如東洋口港15萬噸級航道工程水沙模型數(shù)值模擬及回淤量分析

王 磊

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210019)

如東海域近岸淺灘平緩開闊，岸外瀕臨深水潮汐通道，航道條件得天獨(dú)厚。2007年，太陽沙人工島建成，同時將爛沙洋南水道疏浚建設(shè)成10萬t級航道[1-4]。目前，隨著洋口港航運(yùn)倉儲業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，以及船舶大型化的發(fā)展趨勢，亟需提高洋口港疏港航道條件，提高航道等級。洋口港擬在爛沙洋北水道建設(shè)15萬t級航道，以保證洋口港海域能滿足15萬t級貨船航運(yùn)要求[5-7]。根據(jù)工程方案，航道底標(biāo)高將疏浚至-15.8 m，擬疏浚航道全長36.1 km，疏浚面積12.01 km2，疏浚量2.77×107m3。為給疏浚后航道穩(wěn)定性提供依據(jù)(見圖1)，本文擬建立太陽沙人工島附近30 km范圍內(nèi)的三維水沙數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)地研究工程河段開挖后的潮流特征，對工程后主航道回淤量進(jìn)行預(yù)測。

圖1工程地理位置及方案布置示意圖

1 工程海域水文泥沙條件

1.1 潮汐與潮流特征

根據(jù)工程海域近十年的實(shí)測水文資料[6-9]，爛沙洋海域潮汐周期為12 h，且漲潮與落潮過程流速呈鏡像分布。工程海域?yàn)樘窖髢纱蟪辈ㄏ到y(tǒng)輻合交匯區(qū)域，綜合南通外海岸略微內(nèi)凹的地形阻擋作用，工程外海區(qū)域潮波呈輻射狀旋轉(zhuǎn)流。在沙洲之間的狹長海道，水流流向受潮汐影響，呈往復(fù)流狀態(tài)。工程海域潮位特征值見表1。

表1 工程海域潮位特征值

1.2 風(fēng)況特征

文獻(xiàn)[6]對南通外海近三十年風(fēng)向做了系統(tǒng)統(tǒng)計、分析。其中，工程海域主要風(fēng)向?yàn)镋SE，近三十年出現(xiàn)的頻率為9.15%；其次主要風(fēng)向有SE(8.75%)和NNE(7.25%)。工程海域最大風(fēng)速為20 m/s(風(fēng)向?yàn)镋SE)，平均風(fēng)速為6.75 m/s。

1.3 含沙量特征

根據(jù)2015年對工程海域5條垂線大小潮含沙量觀測資料顯示，工程區(qū)各側(cè)大潮平均含沙量為0.3 kg/m3～0.5 kg/m3，小潮0.1 kg/m3左右。

同時，含沙量沿垂線分布逐漸減小，其中大潮情況下，底層含沙量為表層含沙量的2.75倍，小潮情況下為1.22倍。表明大潮期間因流速顯著大于小潮，海床與水體間的泥沙交換活躍，近底層含沙量相對較高，水體泥沙均表現(xiàn)出有較多當(dāng)?shù)叵茡P(yáng)泥沙參與的特點(diǎn)。

2 三維水沙數(shù)學(xué)模型建立

考慮到洋口港區(qū)位于兩大潮波系統(tǒng)交匯區(qū)，潮流場呈輻射狀、水沙情況復(fù)雜的特性，本文研究采用大范圍潮波模型與工程海域三維水沙計算模型結(jié)合的方法。首先根據(jù)文獻(xiàn)[10-12]中建立的東中國海潮波數(shù)學(xué)模型，對兩大潮波系統(tǒng)在南通如東海岸外輻合的潮波運(yùn)動進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，將本工程海域的水文泥沙條件、邊界條件、相關(guān)模型參數(shù)代入，建立洋口港小范圍海域的三維潮流泥沙計算模型。

2.1 工程海域水沙數(shù)學(xué)模型建立

(1) 控制方程[13]

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：t為模型計算時間；u、v分別為潮流流速沿x、y方向的分量；h為無波浪情況下的靜水深；ζ為波浪作用引起的水位變化值；f為柯氏參數(shù)；g為重力加速度；Ex、Ey分別為風(fēng)荷載黏性系數(shù)在x、y方向的取值；τbx、τby分別為潮流剪應(yīng)力沿x、y方向的分量。

(2) 懸沙質(zhì)輸移擴(kuò)散方程[11]

(5)

式中：Dx、Dy分別為泥沙擴(kuò)散系數(shù)沿x、y方向的取值；s為含沙量；Fs為底部沖刷函數(shù)，采用切應(yīng)力理論表達(dá)式如下：

底部沖刷函數(shù)采用切應(yīng)力概念，F(xiàn)s可表示為：

(6)

式中：A、B均為待定系數(shù)，按照文獻(xiàn)[14]中條件進(jìn)行取值。

(3) 波浪共同作用下的底部切應(yīng)力[15]

波流共同作用下底部切應(yīng)力可用下式表示：

(7)

式中：fcw為波流綜合摩阻系數(shù)；ucw為波流綜合流速，m/s；fcw、ucw可分別表示為：

(8)

(9)

2.2 模型計算條件及相關(guān)參數(shù)選取說明

模型范圍北部邊界至蔣家沙；西邊界至洋口閘；東邊界至-30 m水深外海區(qū)域；南邊界至通口閘。本工程位于整個計算模型范圍中間。為保證模型計算的精確性，計算網(wǎng)格采用三角網(wǎng)格，網(wǎng)格間距設(shè)為200 m，工程區(qū)域采用加密設(shè)置，網(wǎng)格間距采用30 m(見圖2)。

根據(jù)率定，模型特征參數(shù)分區(qū)域設(shè)置，其中糙率取值范圍為0.017～0.047；泥沙中值粒徑為0.11 m；泥沙起動流速為0.9 m/s；泥沙起動波高為2.82 m；紊動能系數(shù)取值范圍為0.29～0.72；渦黏性系數(shù)取值范圍為2.2～25.0。模型計算時間步長為30 s。

2.3 模型驗(yàn)證

在工程海域選擇17個采樣點(diǎn)，分析各采樣點(diǎn)在大潮、小潮的實(shí)測值與計算值，結(jié)果顯示，潮位的計算誤差均在3%以內(nèi)，流速的計算誤差均在10%以內(nèi)，流向的計算誤差均在1%以內(nèi)，含沙量的計算誤差均在10%以內(nèi)?？梢姳疚乃⒌臄?shù)學(xué)模型與工程海域?qū)嶋H情況較為吻合，能較好反映實(shí)際潮流、泥沙特征。

選擇5#特征點(diǎn)為代表，將5#特征點(diǎn)模型驗(yàn)證結(jié)果列于表2。

圖2 模型計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

3 模型計算結(jié)果分析

3.1 東中國海潮波模型模擬結(jié)果

東中國海潮波模型模擬結(jié)果見圖3，分析可知：太平洋潮波以前進(jìn)波形式穿越琉球群島，進(jìn)入中國東海，其等振幅線與同潮時線斜交。從臺灣海峽北上的潮波在黃海附近與太平洋西進(jìn)的潮波疊加，并受山東半島凹進(jìn)岸線的阻擋反射，形成復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)，該潮波系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)樽笮?，并衍射至長江入?？谌侵?。本工程海域也在衍射范圍內(nèi)，受兩個潮波系統(tǒng)輻合作用，形成輻射狀潮汐流場，潮流、泥沙特征十分復(fù)雜。

3.2 工程海域潮流特征分析

將工程前后海域潮流特征流場分布繪于圖4，分析可知：工程海域的潮流周期為12 h，為典型的半日潮。工程海域潮流運(yùn)動受風(fēng)向以及近岸輻射狀沙洲地形綜合影響，其中，南、中、北三個水道的潮流分布呈橢圓狀，潮流流向受南北兩側(cè)沙洲引導(dǎo)，與深槽方向趨近，且流向受潮汐影響，呈往復(fù)流特征。潮流傳遞呈典型駐波狀態(tài)。

漲潮狀態(tài)下，工程海域的潮流受近岸輻射狀沙洲地形引導(dǎo)，潮流自東向西進(jìn)入工程海域。隨著潮位不斷上漲，在中潮時，北水道的潮流流速達(dá)到最大值(1.49 m/s)，且西側(cè)的部分淺灘逐漸變淹沒。隨著潮位的不斷升高，此時深槽內(nèi)的水流動力已經(jīng)逐漸減弱，流速開始逐漸變小。

落潮狀態(tài)下，北水道的潮流自西向東流向爛沙洋深海區(qū)域。在落潮初期，北水道的水位高、水深大，潮流流速及水動力較低；隨著潮位的不斷下落，漫灘的水流順坡向匯入深槽，且沿著主流方向匯入外海，此時深槽流向與深槽走向一致，淺灘的流向主要受淺灘區(qū)坡度影響；在中潮時刻，深槽內(nèi)部水流流速達(dá)到最大(1.41 m/s)，深槽的水動力也達(dá)到峰值；隨著潮位繼續(xù)下降；工程區(qū)域部分淺灘凸出水面，工程海域潮流流速進(jìn)一步減小。

圖3 東中國海潮波模型模擬結(jié)果

圖4工程前后潮流特征分析

進(jìn)一步分析工程海域潮流具有以下特征：

(1) 工程區(qū)水流自深水向近岸，漲、落潮流相對強(qiáng)弱有較明顯不同。深水區(qū)漲潮流相對較強(qiáng)，且潮流場為受潮汐影響的往復(fù)流；淺水區(qū)則相反，深水區(qū)落潮流相對較弱，潮流為漲潮狀態(tài)下逐步漫灘，落潮狀態(tài)下歸槽，流向主要受坡度影響。

(2) 潮流的強(qiáng)弱分布受地形影響且較為穩(wěn)定，其中深槽區(qū)流速顯著大于沙洲及淺灘區(qū)流速。

(3) 漲潮漫灘和落潮歸潮流均大部分來自和匯入爛沙洋尾部深槽。

3.3 疏浚后航道的水流特征

在航道區(qū)域取18個采樣點(diǎn)，分析工程后沿深槽方向水流分布特征。將各采樣點(diǎn)橫流分布繪于圖5，同時由于篇幅有限，將部分采樣點(diǎn)的特征流速、流向統(tǒng)計值列于表3。

由圖5、表3可以看出，在各潮汐狀態(tài)下，本工程主航道流向在93°～281°范圍內(nèi)；潮流流向與深槽中心線交角在5°～16°范圍內(nèi)，水流總體較為平順，沒有散流、亂流現(xiàn)象。本工程主航道深槽最大流速為1.49 m/s；最大橫流為0.12 m/s～0.25 m/s。總體來看，主航道流場較為平順，流速較小，滿足15萬t 船舶的通航要求。

圖5 15萬t級航道采樣點(diǎn)分布及沿程最大橫流值

3.4 疏浚后航道的回淤量計算

根據(jù)文獻(xiàn)[5]中相關(guān)資料，工程海域海床中值粒徑分別為D50在0.111 m左右，但含泥量均較低，不超過5%，航道區(qū)為粉沙質(zhì)海床，干密度為2 620 kg/m3。航道區(qū)-10 m以上深槽的起動流速約0.8 m/s～0.9 m/s，-10 m以深的泥沙起動波高不小于2.9 m。根據(jù)海域?qū)崪y潮流資料，本工程航道深槽在大潮狀態(tài)下垂向平均流速均在0.72 m/s以上(0.72 m/s～1.50 m/s)；中潮平均流速在0.7 m/s左右(0.6 m/s～1.0 m/s)；在小潮狀態(tài)下垂向平均流速均小于0.55 m/s(0.42 m/s～0.55 m/s)，在大潮狀態(tài)下航道底部泥沙能起動，且向深槽遷移運(yùn)動劇烈。

計算結(jié)果顯示年平均波浪作用下，工程區(qū)平均含沙量約為0.2 kg/m3～0.3 kg/m3；15萬t級航道完成(開挖至水深15.8 m)后，最大淤積強(qiáng)度為0.92 m/a，平均淤積強(qiáng)度為0.6 m/a左右(見圖6)。進(jìn)一步統(tǒng)計，工程后，航道內(nèi)泥沙年回淤總量約415.2萬m3，淤積強(qiáng)度較大。

圖6工程后泥沙含量分布及年淤積量計算

4 結(jié) 論

本文基于實(shí)測水下地形和水文資料，建立了如東洋口港15萬t級航道工程海域的三維潮流、泥沙數(shù)值模型，對工程海域的潮流分布、泥沙特性做了系統(tǒng)分析，得到以下結(jié)論：

(1) 工程海域的潮流周期為12 h，為典型的半日潮。工程海域潮流運(yùn)動受風(fēng)向以及近岸輻射狀沙洲地形綜合影響，其中，南、中、北三個水道的潮流分布呈橢圓狀，潮流流向受南北兩側(cè)沙洲引導(dǎo)，與深槽方向趨近，且流向受潮汐影響，呈往復(fù)流特征。潮流傳遞呈典型駐波狀態(tài)。

(2) 本工程15萬t級航道只是對爛沙洋北水道水深較淺區(qū)域進(jìn)行浚深，對工程區(qū)海域水動力及水道穩(wěn)定性影響較小，工程后不會影響爛沙洋北、中、南三水道的整體流場格局。

(3) 工程后航道內(nèi)最大淤積強(qiáng)度為0.9 m/a，平均淤積強(qiáng)度為0.6 m/a左右。年淤積總量為415.2萬m3，淤積強(qiáng)度較大。

根據(jù)對工程海域垂線泥沙分布特性分析，工程后在潮流作用下，工程區(qū)近底流速增大，超過起動流速，底沙在近底潮流拖曳、上舉作用下向凹槽區(qū)運(yùn)動、遷移，造成航道主槽淤積。由于工程海域水體含沙量較大、泥沙回淤速度較快，建議在主航槽兩岸設(shè)置擋沙堤，對主航道進(jìn)行必要的掩護(hù)。