天津港大港港區(qū)口門布置優(yōu)化水流條件

肖立敏，孫林云，孫波，韓信，劉建軍

（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 210024）

南港工業(yè)區(qū)位于天津濱海新區(qū)南部，規(guī)劃面積200 km2，其中陸域面積162 km2，大部分由圍海造地而成，圍海深度至-4m等深線。天津港大港港區(qū)（南港工業(yè)區(qū)港區(qū)）于2011年8月正式開港試通航，現(xiàn)有航道可通行5 000噸級船舶，且正在進行5萬噸級航道施工，并將隨后開展10萬噸級等級提升。為保障港區(qū)航運安全、提高運營效率、完善港區(qū)規(guī)劃，建立平面二維潮流數(shù)學(xué)模型對港區(qū)口門布置水流條件進行專題研究，初步確定口門的合理位置并優(yōu)化口門布置，為港區(qū)規(guī)劃建設(shè)提供技術(shù)依據(jù)。

本次研究港池航道均按10萬噸級標(biāo)準(zhǔn)考慮，其中航道有效寬度300 m，港池航道設(shè)計底標(biāo)高-15.0m。航道起點0+000位置。高程系統(tǒng)統(tǒng)一采用新港理論基準(zhǔn)面。

1 工程區(qū)潮汐潮流特征

工程海域潮汐類型屬不規(guī)則半日潮，晝夜兩漲兩落，滯后約45 min，日潮不等現(xiàn)象明顯，漲潮歷時約為5.5 h，落潮歷時約為7 h。見表1。

工程區(qū)海域漲、落潮流向總體而言較為集中，基本呈現(xiàn)垂直于岸線的往復(fù)流性質(zhì)。近岸或建筑物附近，局部流向會受到約束而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。2011年在工程附近海域開展了水文測驗工作，測點位置及大潮期間流速矢量見圖1。南港實測站點流速值與離岸距離為正比關(guān)系，即離岸越遠，垂線流速值越大，各個測點大、小潮漲潮流最大流速分別在0.74m/s和0.61m/s以內(nèi)。

表1 潮位特征值Table1 Tidevalueeigenvaluem

圖1 港區(qū)平面布置及實測大潮流速矢量圖Fig.1 The harbor layoutand the vectorgraph of the measured spring tide velocity

2 平面二維潮流數(shù)學(xué)模型的建立與驗證

2.1 模型建立

模型采用變步長網(wǎng)格覆蓋研究區(qū)域，各變量轉(zhuǎn)換到正交曲線坐標(biāo)系，并對沿水深積分的連續(xù)方程和動量方程經(jīng)差分離散后采用ADI法進行計算，采用TDMA方法求解[1]。

2.2 模型驗證

對工程區(qū)2011年6月12—13日、17—18日實測大潮的3個臨時潮位站的潮位以及9條垂線的流速、流向進行驗證[2-3]，各測站位置見圖1。圖2、圖3分別給出了部分測點數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果與實測的對比。由圖可見，潮位過程以及流速、流向的計算結(jié)果與實測值吻合良好，能較好反映工程區(qū)潮流動力特性，可用于不同工程方案的水動力模擬計算。

圖2 大潮潮位過程驗證曲線圖Fig.2 The curveof spring tide process verification

圖3 大潮流速流向驗證曲線Fig.3 The curve of spring tide velocity and direction verification

3 方案介紹

依據(jù)天津港2011年至2030年總體規(guī)劃中的大港港區(qū)規(guī)劃，大港港區(qū)北側(cè)留有預(yù)留發(fā)展區(qū)，預(yù)留發(fā)展區(qū)與高沙嶺港區(qū)之間有一片水域暫未進行規(guī)劃（簡稱“規(guī)劃條件”）。從長遠來看，未來有可能進行開發(fā)利用，考慮將該水域圍填成陸（簡稱“北側(cè)未來開發(fā)條件”）。

潮流數(shù)學(xué)采用2011年實測大潮作為代表潮型，開展不同港區(qū)口門布置方案的水流條件計算分析。首先對口門防波堤長度進行初步比選，分別考慮防波堤長度（以東防波堤為起算點）為2 km、3 km、4 km、5 km、6 km和7 km，見圖 4（a）。在初步確定合適的口門防波堤長度的基礎(chǔ)上，針對口門建橫堤或束口對口門布置形式進行研究?？陂T橫堤分別考慮橫堤位置距堤頭1.4 km和0.5 km，各方案口門凈寬度均為1 km，見圖4（b）。

圖4 方案平面布置示意圖Fig.4 Sketch of the layout scheme

4 計算成果分析

4.1 不同堤長水流條件分析

圖5給出了口門防波堤長度為4 km時的漲急流場分布。由圖可見，大港港區(qū)口門正對著潮波傳播方向，外海漲、落潮流方向基本與口門防波堤走向平行。規(guī)劃條件下，漲潮流進入港區(qū)并在東港池附近形成回流區(qū)域，港池內(nèi)流速普遍較弱；落潮時，水流流態(tài)較為平順。北側(cè)未來開發(fā)條件下，漲潮期間北側(cè)部分水流經(jīng)口門防波堤挑流后進入港區(qū)，并在港池內(nèi)形成一定范圍的回流。

圖5 堤長4 km方案大潮漲急流態(tài)Fig.5 Themaximum flood situation of the4 km length breakwater scheme

圖6 、圖7分別給出了不同堤長方案漲落潮期間特征流速沿航道中心軸線分布，表2則統(tǒng)計了最大橫流流速及出現(xiàn)位置。由圖表可見在規(guī)劃條件下，口門防波堤長度為2 km時，口門段（航道里程10+000—15+000段）流速相對較大，漲、落潮最大流速分別為0.96 m/s和0.52 m/s；港池內(nèi)流速普遍在0.25m/s以內(nèi)。當(dāng)防波堤長度在3～7 km之間變化時，漲落潮最大流速均在0.90 m/s左右，且在防波堤掩護段流速分布較為均勻，流向基本與航道走向平行。從航道橫流統(tǒng)計結(jié)果來看，口門防波堤長度為2 km時，最大橫流在0.35 m/s左右，出現(xiàn)在11+000處，其余段橫流基本在0.10 m/s以內(nèi)。當(dāng)口門防波堤長度延長至3 km時，橫流明顯減小，最大橫流在0.26 m/s左右。當(dāng)口門防波堤延長至4～7 km時，航道中心軸線沿程橫流分布與防波堤長度為3 km時基本一致。

圖6 不同堤長方案沿航道軸線方向漲潮最大流速分布Fig.6 The flood tidemaximum velocity distribution along the channel axis of different length breakwater schemes

圖7 不同堤長方案航道中心軸線最大橫流流速沿程分布Fig.7 Themaximum cross-flow velocity distribution along the channelcenter axisof different length breakwater schemes

表2 不同方案航道中心軸線最大橫流流速統(tǒng)計表Table 2 The statistical table of themaximum cross-flow velocity along the channelcenter axisof different length breakwater schemes

北側(cè)未來開發(fā)條件下，漲潮期間，隨著口門防波堤的延長，最大流速出現(xiàn)位置相應(yīng)外移并有一定程度增加。防波堤長度分別為2 km、3 km、4 km、5 km、6 km和7 km時，口門附近最大流速分別為 0.94 m/s、1.01 m/s、1.03 m/s、1.05m/s、1.07 m/s和1.08 m/s。落潮期間，最大流速均在0.62 m/s左右。從航道橫流結(jié)果來看，當(dāng)口門防波堤長度2 km時，最大橫流為0.46m/s，出現(xiàn)在11+700處，在口門防波堤堤頭（13+500）附近，最大橫流為0.17 m/s，其余段橫流均在0.10 m/s以內(nèi)。隨著口門防波堤的延長，東港池附近橫流明顯減小，最大橫流在0.20 m/s以內(nèi)，但堤頭挑流作用越明顯?？陂T防波堤長度分別為3 km、4 km、5 km、6 km和7 km時，堤頭附近最大橫流分別為 0.24 m/s、0.29 m/s、0.31 m/s、0.33 m/s 和0.35m/s。

從水流條件角度，考慮天津港總體布局規(guī)劃條件以及北側(cè)未來開發(fā)條件，大港港區(qū)口門防波堤長度不宜低于3 km；同時，在北側(cè)未來開發(fā)條件下，口門防波堤長度在3～7 km之間變化時，防波堤的延長會使口門附近橫流有一定程度的增加。因而，防波堤長度不宜過長。綜合考慮，口門防波堤長度選擇在4～5 km較為合適。4.2 口門布置形式水流條件分析

經(jīng)過初步比選，認(rèn)為口門防波堤長度在4～5 km是較適宜的。在口門防波堤長度為4 km條件下，進一步論證口門布設(shè)橫堤或束口的水流條件。

圖8分別給出了橫堤和束口方案口門附近的漲落急流場分布。由圖可以看到，漲潮期間，橫堤方案由于橫堤距東港池較近，水流在東港池東端形成較為明顯的回流，因而從水流流態(tài)考慮，若要修建橫堤，橫堤不宜太靠近東港池，可以考慮適當(dāng)外移。口門束口方案形成后，在口門附近以及東港池均有明顯回流，從流態(tài)上看，橫堤方案要優(yōu)于束口方案。

圖8 不同口門布置形式大潮漲急流態(tài)Fig.8 Themaximum flood situation of differententrance layout schemes

圖9 給出了橫堤和束口方案最大橫流沿航道中心軸線分布，結(jié)合表2可見，與沒有設(shè)置橫堤或束口相比，主要在東港池對應(yīng)的航道9+000—12+500段，橫流有明顯增加，其余區(qū)域變化不大。其中在9+000—12+500段，橫堤距堤頭1.4 km和0.5 km以及束口方案最大橫流依次為0.46 m/s、0.40 m/s和 0.30m/s。

綜合上述分析，從水流結(jié)果來看，橫堤或束口方案會改變口門附近的水流流態(tài)，并在口門以及東港池附近形成一定區(qū)域回流，增加?xùn)|港池對應(yīng)的航道段的橫流流速，且橫堤方案要優(yōu)于束口方案。橫堤適當(dāng)外移能有效減小東港池的回流強度和范圍，并減小橫流流速。

圖9 不同口門布置形式最大橫流沿航道中心軸線分布Fig.9 Themaximum cross-flow distribution along the channel center axisof differententrance layout schemes

5 結(jié)語

1）綜合規(guī)劃條件以及北側(cè)未來開發(fā)條件，口門防波堤長度選擇在4～5 km較為適宜。

2）按照1 000m凈寬于口門內(nèi)建橫堤或束口方案，從流態(tài)上看建橫堤優(yōu)于束口；橫堤位置應(yīng)適當(dāng)外移，與港池開挖區(qū)保持一定距離，能有效減小東港池的回流強度和范圍。

3）根據(jù)通航水流條件的不同方案比選結(jié)果，建議在防波堤長度4～5 km和（或）口門內(nèi)設(shè)置橫堤的基礎(chǔ)上，再結(jié)合碼頭泊穩(wěn)條件和泥沙沖淤情況來對口門布置進行綜合分析。

[1] 汪德爟.計算水力學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社，1989.WANG De-guan.Computational hydraulics[M].Nanjing:Hohai University Press,1989.

[2] 肖立敏，孫波，韓信，等.天津南港工業(yè)區(qū)港區(qū)口門布置優(yōu)化波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型計算研究報告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2013.XIAO Li-min,SUN Bo,HAN Xin,et al.Report on wave current sedimentmathematicalmodel teston entrance location optimization in Tianjin Nangang Industrial Zone[R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2013.

[3] 孫波，韓信，劉建軍，等.天津港大港港區(qū)口門布置優(yōu)化試驗研究報告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2013.SUN Bo,HAN Xin,LIU Jian-jun,et al.Test report on entrance location optimization in Dagang Harbor of Tianjin Port[R].Nanjing:NanjingHydraulic Research Institute,2013.