基于三維數(shù)模對連云港港連云港區(qū)回淤強(qiáng)度的研究

程 達(dá)，趙張益，龐啟秀，溫春鵬，張瑞波

(1.連云港港口控股集團(tuán)有限公司，連云港 222042；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

圖1 連云港區(qū)水深示意圖Fig.1 Sketch of water depth in Lianyungang port

淤泥質(zhì)海岸環(huán)抱式港口的回淤強(qiáng)度與進(jìn)港水體含沙量、港池開挖水深、港內(nèi)淺灘水域面積以及工程建設(shè)等因素有關(guān)[1]。連云港區(qū)分為旗臺、廟嶺以及墟溝港區(qū)三大主要生產(chǎn)作業(yè)區(qū)，其中港池和泊位水深-8～-20 m，淺灘水深-2～-8 m，口門附近水深-12 m(詳見圖1)。伴隨著連云港港連云港區(qū)工程的建設(shè)以及旗臺防波堤的建成，連云港區(qū)已成為典型的淤泥質(zhì)海岸環(huán)抱式港口，其布局和規(guī)劃與早期有較大不同，港內(nèi)泥沙環(huán)境也發(fā)生了較大改變。目前，連云港港區(qū)每季度進(jìn)行一次全港的水深測量工作，從2015～2017年的測圖可知，港區(qū)的月均淤強(qiáng)在0.03～0.06 m之間，最大為0.07 m，與早期研究成果“每月淤強(qiáng)10 cm”有較大差異。為了在不增加測量頻次的基礎(chǔ)上合理推算出各個時期，特別是每季度水深測量間隙港區(qū)回淤強(qiáng)度，科學(xué)、安全地為港口生產(chǎn)服務(wù)，本研究將基于三維數(shù)模方法對連云港港連云港區(qū)回淤強(qiáng)度進(jìn)行研究。

1 三維數(shù)模的建立與驗(yàn)證

1.1 模型構(gòu)成

根據(jù)連云港海域的自然條件及泥沙運(yùn)動特點(diǎn)，采用下列數(shù)學(xué)模型。

1.1.1 三維水動力模型

三維潮流場計(jì)算采用FVCOM(Finite Volume Coastal Ocean Model)模型[2]，其控制方程如下

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：x，y和z為笛卡爾坐標(biāo)系下的東西向、南北向以及垂向的坐標(biāo)；u，v和w分別為x，y和z軸的速度分量；g為重力加速度；t為時間；ρ為密度；p為壓力；f為科氏力參數(shù)；Km為垂向渦粘系數(shù)；Fu和Fv為水平動量擴(kuò)散項(xiàng)；Kh為熱力垂向渦粘系數(shù)。

垂向采用σ坐標(biāo)變換

(5)

式中：ζ為自由表面；H為海床相對于基準(zhǔn)面的距離。

水動力方程中的渦粘系數(shù)通過求解紊流模型獲得。本研究選用目前三維水動力模式中應(yīng)用廣泛的Mellor-Yamada 2.5階模式[3]，該模式考慮了紊動動能和混合長度局部變化率，紊流能量的水平和垂直輸送以及紊流能量的垂直擴(kuò)散。

當(dāng)有大風(fēng)或臺風(fēng)發(fā)生時，利用天氣研究與預(yù)報(bào)模型WRF(Weather Research and Forcasting Model)[4]以及SWAN(Simulating Waves Neashore)模型[5]分別計(jì)算對應(yīng)的風(fēng)場和波浪場，并為水動力泥沙模型提供相應(yīng)的動力參數(shù)，如風(fēng)速、風(fēng)向、波高、波向等。

1.1.2 三維泥沙運(yùn)動模型

(1)控制方程。

① 控制方程

粘性泥沙運(yùn)動以懸移質(zhì)為主，控制方程為懸移質(zhì)三維對流擴(kuò)散方程

(6)

式中：AH和Kh分別為水平和垂向擴(kuò)散系數(shù)；C為懸泥濃度；ws為泥沙沉速。

② 邊界條件

自由水面要求含沙量的凈通量為零，即在z=ζ時

(7)

底部邊界條件表示為

(8)

式中：E和D分別為淤積率和沖刷率，其計(jì)算方法分別采用Ariathurai和Arulanandan[6]與Krone公式[7]。泥沙參數(shù)根據(jù)數(shù)模驗(yàn)證情況，沖刷系數(shù)取0.000 1～0.000 5；泥沙的臨界沖刷應(yīng)力在各區(qū)域采用不同的值，連云港以北區(qū)域0.2 N/m2，連云港以南區(qū)域取1.2 N/m2，泥沙沉積的臨界應(yīng)力取值同臨界沖刷應(yīng)力。

(2)泥沙沉降速度。

淤泥質(zhì)河口海岸地區(qū)的粘性泥沙沉速受水體紊動、含沙量、溫度、鹽度等多種因素的影響。本研究采用Hwang的沉速公式[8]

(9)

式中：a，b，m，n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，分別取為1.05，0.58，2.37，4。上式考慮了含沙量對沉速的影響，且能夠描述粘性泥沙的制約沉降過程。

(3)沖淤模型。

采用以下公式計(jì)算沖淤強(qiáng)度

(10)

式中：F為底床泥沙凈通量；γs為泥沙干容重，取629 kg/m3；zb為計(jì)算時間T內(nèi)的沖淤強(qiáng)度。

1.2 模型建立

2-a 大模型 2-b 小模型圖2 二維模型計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 2D model computing grid

采用三維大、小模型嵌套計(jì)算的方法進(jìn)行計(jì)算，大范圍模型主要為小范圍模型提供合理的邊界條件。

大模型(圖2-a)區(qū)域囊括整個黃海和渤海，向南至浙江寧波(北緯29.5°)，大模型外海開邊界西起浙江寧波(東經(jīng)122°)，東至韓國(東經(jīng)128°)，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在工程區(qū)附近局部加密，網(wǎng)格空間步長最大為2 000 m，最小為125 m，模型采用曲線開邊界以較好地模擬開邊界與岸線交界處的潮流情況。小模型(圖2-b)范圍北起35°25′N，南至34°26′N，東至120°07′E，同樣采用局部加密的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和曲線開邊界，網(wǎng)格空間步長最大為1 500 m，最小為20 m。

圖3 連云港港連云港區(qū)2016年11月大潮測站位置示意圖Fig.3 Sketch of station location in Lianyungang port area(2016-11)

1.3 模型驗(yàn)證

采用2016年11月大潮水文資料(1個潮位測站，6個潮流和含沙量測站，圖3)對正常天氣下模型結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，其中圖5～圖7分別給出了潮位、流速、流向和含沙量驗(yàn)證情況。采用2007年9月“韋帕”臺風(fēng)期間的風(fēng)、浪、泥沙回淤資料對臺風(fēng)天氣下模型結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證(測站位置如圖4所示)，其中圖8～圖10分別給出-5 m等深線處測站的風(fēng)速、風(fēng)向、波高、泥沙回淤驗(yàn)證情況。限于篇幅，本文中只展示了1個測站的驗(yàn)證過程，其余測站驗(yàn)證過程，請參閱文獻(xiàn)[9]。

可見，本次計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合程度良好，工程水域內(nèi)絕大部分測點(diǎn)驗(yàn)證結(jié)果符合交通運(yùn)輸部《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》的要求，所建模型比較全面地反映了研究海域的水動力和泥沙運(yùn)動規(guī)律，可進(jìn)一步分析港區(qū)流場及回淤情況。

圖4 連云港港2007年9月測站位置示意圖Fig.4 Sketch of station location in Lianyungang port (2007-09)圖5 2016年11月潮位驗(yàn)證Fig.5 Tidal level verification(2016-11)

圖6 2016年11月D2站大潮流速流向驗(yàn)證Fig.6 Current verification of station D2(2016-11)

圖7 2016年11月D2站大潮含沙量驗(yàn)證Fig.7 Sediment concentration verification of station D2(2016-11)

圖8 韋帕臺風(fēng)期間連云港測站點(diǎn)的風(fēng)速風(fēng)向驗(yàn)證結(jié)果Fig.8 Wind speed and direction validation of Typhoon Wipha in Lianyungang port

圖9 韋帕臺風(fēng)期間連云港-5 m測站點(diǎn)的波高驗(yàn)證結(jié)果Fig.9 Wave height verification of Typhoon Wipha in Lianyungang port(-5 m)圖10 韋帕臺風(fēng)期間航道淤強(qiáng)沿程分布驗(yàn)證Fig.10 Verification of channel siltation intensity of Typhoon Wipha

2 流場分析

從圖11可知，連云港海域的流速分布，總體上由近岸水域向外海側(cè)逐漸增大，靠近港區(qū)圍堤及防波堤附近的水流受挑流作用，流速相對較大。漲潮流速大于落潮流速。

連云港區(qū)流速最大的區(qū)域位于港區(qū)口門附近，最大流速能達(dá)到1 m/s，越向港內(nèi)，流速越小。連云港區(qū)口門附近出現(xiàn)較為明顯的順時針環(huán)流，主要發(fā)生在漲轉(zhuǎn)落的時間段。港內(nèi)除口門附近外，基本呈現(xiàn)往復(fù)流特性，流速整體都較小，而且越向港內(nèi)，流速越小。墟溝、廟嶺港區(qū)流速很小，僅靠自然流速，局部泥沙將難以起動，這些區(qū)域的淤積主要是漲潮流攜帶的泥沙造成。

11-a 漲急時刻 11-b 落急時刻圖11 特征時刻流場Fig.11 Flow field of characteristic time

3 港區(qū)回淤強(qiáng)度

3.1 月度動力條件下計(jì)算結(jié)果

由于連云港地區(qū)水體含沙量季節(jié)性變化明顯，其中，夏季風(fēng)速小，且盛行離岸向的東南風(fēng)，含沙量低；冬季風(fēng)速大，以西北向向岸風(fēng)為主，含沙量高。所以為偏安全考慮，采用2016年11月中旬～12月中旬的潮流及該時段的風(fēng)況(期間發(fā)生了6級風(fēng))作為月度動力條件，利用經(jīng)驗(yàn)證的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算連云港區(qū)月淤積分布情況。港區(qū)回淤分布如圖12。從圖可知，港區(qū)淤積分布呈現(xiàn)口門附近較大，港池內(nèi)部逐漸減小的分布趨勢，而且航道淤厚普遍大于周邊灘地。從淤積量值來看，墟溝港區(qū)淤厚在0.02～0.03 m之間；廟嶺港區(qū)淤厚在0.03～0.04 m之間；旗臺港區(qū)航道淤厚在0.05～0.08 m之間，港池淤厚在0.03～0.06 m之間。

3.2 臺風(fēng)條件下計(jì)算結(jié)果

為了合理確定極端天氣條件下的港區(qū)回淤強(qiáng)度，利用經(jīng)驗(yàn)證的數(shù)學(xué)模型，采用“韋帕”臺風(fēng)及有代表性潮動力(為了合理反映臺風(fēng)發(fā)展過程，計(jì)算時間為96 h)[10]，計(jì)算連云港區(qū)在臺風(fēng)條件下的淤積分布情況。港區(qū)回淤分布如圖13。從圖表可知，在臺風(fēng)作用下，港區(qū)淤積分布呈現(xiàn)口門附近較大，港池內(nèi)部逐漸減小的分布趨勢，而且航道淤厚普遍大于周邊灘地，從淤積量值來看，在“韋帕”臺風(fēng)作用下，墟溝港區(qū)淤厚在0.03～0.05 m之間；廟嶺港區(qū)淤厚在0.05～0.06 m之間；旗臺港區(qū)航道淤厚在0.10～0.20 m之間，港池淤厚在0.05～0.11 m之間。需要指出，“韋帕”臺風(fēng)[11]雖然最大風(fēng)力只有8級，但由于作用時間較長，導(dǎo)致港區(qū)的淤積厚度也較大。

圖12 港區(qū)月度淤積分布圖 Fig.12 Monthly siltation distribution 圖13 港區(qū)韋帕臺風(fēng)后淤積分布圖Fig.13 Siltation distribution after Typhoon Wipha

4 淤積原因分析

連云港區(qū)為環(huán)抱式港區(qū)，在潮汐作用下，口門外含沙水體隨漲潮水流進(jìn)入港內(nèi)，由于流速從口門向港內(nèi)逐漸較小，加上口門環(huán)流，進(jìn)入港區(qū)的含沙水體中粒徑較粗的泥沙將有大部分先落淤下來，較細(xì)顆粒的泥沙也逐漸落淤；落潮期間，由于落潮流速小于漲潮流速，港內(nèi)水體中未落淤的泥沙仍沿程落淤。因此，漲落潮過程中引起的懸沙落淤是港內(nèi)淤積的主要形態(tài)。在上述動力條件下，淤強(qiáng)沿港內(nèi)縱斷面呈現(xiàn)出口門附近的淤積厚度最大，口門以內(nèi)淤積厚度向港內(nèi)逐漸減小的分布趨勢。

而在大風(fēng)浪作用下，口門外大范圍泥沙發(fā)生懸浮，同時由于泥沙較細(xì)，被掀起的泥沙在潮流作用下被輸向外?；蛳蚪遁斠?，其中向近岸輸移的部分泥沙進(jìn)入港區(qū)造成港區(qū)淤積。而且當(dāng)波浪強(qiáng)度較小時，港區(qū)淤積較??；當(dāng)波浪強(qiáng)度較大時，港區(qū)淤積增大，與實(shí)測資料吻合。

綜上所述，港區(qū)的泥沙主要來源于近岸淺灘泥沙，造成港區(qū)泥沙淤積的主要動力因素是波浪和潮流的共同作用。

5 結(jié)論

(1)港區(qū)的泥沙主要來源于近岸淺灘泥沙，在風(fēng)浪潮流共同作用下泥沙懸揚(yáng)、搬移，懸沙沿程逐漸落淤，造成港池航道淤積，因此，港內(nèi)的淤積呈現(xiàn)口門處最大、口門內(nèi)淤積厚度逐漸減小的分布趨勢。

(2)通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算，確定了旗臺、廟嶺及墟溝港區(qū)的月淤積強(qiáng)度分別為0.08 m、0.06 m以及0.04 m；另外，大風(fēng)或臺風(fēng)天氣情況下，港區(qū)的淤積會加重，可參照前文計(jì)算結(jié)果對各港區(qū)回淤強(qiáng)度進(jìn)行修訂。