日照豪邁碼頭港池布局對(duì)泥沙輸移影響研究?

王春玲， 武雅潔,2??， 董啟濤,3, 陳玉潔

(1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.中國(guó)海洋大學(xué)山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；3.青島市水利建設(shè)監(jiān)理有限公司，山東 青島 266071)

豪邁重工臨港廠區(qū)運(yùn)輸碼頭位于山東省日照市日照經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)南部，緊靠日照港南面，工程海域?yàn)樯百|(zhì)海岸。豪邁重工臨港廠區(qū)運(yùn)輸碼頭改造工程擬在現(xiàn)有的港池基礎(chǔ)上確定不同防波堤開(kāi)口方向及航道規(guī)劃下港池和航道回淤情況，而泥沙淤積問(wèn)題一直是影響通航能力和投資建設(shè)的關(guān)鍵因素[1]，因此建立工程區(qū)域潮流泥沙的數(shù)學(xué)模型是必要的。中國(guó)學(xué)者對(duì)碼頭附近潮流特性和泥沙輸移作了一些研究工作。成積禧等分析研究了日照港水域水動(dòng)力及港區(qū)回淤情況[2]；胡金春等針對(duì)石臼灣研究當(dāng)?shù)啬嗌齿斠魄闆r，為港池、航道的沖淤計(jì)算提供依據(jù)[3]。

MIKE21是丹麥水力學(xué)研究所研發(fā)的二維數(shù)學(xué)模擬軟件，應(yīng)用于河口、海灣以及海洋近岸區(qū)域的水流及水環(huán)境的數(shù)值模擬[4]，可為工程應(yīng)用、海岸及規(guī)劃提供完備、有效的設(shè)計(jì)條件和參數(shù)[5]。該軟件已在國(guó)內(nèi)外工程中得到廣泛應(yīng)用，如：南水北調(diào)工程[6]、三峽庫(kù)區(qū)排污數(shù)值模擬[7]、維斯瓦河鹽度分析[8]、法國(guó)瓦河地貌變化分析[9]等。MIKE21FM是一個(gè)基于三角形不規(guī)則網(wǎng)格的數(shù)值模擬工具[10]，由于其網(wǎng)格的靈活性，在地形較為復(fù)雜的區(qū)域具有較好優(yōu)勢(shì)，例如模擬岸線彎曲的情況[11]，也可在研究的重點(diǎn)區(qū)域局部網(wǎng)格加密，計(jì)算結(jié)果可信，后處理功能強(qiáng)大。

本文以豪邁重工臨港廠區(qū)運(yùn)輸碼頭改造工程為背景，建立潮流與波浪耦合作用下的泥沙沖淤數(shù)值模型，分析碼頭在不同規(guī)劃方案下水動(dòng)力環(huán)境以及泥沙沖淤情況，探索港池布局對(duì)周邊海域流場(chǎng)及泥沙輸移的影響情況，為后續(xù)開(kāi)展工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 模型介紹與設(shè)置

1.1 控制方程與定解條件

1.1.1 控制方程 本文基于MIKE21/3 Integrated Model建立潮流和波浪耦合作用下的泥沙輸移數(shù)值模型，其子模塊在空間上采用有限體積法進(jìn)行離散計(jì)算，在時(shí)間上采用顯性歐拉法進(jìn)行離散計(jì)算，控制方程[12]如下：

二維深度平均淺水方程：

(1)

(2)

(3)

泥沙輸移控制方程：

(4)

波作用守恒方程：

(5)

1.1.2 定解條件 初始條件：

(6)

邊界條件：對(duì)開(kāi)邊界，采用預(yù)報(bào)潮位條件；對(duì)水陸邊界，采用法向流速為零條件；對(duì)潮灘區(qū)，采用干濕邊界處理。

1.2 模型建立與參數(shù)設(shè)置

1.2.1 計(jì)算范圍和網(wǎng)格設(shè)置 本文所建立的數(shù)值模型計(jì)算域范圍如圖1所示，地理位置為119°24′E～119°37′12″E，35°13′48″N～35°24′36″N之間，計(jì)算區(qū)域東西寬約20.46 km，南北長(zhǎng)約19.8 km。為了能較好擬合地形邊界，模型采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，同時(shí)為了更清楚地了解工程區(qū)域所在區(qū)域的水動(dòng)力條件，工程區(qū)域進(jìn)行局部加密，見(jiàn)圖2。工程區(qū)域最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)約為16 m，最大網(wǎng)格邊長(zhǎng)約為988 m。

1.2.2 模型開(kāi)邊界輸入 潮流模型的開(kāi)邊界條件為MIKE21軟件包自帶的用戶自定義導(dǎo)出的潮位過(guò)程，用戶自定義所需的參數(shù)包括潮汐的分潮、振幅和遲角，模型考慮4個(gè)主要分潮K1,M2,O1,S2，調(diào)和常數(shù)從NAO.99b tidal prediction system提取，該潮汐模型是日本國(guó)立天文臺(tái) Matsumoto 等基于二維非線性淺水方程，采用Blending方法同化日本和韓國(guó)沿岸驗(yàn)潮站和5年的 T/P 衛(wèi)星測(cè)高資料建立的全球以及日本周邊局部海洋潮汐模型，其分辨率為1/12(°)[13]。開(kāi)邊界潮位由下式輸入計(jì)算：

(7)

式中：η為平均海平面；m為分潮總數(shù)；Ri為分潮振幅；σi為第i個(gè)分潮角速度；θi為第i個(gè)分潮相位滯后；θi0為第i個(gè)分潮從某年、月、日子夜零時(shí)算起的相角。

1.2.3 相關(guān)參數(shù)的選取 灘地采用干濕邊界控制灘地漲落潮期間的出露和淹沒(méi)，分別取值hdry=0.005 m，hflood=0.05 m，hwet=0.1 m。底床糙率通過(guò)曼寧系數(shù)進(jìn)行控制，本次曼寧值取M=58m1/3/s。水平渦動(dòng)粘滯系數(shù)采用考慮亞尺度網(wǎng)格效應(yīng)的Smagorinsky formulation進(jìn)行計(jì)算。波浪采用常浪向SSE向作為涌浪驅(qū)動(dòng)條件。波流共同作用下計(jì)算所得輸沙率，是基于泥沙輸移表線性插值的結(jié)果[14]。

2 水動(dòng)力模型驗(yàn)證

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

潮流場(chǎng)數(shù)值模型采用計(jì)算區(qū)域2個(gè)海流測(cè)站的水深、潮流流速和流向的實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證(具體驗(yàn)潮點(diǎn)位置見(jiàn)圖3)。為了深入研究日照豪邁重工臨港廠區(qū)運(yùn)輸碼頭附近海域的水動(dòng)力環(huán)境，中國(guó)海洋大學(xué)于2015年9月30日9時(shí)—10月1日10時(shí)在項(xiàng)目所處海域進(jìn)行了大潮期多船同步水文觀測(cè)，于2015年10月5日8時(shí)—6日9時(shí)進(jìn)行小潮期多船同步水文觀測(cè)。

圖1 大海域計(jì)算范圍及網(wǎng)格設(shè)置圖Fig.1 Computational domain and grid of large sea area

圖2 局部海域網(wǎng)格設(shè)置圖Fig.2 Computationalgrid of local sea area

圖3 驗(yàn)潮點(diǎn)站位圖Fig.3 Position of tide station

2.2 水深驗(yàn)證

由工程區(qū)域水深驗(yàn)證結(jié)果可以看出，兩測(cè)站大小潮潮期水深模擬值與實(shí)測(cè)值擬合較好(見(jiàn)圖4、5)。

2.3 流速和流向驗(yàn)證

由工程區(qū)域流速和流向驗(yàn)證結(jié)果可以看出，兩測(cè)站大小潮潮期潮流流速、流向模擬值與實(shí)測(cè)值擬合較好(見(jiàn)圖6～9)。

因此，本文基于MIKE21FM建立的潮流場(chǎng)數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果能夠較好地反映豪邁重工臨港廠區(qū)運(yùn)輸碼頭周?chē)Ｓ虺绷魉畡?dòng)力過(guò)程和運(yùn)動(dòng)特征，再現(xiàn)該海域的流場(chǎng)情況。由此可知，本文所建立的數(shù)值模型和邊界設(shè)置合理，可以作為豪邁重工臨港廠區(qū)運(yùn)輸碼頭不同改造方案下水動(dòng)力和沖淤環(huán)境影響預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

3 潮流場(chǎng)數(shù)值模擬及分析

根據(jù)工程設(shè)計(jì)方案，建立不同改造方案下工程建成后周邊海域潮流場(chǎng)數(shù)值模型，港池不同改造方案如表1、圖10所示，其中在航道處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。由此得到不同工況下漲落潮潮流場(chǎng)如圖11～13所示。

圖4 大潮期間水深驗(yàn)證Fig.4 Verification of total water depthduring the spring tide

圖5 小潮期間水深驗(yàn)證Fig.5 Verification of total water depth during the neap tide

圖6 大潮期間流速驗(yàn)證Fig.6 Verification of current speed during the spring tide

圖7 大潮期間流向驗(yàn)證Fig.7 Verification of current direction during the spring tide

從圖11可知港池西南向開(kāi)口工況下，漲急時(shí)刻,受防波堤及港池開(kāi)口方向的影響，水流結(jié)構(gòu)改變，潮流進(jìn)入港池后分流，分別形成方向相反的環(huán)流；落急時(shí)刻，潮流流速略有減小且流速等值線向岸推進(jìn)，堤頭處流線受到擠壓，可能導(dǎo)致港池口門(mén)處沖刷。從圖12可知港池東南向開(kāi)口工況下，漲急時(shí)刻，由于堤頭挑流作用，潮流進(jìn)入港池后靠岸一側(cè)形成逆時(shí)針作用，外側(cè)則形成了順時(shí)針環(huán)流，流速較??；落急時(shí)刻，潮流形成一個(gè)較大的逆時(shí)針環(huán)流，流速略有減小。從圖13可知為港池西南向開(kāi)口工況下，漲急時(shí)刻，堤頭處流速可達(dá)0.35 m/s,在港池口門(mén)處形成一個(gè)較大的順時(shí)針環(huán)流；落急時(shí)刻，流速等值線向岸推進(jìn)，流速較小，口門(mén)處易受沖刷。

圖8 小潮期間流速驗(yàn)證Fig.8 Verification of current speed during the neap tide

圖9 小潮期間流向驗(yàn)證Fig.9 Verification of current direction during the neap tide

不同工況下漲潮時(shí)港池內(nèi)流速普遍介于0.05～0.30 m/s，落潮時(shí)港池內(nèi)流速普遍介于0.04～0.20 m/s, 港池內(nèi)均有環(huán)流形成，近工程區(qū)潮流呈現(xiàn)沿堤流特性，由于工程區(qū)水深條件好，工程改造后地形變化小，因此不同改造方案的工程建設(shè)對(duì)潮流場(chǎng)的影響微弱。

表1 港池不同改造方案Table 1 Different reconstruction schemes of harbor

圖10 港池開(kāi)口示意圖Fig.10 Schematic diagram of the opening of the harbor basin

圖11 方案1工程海域潮流場(chǎng)

圖 12 方案2工程海域潮流場(chǎng)Fig.12 Tidal current fields of Scheme 2 in the engineering area

圖13 方案3工程海域潮流場(chǎng)

4 泥沙沖淤數(shù)值模擬及分析

對(duì)工程區(qū)域沉積物取樣分析發(fā)現(xiàn)，該地為砂質(zhì)海岸。波浪是構(gòu)成近岸泥沙運(yùn)動(dòng)的主要原因[15]，"波浪掀沙，潮流輸沙"是波流耦合作用下的近岸泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)制，馬福喜等研究表明波流耦合作用懸沙濃度場(chǎng)比無(wú)浪情況下增加40%～100%[16]，波浪作用不可忽視。結(jié)合水深地形、工程地質(zhì)、風(fēng)資料，運(yùn)用MIKE21/3 Integrated Models中Coupled Models FM模型模擬波流耦合作用下工程海域的沖淤演變。本文考慮潮流與SSE向波浪作用下的沖淤演變，其中水動(dòng)力部分考慮風(fēng)速為4.1 m/s的N向風(fēng)，待波浪穩(wěn)定后進(jìn)行泥沙的數(shù)值模擬，港池不同開(kāi)口方向沖淤數(shù)值模擬結(jié)果如圖14所示。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果采用Data Manager提取所需范圍數(shù)據(jù)計(jì)算并分析得出結(jié)論：

圖14(a)表明港池西南向開(kāi)口工況下靠岸內(nèi)部淤積明顯，年最大淤積厚度可達(dá)0.95 m，港池中間有較弱淤積，年淤積厚度一般位于0.60 m內(nèi)；左側(cè)防波堤內(nèi)沖刷明顯，年最大沖刷厚度為0.91 m，港池口門(mén)和右側(cè)防波堤內(nèi)側(cè)部分處于微沖刷狀態(tài)，年沖刷厚度小于0.50 m，航道沖刷較大，年最大沖刷可達(dá)0.74 m。圖14(b)表明港池東向開(kāi)口工況下港池北側(cè)淤積明顯，年淤積厚度小于0.50 m，局部淤積年最大淤積厚度達(dá)0.93 m；兩側(cè)防波堤處主要處于沖刷狀態(tài)，年最大沖刷厚度為0.73 m。圖14(c)表明港池南向開(kāi)口工況下港池內(nèi)僅東側(cè)角落淤積明顯，年最大淤積厚度為0.90 m，年淤積厚度主要位于0.53 m以?xún)?nèi)；港池兩側(cè)防波堤存在局部沖刷，年沖刷厚度主要小于0.55 m，年最大沖刷厚度為0.76 m，航道沖刷程度較小。隨著時(shí)間推移，泥沙輸移達(dá)到平衡狀態(tài)，預(yù)計(jì)沖淤幅度會(huì)越來(lái)越小。

圖14 港池沖淤演變圖Fig.14 Evolution of scouring anddeposition of the harbor

港池不同布置方案下泥沙輸移存在差異，模擬過(guò)程中,在波流作用下，來(lái)流攜帶泥沙，近岸波浪紊動(dòng)加強(qiáng)，在水動(dòng)力較弱區(qū)域，離岸水流不能完全帶走攜帶而來(lái)的泥沙，反之亦然。隨著時(shí)間推移，泥沙輸移會(huì)達(dá)到一個(gè)相對(duì)的、暫時(shí)的平衡狀態(tài)[17]。港池內(nèi)均存在局部沖淤不平衡情況，水流結(jié)構(gòu)的變化即流速的不均勻性以及路徑的特殊性是導(dǎo)致這種情況的主要原因[18]。防波堤口門(mén)流線受邊界影響呈密集趨勢(shì)，沖刷明顯。

由此可知，港池西南向開(kāi)口工況下港池內(nèi)部沖淤程度均較南向和西南向開(kāi)口大，而港池東南向開(kāi)口最大沖刷厚度及落淤范圍均較南向開(kāi)口大，從通航情況分析可知南向開(kāi)口工況沖刷程度略大于東南向開(kāi)口。因此，港池南向開(kāi)口工況略?xún)?yōu)于其它兩種布置工況。

5 結(jié)論

日照豪邁重工臨港廠區(qū)運(yùn)輸碼頭的地理位置、周邊環(huán)境和泥沙特性等決定了港池周邊泥沙輸移的復(fù)雜性，本文基于MIKE21數(shù)值模擬工具建立了平面二維潮流、波浪和泥沙數(shù)值模型，并通過(guò)實(shí)測(cè)水深、潮流流速及流向?qū)δＰ瓦M(jìn)行了驗(yàn)證，該數(shù)值模型能較好地模擬工程區(qū)域的流場(chǎng)情況，并運(yùn)用其分析不同改造方案下的地形地貌沖淤演變情況。本文得出以下結(jié)論：

(1)潮流場(chǎng)遵循漲潮向西、落潮向東的往復(fù)流動(dòng)，不同改造工況對(duì)工程區(qū)域潮流場(chǎng)影響微弱。潮流進(jìn)入港池內(nèi)水流結(jié)構(gòu)改變，形成環(huán)流，防波堤堤頭具有挑流作用，口門(mén)處流線收縮。

(2)港池開(kāi)口方向?qū)δ嗌齿斠朴休^大影響，防波堤堤頭處流線受邊界影響呈密集趨勢(shì)，流速增加，沖刷明顯。潮流進(jìn)入港池內(nèi)，伴有輸沙效果，漲潮時(shí)將泥沙帶入港池，落潮時(shí)流速較小不易將泥沙帶走，易在港池內(nèi)落淤。波浪進(jìn)入港池內(nèi)，但進(jìn)入港池的波浪并不多，伴有掀沙效果。

(3)波浪和潮流共同作用下的近岸海域泥沙輸移，比純潮流場(chǎng)作用復(fù)雜。雖然本文考慮常浪向SSE作用下的泥沙輸移可滿足要求，但由于只考慮波浪單向的作用，為此波流耦合下泥沙輸移模型仍需進(jìn)一步完善。

綜上所述，由于工程規(guī)模較小，港池布局對(duì)近工程區(qū)域水動(dòng)力條件影響甚微，對(duì)泥沙沖淤有所影響。本文從水動(dòng)力和泥沙沖淤的角度分析了工程不同方案的影響情況，可為工程的規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供了技術(shù)依據(jù)，滿足海洋工程的應(yīng)用要求。