開發(fā)一港池和六港池，進(jìn)港航道走向16°～196°，航道底標(biāo)高-22.5 m，航道底寬360 m，邊坡1∶7；灌河口整治工程已建，雙導(dǎo)堤延伸至-2 m等深線處，堤頂高程3 m。兩港區(qū)及其航道的平面布置如圖1。

圖1 連云港30萬噸級航道及港區(qū)總平面布置圖

2 潮流數(shù)學(xué)模型

2.1 基本方程

式中：x、y為直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；t為時間變量；h為平均水深；ζ為相對于平均海平面的潮位；Ux、Uy分別為x、y方向上的垂線平均速度；ρ為水體密度；g為重力加速度；Nx、Ny分別為x、y方向的水平紊動黏性系數(shù)；f為科氏參數(shù)（f=2ωsin φ，ω 為地球旋轉(zhuǎn)角速度，φ 為緯度）；τx、τy分別為床面剪切應(yīng)力在x、y方向的分量。

2.2 求解方法

采用 ADI算法 （Alternating Direction Implicit Method）數(shù)值求解上述方程組，也就是把每一個時間步長分成兩步進(jìn)行，前半步隱式計算x方向流速分量及潮位，顯式計算y方向流速分量；后半步隱式計算y方向流速分量及潮位，顯式計算x方向流速分量。

2.3 模型建立及求解條件

數(shù)學(xué)模型北起日照 （35°22′30″N，119°33′E），東至（35°22′30″N，120°17′E），南至廢黃河口附近 （34°17′00″N，120°17′E），東西寬約99.7 km，南北長約119.3 km，模型范圍內(nèi)水域面積約8648 km2，詳見圖2。

圖2 連云港海域潮流數(shù)學(xué)模型范圍示意圖

計算區(qū)域的離散均采用矩形網(wǎng)格，并利用網(wǎng)格嵌套法進(jìn)行逐漸加密，模型最大網(wǎng)格尺度為405 m×405 m，工程區(qū)域網(wǎng)格尺度為15 m×15 m，可以滿足計算精度要求。

連云港海域潮流數(shù)學(xué)模型的西邊界、南邊界為陸邊界，北邊界、東邊界為水邊界。在進(jìn)行潮流數(shù)值計算時，對于開邊界，由東中國海潮波數(shù)學(xué)模型提供；對于閉邊界，根據(jù)不可入原理取法向流速為0。此外，還采用了干濕判別技術(shù)進(jìn)行動邊界處理。

2.4 模型驗證

為使所建立的潮流數(shù)學(xué)模型能較好地模擬水流的實際運(yùn)動情況，需對模型進(jìn)行率定和驗證，確定其中的計算參數(shù)。本次研究分別利用2004年7月的大、中、小潮，2005年9月的大、中潮以及2010年先導(dǎo)試挖回淤觀測期間的水文測驗對模型進(jìn)行率定。經(jīng)驗證，計算結(jié)果與實測資料吻合較好。為節(jié)省篇幅起見，模型驗證詳見文獻(xiàn)[10]。

3 航道最大橫流特征及影響因素

為了探討影響連云港海域環(huán)抱式防波堤口門航道最大橫流的主要影響因素，在2004年連云港海洋站的潮汐預(yù)報表中，選取了一系列涵蓋較大潮差范圍的時間段，進(jìn)行潮流數(shù)值模擬并計算相應(yīng)的航道橫流。

圖3與圖4分別給出了連云港區(qū)及徐圩港區(qū)的潮流流速矢量圖，可以看出：在岸線及建筑物附近，潮流基本為沿堤岸的往復(fù)流，隨著向外海的推移，旋轉(zhuǎn)流特性逐漸凸顯；進(jìn)港航道內(nèi)水流的歸槽現(xiàn)象明顯，口門外航槽內(nèi)有垂直于航道軸線的橫流存在。根據(jù)連云港區(qū)口門外航道橫流的計算結(jié)果可知：

1）漲潮最大橫流明顯大于落潮，說明在連云港海域，環(huán)抱式防波堤口門的航道最大橫流由漲潮控制。

2）漲潮最大橫流主要位于口門外0.6～0.85 km航槽段，出現(xiàn)在高潮位前的1.0 h以內(nèi)。

3）落潮最大橫流主要位于口門外1.4～1.6 km航槽段，出現(xiàn)在低潮位前0.5～2.5 h。

4）漲、落潮最大橫流隨漲、落潮潮差的增加而增大，兩者之間有著非常好的對應(yīng)關(guān)系（詳見圖5）。

圖3 連云港區(qū)流矢圖

圖4 徐圩港區(qū)流矢圖

圖5 連云港區(qū)不同計算潮差下的最大橫流

徐圩港區(qū)的航道橫流特點與連云港區(qū)基本相近，主要為最大橫流由漲潮控制，漲潮最大橫流位于口門外100～200 m航槽段，發(fā)生于高潮位前的1.5 h以內(nèi)。

4 漲潮潮差與累積頻率

目前港工建筑物的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)通常有兩種：重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)與累積頻率標(biāo)準(zhǔn)。在計算環(huán)抱式防波堤口門航道橫流時，如果僅僅采用一種潮型，顯然是不合理的。實際上，從設(shè)計和管理的角度考慮，最好能夠知道航道橫流的年內(nèi)分布，或不同累計頻率所對應(yīng)的橫流大小。為此，可充分利用上一節(jié)中研究表明的航道橫流與潮差之間的高度相關(guān)關(guān)系。在具體應(yīng)用時，可以按照以下步驟進(jìn)行：1）嘗試根據(jù)連云港海洋站潮汐預(yù)報表，統(tǒng)計不同累積頻率所對應(yīng)的漲潮潮差；2）按不同的累積頻率，確定與之對應(yīng)的漲潮潮差數(shù)值；3）利用潮流數(shù)學(xué)模型計算相應(yīng)的航道最大橫流；4）根據(jù)計算結(jié)果，建立不同累積頻率的漲潮潮差與漲潮最大橫流之間的相關(guān)關(guān)系。

通常，海洋站的潮汐預(yù)報表有多年的資料，那么到底應(yīng)該選擇哪一年、或者哪幾年來進(jìn)行漲潮潮差的累積頻率統(tǒng)計才更為合理？為此，分別按2004年、2004—2006年、2004—2008年的時間組合，統(tǒng)計了1、3、5 a的漲潮潮差累積頻率，具體結(jié)果見表1?？梢钥闯?，相同的累積頻率下，不同統(tǒng)計年份的漲潮潮差差別很小，與平均值相比，差值基本在2 cm以內(nèi)，最大也只有4 cm。因此，可以使用某一年的潮汐預(yù)報表，來統(tǒng)計漲潮潮差累積頻率。

表1 漲潮潮差統(tǒng)計表

5 漲潮潮差與橫流的相關(guān)關(guān)系

利用所建立的連云港海域大范圍潮流數(shù)學(xué)模型，根據(jù)不同累積頻率下漲潮潮差所對應(yīng)的潮型，計算連云港區(qū)、徐圩港區(qū)口門航道最大橫流，分別建立最大橫流與預(yù)報漲潮潮差的一元線性回歸模型（詳見圖6和圖7）。

對于連云港區(qū)：

對于徐圩港區(qū)：

式中：V為最大航道橫流，m/s；H為對應(yīng)連云港站的漲潮潮差，m。

圖6 連云港區(qū)口門最大橫流與預(yù)報漲潮潮差的相關(guān)關(guān)系

圖7 徐圩港區(qū)口門最大橫流與預(yù)報漲潮潮差的相關(guān)關(guān)系

可以看出，兩港區(qū)擬合曲線的相關(guān)系數(shù)均高達(dá)0.95左右，屬高度相關(guān)。應(yīng)用以上公式計算所得的兩港區(qū)航道最大橫流與數(shù)學(xué)模型的計算結(jié)果較為接近，誤差基本在0.08 m/s以內(nèi)，精度較高。

根據(jù)以上經(jīng)驗公式，可通過查找潮汐表中的預(yù)報漲潮潮差預(yù)估口門最大橫流，進(jìn)而應(yīng)用到航道設(shè)計或服務(wù)于港區(qū)的日常運(yùn)營管理。

6 結(jié)語

1）利用所建立的數(shù)學(xué)模型，計算了連云港港環(huán)抱式防波堤口門航道漲落潮最大橫流，結(jié)果顯示，漲潮最大橫流明顯大于落潮，說明在連云港海域，環(huán)抱式防波堤口門的航道最大橫流由漲潮控制。此外，環(huán)抱式防波堤口門航道的漲（落）潮最大橫流隨漲（落）潮潮差的增加而增大，兩者之間有著非常好的對應(yīng)關(guān)系。

2）根據(jù)連云港海洋站潮汐預(yù)報表進(jìn)行了分析比較，發(fā)現(xiàn)利用1年或多年資料分別進(jìn)行漲潮潮差的累積頻率統(tǒng)計，其結(jié)果相近，因此，在實際工作中，可用1年的漲潮潮差統(tǒng)計資料來代表多年的變化情況。

3）根據(jù)潮流數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果，分別建立了連云港區(qū)、徐圩港區(qū)口門外最大航道橫流與漲潮潮差之間的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R均在0.95左右，屬于高度相關(guān)。

4）在具體應(yīng)用時，可以根據(jù)潮汐預(yù)報表數(shù)據(jù)，進(jìn)行漲潮潮差的累計頻率分析，由此，針對不同累計頻率的漲潮潮差，利用經(jīng)驗關(guān)系確定所對應(yīng)的航道最大橫流，以便為設(shè)計服務(wù)，也可作為有關(guān)部門進(jìn)行船舶進(jìn)出港調(diào)度的依據(jù)。

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