石浦港下灣門航道工程潮流數(shù)值模擬研究

溫春鵬，李孟國，李文丹

（1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱150001；2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津300456）

石浦港位于封閉型港灣石浦灣內(nèi)（圖1）。該港區(qū)由銅瓦門、東門、下灣門、林門及三門口5 個水道與外海相通，船舶通行以下灣門、東門及銅瓦門水道為主。隨著臨港工業(yè)發(fā)展，船只數(shù)量激增，現(xiàn)有航道的通航能力明顯不足，亟需升級現(xiàn)有航道，建設(shè)萬噸級以上航道以適應(yīng)發(fā)展需要。但由于銅瓦門、林門和三門口水道自然條件一般，且均已建有橋梁，只有東門水道和下灣門水道是石浦港2 個具有一定通航潛力的水道，可以開辟成萬噸級以上航道。

本文對下灣門水道開辟為5 萬t 級進行了流場數(shù)模研究，航道底寬為165 m，設(shè)計水深為-14.8 m（85 高程），邊坡為1∶5。航道起始于三門口以東，經(jīng)中界山以北、汏網(wǎng)嶼以南水域，通過下灣門水道延伸至外海，總長度為33.5 km。港內(nèi)航道開挖部分分為兩段，西段由飯甑山東至打鼓峙東（D1 段），東段由中界山中部至汏網(wǎng)嶼東（D2 段），兩段分別長約4.2 km 和3.7 km，最大挖深分別為4.4 m 和6.9 m；外海航道開挖至滿足航道水深處（D3 段），長度為16.1 km，最大挖深6.5 m，具體開挖情況如圖2。由于下灣門出?？谔幍膱@山不滿足設(shè)計航道寬度要求，口門處存在大量礁石，其中石欄礁位于航道軸線，堵住了航道口門，為滿足進港航道暢通及航道設(shè)計要求必須對這兩處進行炸礁［1］。炸礁點位置如圖3 所示。本文采用基于不規(guī)則三角形網(wǎng)格［2］二維潮流數(shù)值模擬對下灣門航道進行了研究，分析了航道開挖及炸礁前后的潮流場特征及變化。

1 潮汐潮流特征分析

1.1 潮汐特征

據(jù)石浦海洋站實測潮位資料準調(diào)和分析計算，石浦港附近水域潮汐特征值（H01+HK1）/HM2＜0.5，表明該海域潮汐性質(zhì)屬正規(guī)半日潮。根據(jù)2011 年7 月23 日～8 月1日，2011 年7 月21 日～8 月23 日和有關(guān)報告統(tǒng)計［3］，該港平均潮差在3.00 m 以上，最大潮差可達6.08 m，平均漲潮歷時6∶05，平均落潮歷時6∶19，落潮略長于漲潮。

1.2 潮流特征

據(jù)石浦港2006 年9～10 月口門段水文全潮驗潮流資料調(diào)和分析，潮流類型（WO1+WK1）/WM2＜0.5，該工程海域潮流性質(zhì)屬正規(guī)半日潮流型，在一個太陰日內(nèi)有2 次漲潮和2 次落潮流，潮流運動形式為往復(fù)流。各站漲、落潮憩流一般發(fā)生在高、低潮位前后，最大流速發(fā)生在半潮前后，表明石浦港區(qū)內(nèi)潮波屬駐波性質(zhì)。

2011 年7 月24～25 日和7 月31 日～8 月1 日在石浦港區(qū)范圍進行了全潮同步觀測，觀測結(jié)果表明［3］：（1）石浦港東西向水道潮段流速均在0.50 m/s 以上，最大流速達1.25 m/s；銅瓦門、東門水道內(nèi)潮段平均流速及最大流速呈現(xiàn)有落潮大于漲潮的變化規(guī)律，落潮最大流速分別可達1.20 m/s、0.92 m/s，下灣門水道內(nèi)段漲落潮最大流速分別為1.29 m/s、1.12 m/s，各站的流速變化呈現(xiàn)有隨潮差的增大而增大的變化規(guī)律。（2）各站漲落潮流向基本為方向相反的往復(fù)流，并與岸線或水道深泓線基本一致。（3）從漲落潮歷時上看，落潮平均歷時大于漲潮；潮差變化呈由沿海向內(nèi)陸水域逐漸增大的規(guī)律。

2 數(shù)學(xué)模型的建立及計算

2.1 計算方法及方程

潮流計算采用Mike 系列軟件中的三角形網(wǎng)格水動力模塊（FM 模塊）?？刂品匠滩捎媒?jīng)Navier-Stokes 方程沿深積分的二維淺水方程組［4］，并將紊流作用以渦粘系數(shù)的形式參數(shù)化?；痉匠绦问綖?/p>

式中：h=η+d 和d 分別為水面高度和靜水深；x 和y 分別為橫軸和縱軸坐標；t 為時間；g 為重力加速度；和分別為沿x 和y 方向的深度平均流速；f 為柯氏力系數(shù)；ρ 為流體密度；ρ0為參考密度；S 為點源流量；us與vs為點源流速；Tij為應(yīng)力項，包括粘性應(yīng)力、紊流應(yīng)力和對流等，根據(jù)水深平均的流速梯度計算。

式中：Cf為拖曳力系數(shù)=（ub，vb）為水深平均流速。

水平渦粘性系數(shù)采用Samagorinsky 亞網(wǎng)格尺度模型求解，可以較好地描述各種渦的形成，即渦粘系數(shù)取為

式中：Cs為可調(diào)系數(shù)，可取為0.28。

在控制方程的求解過程中使用有限體積法進行離散，采用三角形網(wǎng)格；時間積分采用顯式歐拉格式；計算中采用干濕網(wǎng)格方法對淺灘進行考慮。

2.2 計算域的確定及網(wǎng)格劃分

模型北起大平崗島以北的29°32′N 緯度線，南到東肌列島，東邊界在122°26′E 經(jīng)緯線，南北距離約77 km，東西距離約92 km，包括整個三門灣海域。為擬合復(fù)雜岸線和航道等細致建筑物邊界，采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格剖分計算域?，F(xiàn)狀情況下網(wǎng)格如圖4，模型共84 891個網(wǎng)格節(jié)點，165 018 個三角形單元，三角形網(wǎng)格最小邊長18.22 m，網(wǎng)格最大邊長4 880 m。模型邊界條件由ChinaTide［5］提供。

2.3 模型驗證

為了驗證潮流模型的合理性，采用2011 年7 月～8 月大潮和小潮水文觀測資料對模型潮位、流速、流向進行驗證。本次水文測量在工程海域布置13 個流速、流向和含沙量測站，分別為V1～V13，并布置了H1～H6六個潮位測站（圖1）。限于篇幅，只給出部分測站大潮的潮位、流速及流向的驗證曲線，如圖5～圖7。經(jīng)驗證無論在計算的位相、量值還是過程線，均與原型吻合良好，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》［6］的要求，可以用來進行工程方案流場模擬計算研究。

3 潮流計算結(jié)果分析

3.1 工程前流場特征

（1）工程海區(qū)地形復(fù)雜、島嶼眾多，外海為逆時針旋轉(zhuǎn)流形式運動，石浦港內(nèi)水域多呈水道形式，潮流呈往復(fù)流形式運動，流向與水道走向基本一致［7］。

（2）石浦港內(nèi)水域漲潮時，外海潮波通過銅瓦門水道、東門水道、下灣門水道和林門水道流入石浦港內(nèi)，經(jīng)三門口水道流出；落潮與漲潮時流路基本一致，只是方向相反，且各口門漲、落潮基本同步（圖8）。

（3）石浦港內(nèi)及口門附近水流流速大于外海水域，這主要是由其潮流通道收縮所引起的。石浦港內(nèi)全潮平均流速介于0.48～0.95 m/s，最大流速介于0.91～1.40 m/s；外海水域全潮平均流速介于0.29～0.65 m/s，最大流速介于0.3～1.0 m/s。三門灣內(nèi)全潮平均流速介于0.6～0.8 m/s，最大流速介于0.8～1.70 m/s。

（4）石浦港航道軸線，全潮平均流速介于0.31～0.89 m/s，最大流速介于0.68～1.40 m/s。

（5）下灣門水道全長3.3 km，寬度300～600 m，水深達25～58 m。水道附近水流流速較大，全潮平均流速介于0.15～1.1 m/s，最大流速介于0.6～1.8 m/s。岬角水域存在明顯挑流，在岬角背流側(cè)水域內(nèi)有局部環(huán)流發(fā)生，最大環(huán)流流速約為0.60 m/s。口門內(nèi)側(cè)潮差較外側(cè)增大，體現(xiàn)在高潮位大幅上揚，低潮位略有下挫，下灣門內(nèi)外高潮位相差10 cm，低潮位相差4 cm。圖9 為工程前下灣門口門處漲、落急時刻流態(tài)圖。

3.2 工程方案實施后潮流運動

3.2.1 對流場的影響

（1）對流態(tài)的影響。經(jīng)分析［7］，方案的航道布置均充分利用現(xiàn)狀海域的岸線及水深，總體挖深較小，并未改變大范圍海域潮流運動整體特征，與工程前相比流速矢量無明顯變化。方案實施后，將炸礁點處炸除至滿足設(shè)計航道底高程，與工程前相比，航道軸線水域的流場更加平順，流向與航道走向基本一致。

（2）對流速的影響。

①下灣門航道方案實施后，三門口—中界山段的航道流速略呈減小趨勢，全潮平均流速減小范圍介于0.01～0.02 m/s；中界山及汏網(wǎng)嶼東北側(cè)深槽附近水域流速呈增加趨勢，全潮平均流速增加范圍介于0.02～0.04 m/s；中界山—汏網(wǎng)嶼段深槽航道流速呈增加趨勢，全潮平均流速增加值介于0.02～0.08 m/s；汏網(wǎng)嶼北側(cè)深槽流速呈增加趨勢，全潮平均流速增加值介于0.02～0.08 m/s；下灣門水道內(nèi)流速呈增加趨勢，全潮平均流速增加值介于0.01～0.4 m/s，最大流速增加值介于0.02～0.50 m/s；口門處流速增加介于0.02～0.08 m/s；外航道段所處水域開闊，由于航道挖深，相比工程前，流速呈現(xiàn)減小的趨勢；全潮平均減小值介于0.01～0.06 m/s，最大流速減小值介于0.01～0.08 m/s。圖10 為工程海區(qū)全潮平均流速差等值線（工程后－工程前）。

②下灣門水道由于水深條件良好，沒有實施航道開挖工程，工程整治重點主要是位于下灣門水道出口部分的炸礁點A 和炸礁點B，其中炸礁點B 即石欄礁，是暗礁，位于規(guī)劃出海航道軸線上，將其消除至滿足設(shè)計航道底高程后，流速有所減小，全潮平均流速減小值介于0.04～0.2 m/s。石欄礁消除后，通過該段進出下灣門水道的流量將有所增加，受此影響，金龍礁南側(cè)水流得以增強，金龍礁北側(cè)水流消弱，使得通過該段進入下灣門水道的水流基本與岸線平行，可以滿足航行要求。

炸礁點A 位于園山，該點在消除至滿足設(shè)計航道底寬和水深的條件下，附近水域的漲落潮水流也明顯得到改善，園山附近航道軸線水域的流場趨于平順。漲潮時刻，因園山挑流作用被消弱，形成的環(huán)流有所減弱，最大環(huán)流流速約為0.6 m/s；落潮時段，下灣門水道兩側(cè)存在一系列環(huán)流，園山處的環(huán)流強度同漲潮一樣有所減弱，最大環(huán)流流速約為0.3 m/s，環(huán)流持續(xù)時間基本覆蓋了全潮過程。圖11 為工程后下灣門口門處漲落急流場圖。

3.2.2 對潮位的影響

炸礁工程后口門局部拓寬，且航道段亦有所浚深。為考察炸礁工程對口內(nèi)外潮位影響，表1 給出了航道方案實施后，取樣點處高低潮位變化情況（圖1 中X1～X3 點）。經(jīng)分析，總體來說，航道開挖及局部炸礁工程方案實施后，引起高低潮位變化均在1cm 以內(nèi)，對潮位變化無影響。

表1 特征點高、低潮位變化Tab.1 Change of feature points at high and low tidal levels m

3.2.3 對潮量的影響

炸礁工程實施后，口門處過水斷面增大，將引起各口門潮量的變化。為分析方案對工程海域各通道斷面潮量的影響，在各口門附近選取了5 條斷面（圖1 中D1～D5），方案實施后：銅瓦門水道斷面漲、落潮潮量均有減少，減幅在1%～2%。林門水道斷面漲、落潮潮量均略有減少，幅度在1%～3%；三門口斷面漲、落潮潮量均略有增加，幅度在1%～3%。東門水道斷面漲、落潮潮量有所減小，減幅在2%～3%。下灣門水道斷面漲、落潮潮量均有所增加，增幅在3%～6%。銅瓦門、東門和下灣門漲落潮分流比分別為0.26：0.16：0.58、0.28：0.16：0.56。

總體來說下灣門方案及炸礁工程后，下灣門口門處潮量增加，而其他口門潮量降低，銅瓦門和東門變幅較大；林門和三門口由于距工程較遠，從而潮量變幅微弱。

3.2.4 航道橫流分析［7］

進港航道內(nèi)的橫流直接影響通航安全，也是航道寬度設(shè)計的重要參數(shù)，因此對橫流的全面把握具有十分重要的意義。經(jīng)統(tǒng)計：在航道轉(zhuǎn)彎位置、進港口門以及外海航道處潮流主向與航道軸線夾角較大，橫流較強且歷時較長，而其他區(qū)段由于潮流基本呈順槽運動，從而橫流均較弱。方案實施后，航道內(nèi)最大橫流約為0.67 m/s，位于南田島東側(cè)外海航道轉(zhuǎn)彎處，且最大橫流出現(xiàn)時刻為落急。

4 結(jié)論

（1）石浦港海域潮汐性質(zhì)屬正規(guī)半日潮，潮流性質(zhì)屬正規(guī)半日潮流型。潮流運動基本為往復(fù)運動，流向與水道走向基本一致。港內(nèi)及進港口門附近水流流速大于外海水域。石浦港內(nèi)全潮平均流速介于0.48～0.95 m/s，最大流速介于0.91～1.40 m/s；外海水域全潮平均流速介于0.29～0.65 m/s，最大流速介于0.3～1.0 m/s。

（2）下灣門航道工程方案實施后，由于水深總體挖深較小，流速變化很小，并未改變大范圍海域潮流運動整體特征。開挖段航道流速呈減小的趨勢，深槽水域流速呈增加趨勢。外航道段所處水域開闊，由于航道有所挖深，相比工程前，流速呈現(xiàn)減小的趨勢。

（3）下灣門航道工程方案實施后，口門處因炸礁使得航道軸線水域的流場趨于平順，流向與航道走向基本一致，對周邊流場基本沒有影響。受岸線挑流影響，漲、落潮時在水道兩側(cè)分別形成環(huán)流，持續(xù)時間、強度與工程前相差不大。

（4）下灣門航道開挖及局部炸礁工程方案實施后，引起高低潮位變化均在1 cm 以內(nèi)，對潮位變化無影響。

（5）下灣門航道工程方案實施后，下灣門口門處潮量增加，而其他口門潮量降低，銅瓦門和東門變幅較大，林門和三門口由于距工程較遠，從而潮量變幅微弱。銅瓦門、東門和下灣門漲落潮分流比分別為0.26：0.16：0.58、0.28：0.16：0.56。

（6）航道轉(zhuǎn)彎位置、進港口門以及外海航道處橫流較強，其他區(qū)段橫流均較弱。方案實施后，航道內(nèi)最大橫流約為0.67 m/s，位于南田島東側(cè)外海航道轉(zhuǎn)彎處。

（7）綜合來看，下灣門航道工程實施后，工程區(qū)的潮位潮量變化不大，港內(nèi)流態(tài)較平順，下灣門水道及口門處的流態(tài)得到了較大的改善，可以滿足航行要求，因此下灣門方案是可行的。

［1］王義剛，梁亮，王震.石浦港口門炸礁工程對港內(nèi)影響研究［C］//中國海洋工程學(xué)會. 第十二屆中國海岸工程學(xué)術(shù)研討會論文集.北京：海洋出版社,2005.

［2］李孟國.三角形網(wǎng)格在水動力水環(huán)境數(shù)學(xué)模型中的應(yīng)用［J］.水利水運工程學(xué)報，2001（3）:59-64.LI M G.Application of triangular mesh in mathematical models of hydrodynamic and hydro-environment field［J］.Hydro-Science and Engineering，2001（3）:59-64.

［3］麥苗，蔡寅，韓志遠，等.石浦港航道工程自然條件與沖淤演變分析［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，2012.

［4］DHI. MIKE21 User Guider［M］. Denmark: DHI Water & Environment，2007.

［5］李孟國，鄭敬云.中國海域潮汐預(yù)報軟件Chinatide 的應(yīng)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.

［6］JTS/T231-2-2010，海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程［S］.

［7］李文丹，解鳴曉，溫春鵬.石浦港航道工程潮流泥沙數(shù)學(xué)模型試驗研究報告［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，2012.