盤錦新港區(qū)二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型研究

高祥宇，竇希萍，潘 昀

（南京水利科學(xué)研究院港口航道泥沙工程交通部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029）

盤錦位于遼寧省西南部、渤海北岸、遼河三角洲中心地帶，有118km海岸線，東與鞍山市相連，南鄰遼東灣、營(yíng)口市，西北與錦州市接壤。為了充分利用好營(yíng)口港的貨源、深水泊位、過(guò)駁船舶等資源優(yōu)勢(shì)，營(yíng)口港與盤錦港共同開(kāi)發(fā)建設(shè)盤錦新港區(qū)。新港區(qū)起步和規(guī)劃工程為2萬(wàn)噸級(jí)碼頭和航道，工程區(qū)域?yàn)榉凵仇ね临|(zhì)海岸，東北部為平坦的灘涂，東南部為遼河口西灘，西部有哈利崗子灘 （蓋州灘），工程位置及水文觀測(cè)站布置圖見(jiàn)圖1。本文在海床演變及穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)上，利用平面二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型研究工程實(shí)施后水動(dòng)力場(chǎng)的變化和港池與航道泥沙回淤特征，為盤錦新港區(qū)工程可行性研究提供參考依據(jù)。

圖1 工程位置及水文觀測(cè)站布置圖

1 自然條件

1.1 潮 汐

遼河口潮型屬于不正規(guī)半日潮，其特點(diǎn)是潮差大，且日潮不等顯著。四道溝歷史最高水位5.06m，歷史最低水位為-0.43m，最大潮差4.42m。平均漲潮歷時(shí)5h左右，平均落潮歷時(shí)7～8h，落潮歷時(shí)大于漲潮歷時(shí)。

1.2 潮 流

根據(jù)實(shí)測(cè)垂線 （見(jiàn)圖1）資料分析，漲潮流向?yàn)槠毕?，?22°～58°，落潮流速的流向?yàn)槠舷?，流向?90°左右。漲潮流平均流速最大值1.07m／s，落潮流平均流速最大值0.87m／s，平均落潮流速均小于平均漲潮流速。

1.3 波 浪

擬建港區(qū)外海以風(fēng)浪為主，涌浪較少。波高小于0.5m出現(xiàn)頻率為74.8%，波高大于1.0m出現(xiàn)頻率為3.7%。常浪向?yàn)镾SW，頻率為23.1%；其次為SW向，出現(xiàn)頻率為17.5%。

1.4 泥沙特性及含沙量分布特征

懸移質(zhì)中值粒徑為0.0039～0.0084mm，推移質(zhì)中值粒徑為0.0275～0.0631mm。工程海區(qū)懸沙主要是粉砂和黏土質(zhì)粉砂。表層沉積物的類型有黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂及砂、黏土質(zhì)粉砂。

含沙量的變化范圍為0.001～0.607kg／m3，全潮平均含沙量的變化范圍0.019～0.250kg／m3。平均含沙量與潮汐特征有一定關(guān)系，主要表現(xiàn)為大潮期大，小潮期小。

2 岸灘演變及穩(wěn)定性分析

遼河口位于下遼河平原，在構(gòu)造上屬于新華夏系的第二巨型沉降帶。遙感衛(wèi)片解譯結(jié)果表明，遼河口東岸灘在1958—1977年略有淤長(zhǎng)，平均變化率0.2～0.3m／a，西岸變化不大。1978—1991年，各淺灘沖淤變化較小，除東灘有較大的擴(kuò)張外，西灘略有沖淤變化，兩側(cè)岸邊灘略有沖退。1991—2000年，各淺灘淤漲速度較快，西灘主要西北和西向發(fā)展淤長(zhǎng)。西灘北側(cè)的西水道，在20世紀(jì)80年代，大于0m水深的過(guò)水寬度有2044～3563m，90年代以后，由于心灘發(fā)展，現(xiàn)過(guò)水寬度已大大縮窄，僅有770m左右，西灘小于0m水深的面積從1991年的18.4km2到2000年的30.4km2，增長(zhǎng)了65%，東岸灘以平均每年2.14m的速度向海擴(kuò)張延伸［1-2］。

近年來(lái)工程區(qū)附近岸線基本穩(wěn)定。但在大遼河口附近由于水流條件復(fù)雜，口門處攔門沙復(fù)雜多變，20世紀(jì)60年代河口西灘形成為一整體灘地，把遼河口分為西和南2條入海通道，到了20世紀(jì)90年代，西航道附近西灘被沖刷成若干孤立灘地，而東灘進(jìn)一步淤積增大。近年來(lái)通過(guò)工程的控制基本趨于穩(wěn)定。

工程區(qū)域-10，-5m等深線有逐漸近岸的趨勢(shì)，即水下岸坡呈沖刷動(dòng)態(tài)。蓋州灘東南部近年來(lái)有局部的沖刷，深槽的-10m等深線范圍相對(duì)穩(wěn)定。

3 二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型

3.1 二維潮流泥沙運(yùn)動(dòng)基本方程

在正交曲線坐標(biāo)系ξ-η下，二維潮流泥沙運(yùn)動(dòng)基本方程可表示為如下形式：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

懸移質(zhì)不平衡輸沙方程［3］：

河床變形方程：

式中：γ和γS分別為水和泥沙顆粒容重（kg／m3），HW和T分別為平均波高（m）和周期（s）。α0和β0為待定系數(shù)，模型采用α0=0.023，β0=0.04fw，fw為波浪摩阻系數(shù)。

3.2 模型范圍、地形及網(wǎng)格

數(shù)學(xué)模型采用大小模型 （見(jiàn)圖2）嵌套計(jì)算，大模型為小模型提供水動(dòng)力邊界。小模型范圍南邊從太平角開(kāi)始，西邊界到雙臺(tái)子河口大約距離15km處，北至雙臺(tái)子河口以外13km處，大遼河上游邊界距河口約140多公里。模型大范圍地形采用2005年遼東灣海圖和遼河口海圖，局部采用2006年實(shí)測(cè)水深地形 （見(jiàn)圖3）。模型采用正交曲線網(wǎng)格，大模型最小網(wǎng)格尺度200m，小模型最小網(wǎng)格尺度30m。

圖2 大小模型范圍圖

圖3 小模型地形概化圖

4 潮流泥沙數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

4.1 初邊值條件

邊界條件：大模型外海開(kāi)邊界由東中國(guó)海模型提供的潮位控制，雙臺(tái)子河上游由潮位控制，大遼河上游位于潮區(qū)界以上，因上游徑流量較小，以閉邊界處理。小模型外海邊界由大模型提供，上游邊界跟大模型相同。泥沙模型南邊界給一定值0.1kg／m3，上游和西邊界根據(jù)實(shí)測(cè)資料插值求得。

初始條件：模型采用冷啟動(dòng)方式運(yùn)行，計(jì)算時(shí)取初始流速u0=0和v0=0，初始潮位為常數(shù)，泥沙模型初始含沙量給常數(shù)。模型經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)行，初始條件的影響將會(huì)消除。

4.2 參數(shù)確定

通過(guò)實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證確定模型中參數(shù)。模型采用富裕水深法動(dòng)邊界技術(shù)，富裕水深為0.1m，在計(jì)算中判斷每個(gè)單元的水深，當(dāng)單元水深大于富裕水深時(shí)，將單元開(kāi)放，作為計(jì)算水域，反之，將單元關(guān)閉，置流速于0。紊動(dòng)黏滯系數(shù)E隨網(wǎng)格尺度變化；潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為2.5s；糙率n=0.012+0.01／H～0.025+0.01／H。

泥沙數(shù)學(xué)模型的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為120s；泥沙顆粒容重為2650kg／m3，穩(wěn)定干容重按竇國(guó)仁公式計(jì)算，其中d50為0.0039mm，d25為0.0064mm。泥沙沉降機(jī)率取0.1。

4.3 驗(yàn)證結(jié)果

潮流模型采用實(shí)測(cè)潮位、流速和流向資料進(jìn)行驗(yàn)證，圖4分別為大潮期的潮位、流速和流向?qū)崪y(cè)值與計(jì)算值過(guò)程線對(duì)比圖。從圖4可以看出，實(shí)測(cè)值和模型計(jì)算值吻合良好。說(shuō)明所建潮流模型能夠較好地模擬該海域水動(dòng)力特征。

圖4 大潮期潮位、流速和流向?qū)崪y(cè)值與計(jì)算值對(duì)比圖

泥沙模型采用實(shí)測(cè)含沙量和地形回淤資料進(jìn)行驗(yàn)證。模型模擬了2006年9—10月大潮、中潮和小潮的水沙過(guò)程。圖5和圖6分別為大、小潮含沙量實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比圖，從圖5、6可以看出，含沙量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本一致。測(cè)點(diǎn)YKO1位置在蓋州灘淺灘，在小潮期含沙量受到干擾因素較多，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值個(gè)別時(shí)刻略有偏差。總體上來(lái)看，泥沙模型能模擬該海域的含沙量場(chǎng)。

在工程海域進(jìn)行了試挖槽試驗(yàn)，2007年11月水深由4.0m左右挖至平均水深10.5m，2008年3月進(jìn)行了檢測(cè)。在大約4個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，平均回淤厚度大約0.20m，通過(guò)模型計(jì)算平均回淤厚度0.26m。由于模型在概化地形時(shí)沒(méi)有考慮試挖槽邊坡，概化水深比實(shí)際水深略大，泥沙回淤厚度比實(shí)際值略大。對(duì)于泥沙回淤問(wèn)題來(lái)說(shuō)，模型可以預(yù)報(bào)該海域泥沙回淤情況。

圖5 大潮含沙量驗(yàn)證圖

圖6 小潮含沙量驗(yàn)證圖

5 工程方案計(jì)算結(jié)果分析

5.1 工程方案簡(jiǎn)介

盤錦港新港區(qū)采用分步建設(shè)，起步工程 （見(jiàn)圖7）引堤長(zhǎng)度為5227m，設(shè)有2萬(wàn)噸雜貨和2萬(wàn)噸油品碼頭，碼頭前沿線長(zhǎng)度分別為392，406m；泊位底高程均為-11.5m；港池底高程-9.3m，航道寬為132m，底高程-9.3m，N164°方向航道長(zhǎng)4550m、N32°方向航道長(zhǎng)17048m，部分航道需要開(kāi)挖。

整體工程 （見(jiàn)圖8）在起步工程基礎(chǔ)上進(jìn)行建設(shè)，2條引堤長(zhǎng)分別為6727，3656m；碼頭前沿線總長(zhǎng)約15360m；泊位底高程均為-11.5m；有2個(gè)港池，港池底高程-9.3m；航道寬為266m，底高程-9.3m，N164°方向航道長(zhǎng)3046m、N32°方向航道長(zhǎng)17048m，部分航道需要開(kāi)挖。

圖7 起步工程圖

圖8 整體工程圖

5.2 工程方案對(duì)流場(chǎng)的影響［4］

針對(duì)工程周邊蓋州灘、西灘、雙臺(tái)子河口和深槽主要區(qū)域，通過(guò)比較工程前后最大流速和平均流速，分析工程方案對(duì)流場(chǎng)的影響。

起步工程實(shí)施后，蓋州灘周圍流速增加最大約3cm／s；西灘周圍流速基本沒(méi)有變化；雙臺(tái)子河口西汊道內(nèi)流速?zèng)]有變化，東汊道在碼頭處流速增大，增大最大值約11cm／s，上口流速減小約1cm／s；深槽流速略有增加，增加最大值約5cm／s。

整體工程實(shí)施后，蓋州灘南端流速減小約2cm／s，蓋州灘與碼頭工程之間流速增加最大約8cm／s；西灘周圍流速減小最大約3cm／s；雙臺(tái)子河口西汊道內(nèi)流速增加約1cm／s，東汊道在碼頭處流速增大，增大最大值約14cm／s，上口流速略有減小約2cm／s；深槽流速增加最大值約7cm／s。

從工程對(duì)周邊區(qū)域影響來(lái)看，工程設(shè)施后對(duì)西灘和雙臺(tái)子河西汊道影響較小，雙臺(tái)子河口東汊道上口流速減小，在碼頭周邊流速增大；蓋州灘北邊水域和深槽流速略有增加。

5.3 工程實(shí)施后泥沙回淤計(jì)算［4］

分別預(yù)報(bào)工程實(shí)施后正常天氣和大風(fēng)天氣下的泥沙回淤情況。正常天氣采用2006年10月潮流作為潮動(dòng)力條件，考慮波浪1a內(nèi)發(fā)生1次 （12h）重現(xiàn)期5a的波浪，預(yù)報(bào)泥沙年回淤情況。大風(fēng)天采用大潮和中潮潮流過(guò)程，波浪條件取重現(xiàn)期50a的有效波高，預(yù)報(bào)6d潮流過(guò)程中大浪作用1d的泥沙回淤情況。波浪要素通過(guò)波浪折射繞射數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到。

表1和表2分別為起步方案和整體方案實(shí)施后泥沙回淤特征，具體回淤統(tǒng)計(jì)位置見(jiàn)圖8、9。從表1、2可以看出：起步方案實(shí)施后，正常天氣下，港池和泊位區(qū)泥沙平均回淤厚度最大0.76m／a，航道泥沙最大回淤厚度0.54m／a，泥沙回淤總量約32.15萬(wàn) m3／a；大風(fēng)作用1d，大、中潮6d后泥沙回淤厚度最大約0.37m，泥沙回淤量為11.84萬(wàn)m3／a。整體工程實(shí)施后形成環(huán)抱試港池，正常天氣下，港池和泊位區(qū)泥沙平均回淤厚度最大0.42m／a，航道泥沙回淤厚度0.44m／a，泥沙回淤總量約187.41萬(wàn)m3／a；大風(fēng)作用1d，大、中潮6d后泥沙回淤厚度最大約0.14m，泥沙回淤量為46.44萬(wàn)m3／a。

表1 起步方案泥沙回淤統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié) 語(yǔ)

工程所在海域近20a來(lái)岸灘基本穩(wěn)定。所建二維潮流泥沙模型能較好的模擬該海域的水動(dòng)力和泥沙運(yùn)動(dòng)特征。工程實(shí)施后對(duì)周邊水動(dòng)力場(chǎng)影響有限。起步方案為開(kāi)敞式港池，泥沙回淤厚度相對(duì)較大，港池、泊位的回淤厚度大于航道回淤厚度，整體方案為環(huán)抱式港池，泥沙回淤厚度相對(duì)較小，港池、泊位的回淤厚度小于航道回淤厚度。起步和整體方案實(shí)施后，在正常天氣下，港池、泊位和航道泥沙年回淤總量分別為32.15萬(wàn)，187.14萬(wàn)m3。大風(fēng)作用1d，大、中潮6d后，港池、泊位和航道泥沙回淤量分別為11.84萬(wàn)，46.44萬(wàn)m3。

［1］劉雅萍，章吉吉.遼河口水沙演變特性 ［J］.東北水利水電，2005，23（253）：38-40.

［2］熊敬東，辛光.大遼河口岸線與灘槽平面形態(tài)及其演變 ［J］.中國(guó)科技信息，2007（6）：39-40.

［3］Dou Xiping，li Tilai.Numerical Model of Total Sediment Transport in The Yangtze Estury ［J］.China Ocean Engineering，1999，13（3）：277-286.

［4］南京水利科學(xué)研究院.盤錦港新港區(qū)平面二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型研究報(bào)告 ［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2008.