防城港進(jìn)港航道工程平面二維潮流數(shù)學(xué)模型適用性分析

摘要：根據(jù)防城港碼頭規(guī)劃布置，防城港漁澫港區(qū)第五作業(yè)區(qū)進(jìn)港航道工程提出了將進(jìn)港航道分為5萬(wàn)噸級(jí)和3萬(wàn)噸級(jí)兩段不同噸級(jí)的航道進(jìn)行合理設(shè)計(jì)的方案，以滿足岸線碼頭的配套服務(wù)要求。文章根據(jù)防城港工程海域相關(guān)的地質(zhì)及水文條件，建立了平面二維潮流數(shù)學(xué)模型，確定了模型的初始條件、邊界條件及模型參數(shù)，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型在防城港海域的適用性及所建立模型的正確性。

關(guān)鍵詞：防城港;漁澫港區(qū);航道設(shè)計(jì);二維潮流模型

中圖分類號(hào)：U611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：1 0.1 3282/j. cnki. wccst. 2019. 12. 049

文章編號(hào)：1673 - 4874（2019）12 - 0185 - 04

0 引言

近年來(lái)，隨著西部大開(kāi)發(fā)的深入實(shí)施、泛珠三角區(qū)域合作進(jìn)一步加強(qiáng)、中國(guó)一東盟自由貿(mào)易區(qū)和“一帶一路”建設(shè)不斷推進(jìn)以及廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)和東興重點(diǎn)開(kāi)發(fā)開(kāi)放試驗(yàn)區(qū)的建設(shè)上升至國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略層面，防城港迎來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。由于船舶的大型化，港口規(guī)模的擴(kuò)大化，使得原本就交通緊張的港口水域航道要承受更大的壓力，這就迫使港口水域航道需要重新規(guī)劃、升級(jí)，以緩解當(dāng)前的通航壓力，并滿足未來(lái)發(fā)展的需要。航道作為港口水域布局的一個(gè)重要方面，其規(guī)劃的合理性對(duì)提高港口水域通航安全和效率有很大作用。

防城港岸線資源總量有限，潮流動(dòng)力環(huán)境較復(fù)雜，新航道的建設(shè)涉及航道通航代表船型、通航尺度、平面布置、防淤減淤等問(wèn)題，尚需進(jìn)行一定的基礎(chǔ)研究工作。在投資盡可能少、工程量盡可能小的前提下，據(jù)防城港港口總體規(guī)劃中關(guān)于漁澫港區(qū)第五作業(yè)區(qū)的泊位建設(shè)情況及航道工程設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范，對(duì)防城港漁漓港區(qū)第五作業(yè)區(qū)進(jìn)港航道工程提出了將進(jìn)港航道分為5萬(wàn)噸級(jí)和3萬(wàn)噸級(jí)兩段不同噸級(jí)的航道進(jìn)行合理設(shè)計(jì)的方案，需要對(duì)相應(yīng)的進(jìn)港航道方案進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以滿足岸線碼頭的運(yùn)作要求。本文將根據(jù)防城港工程海域相關(guān)的地質(zhì)及水文條件，確定模型的初始條件、邊界條件及模型參數(shù)，通過(guò)建立平面二維潮流數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證該模型在防城港海域的適用性及所建立模型的正確性。

1 防城港漁澫港區(qū)第五作業(yè)區(qū)進(jìn)港航道工程設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案以防城港港區(qū)的地質(zhì)地貌、水文氣象等資料為基礎(chǔ)，在研究防城港未來(lái)到港船型預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合相應(yīng)的參考技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)原則，根據(jù)第五作業(yè)區(qū)沿岸碼頭布置情況及工程海區(qū)水深地形條件，并考慮大型船舶航行安全，盡量保證航道軸線順直，避免多次轉(zhuǎn)向，尤其是大角度轉(zhuǎn)向。

設(shè)計(jì)進(jìn)港航道長(zhǎng)為6 018 m，航道起點(diǎn)位于漁漓港區(qū)已建成的5萬(wàn)～10萬(wàn)噸級(jí)東灣航道起點(diǎn)A處，終點(diǎn)位于防城港漁澫港區(qū)第五作業(yè)區(qū)北端513#～516#泊位回旋水域外邊線中段F點(diǎn)。從航道的起點(diǎn)A到510#泊位北側(cè)的AE段設(shè)計(jì)為長(zhǎng)5 064 m的5萬(wàn)噸級(jí)進(jìn)港航道，設(shè)計(jì)通航寬度為156 m，底標(biāo)高為- 11. 90 m;511 #泊位南測(cè)至516#泊位回旋水域中段的EF段設(shè)計(jì)長(zhǎng)為954 m的3萬(wàn)噸級(jí)航道，設(shè)計(jì)通航寬度為128 m，底標(biāo)高為- 10. 70 m。

航道具體走向?yàn)椋簭钠瘘c(diǎn)A順現(xiàn)有5萬(wàn)～10萬(wàn)噸航道2 125 m至液體化工碼頭北側(cè)港池邊界B點(diǎn);從B點(diǎn)向北偏沿7。43'36"延伸2 072 m到C點(diǎn);從C點(diǎn)向東偏沿30。46 725”延伸868 m到D點(diǎn)，形成5萬(wàn)噸級(jí)航道;從D點(diǎn)向東偏沿21°12'38"延伸954 m至F點(diǎn)，形成3萬(wàn)噸級(jí)航道。航道全長(zhǎng)6 018 m，見(jiàn)圖1。

2.3 數(shù)值計(jì)算方法

對(duì)上述微分方程進(jìn)行離散計(jì)算時(shí)，時(shí)間項(xiàng)運(yùn)用向前差分計(jì)算的格式，空間項(xiàng)運(yùn)用中心差分計(jì)算的格式。

數(shù)值求解用ADI法（戴賢凱等，1987），此方法中涉及的網(wǎng)格劃分方法、差分算法等詳見(jiàn)《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算原理已非常成熟完善且運(yùn)用廣泛，它的求解速度快，求解過(guò)程較為穩(wěn)定。ADI法的求解原理是：求解中將一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)分兩個(gè)半步來(lái)計(jì)算，前半步采用隱式求解ξ方向的流速分量和潮位，顯式法求解流速在7方向的分量;后半步則反過(guò)來(lái)，采用隱式求解η方向流速分量和潮位，顯式法求解流速在ξ方向的分量。

3計(jì)算范圍確定及網(wǎng)格剖分

模型范圍計(jì)算域覆蓋了防城港兩個(gè)內(nèi)灣及防城港規(guī)劃20萬(wàn)噸級(jí)航道（理論基面-18 m）水域。計(jì)算域的長(zhǎng)寬分別為42 km和27 km。運(yùn)用正交曲線網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為358×229，在工程區(qū)位置需要將網(wǎng)格加密提高精度，外海網(wǎng)格較疏，空間步長(zhǎng)最短為8.8 m，最長(zhǎng)為549.8 m，工程區(qū)水域網(wǎng)格尺度約為30 m。

4 參數(shù)處理

4.1 動(dòng)邊界處理

計(jì)算海域內(nèi)有邊灘和淺灘分布，要想在計(jì)算時(shí)將邊灘和干濕特征體現(xiàn)出來(lái)，就要對(duì)動(dòng)邊界做一些特殊的處理。

本文中選擇凍結(jié)法對(duì)動(dòng)邊界進(jìn)行處理。凍緒法的基本原理是：若節(jié)點(diǎn)的水深小于設(shè)定的控制值，將該點(diǎn)潮位值的大小“凍結(jié)”，使其不參與計(jì)算，在計(jì)算后一時(shí)刻前，用周邊節(jié)點(diǎn)的水深值對(duì)被凍結(jié)的節(jié)點(diǎn)水深進(jìn)行修正;若節(jié)點(diǎn)水深值大于設(shè)定的控制水深時(shí)則正常參與計(jì)算。這里將動(dòng)邊界的控制水深設(shè)置為5 cm，盡量不引起數(shù)據(jù)計(jì)算失真。

4.2 糙率選取

在進(jìn)行潮流模擬計(jì)算時(shí)，糙率n是一個(gè)重要的綜合性參數(shù)，能深度影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與正確性。糙率實(shí)際上代表著潮流運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的阻力特征，它的大小和海底床面的泥沙性質(zhì)、水深大小、水下地形均有關(guān)系，本文通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

n= n0 +n’/H

（8）

式中，no是基礎(chǔ)糙率，結(jié)合在防城港和欽州灣海域的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)取為0. 015～0. 020，基礎(chǔ)糙率較大值一般出現(xiàn)在紅樹(shù)林區(qū)及島群區(qū)域;n'/H為糙率修正項(xiàng)，n取0. 012。特別要注意的是，若水深H<1 m，個(gè)別點(diǎn)處糙率可取0. 032，若水深在≥1 m則直接用式（8）加以修正。

4.3 其它參數(shù)

另一個(gè)重要的參數(shù)是與網(wǎng)格大小和潮流相關(guān)的紊動(dòng)黏性系數(shù)，此參數(shù)若取值恰當(dāng)則計(jì)算結(jié)果精度更高。根據(jù)Smagorinsky（1963）所述方法，可使紊動(dòng)黏性系數(shù)根據(jù)網(wǎng)格的大小和潮流強(qiáng)弱自適應(yīng)，能夠保證計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性，提升計(jì)算過(guò)程的穩(wěn)定性。各參數(shù)取值如表1所示。

4.4 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

防城港潮流主要是全日潮，這里利用2007 -05 - 19～20防城港監(jiān)測(cè)的大潮數(shù)據(jù)對(duì)模型加以驗(yàn)算，所選流速及潮位測(cè)點(diǎn)如下頁(yè)圖2所示，其中V7、V8為流速測(cè)點(diǎn)，T1、T2為潮位測(cè)點(diǎn)。

圖3展示了二維潮流模型模擬的潮位過(guò)程與實(shí)測(cè)值。從圖中可以看出，模型的模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)基本一致，高潮位和低潮位的數(shù)值也較為貼切。這體現(xiàn)出對(duì)于防城港水域所建立的模型恰當(dāng)，平面二維潮流模型所計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)的潮流動(dòng)力基本一致，計(jì)算中所設(shè)置的模型邊界條件是正確的，網(wǎng)格劃分是合理的。

圖4展示了各測(cè)點(diǎn)的流速、流向模擬值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的對(duì)比結(jié)果。從圖中可以看出，該模型模擬得到的潮流流速、流向和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)均是比較貼切的，因此驗(yàn)證了所建立模型的適用性和正確性，模型計(jì)算中所選取的各項(xiàng)參數(shù)是適合且可靠的，可利用該平面二維潮流模型進(jìn)行新建航道的設(shè)計(jì)研究工作。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)防城港擬建航道海域建立了平面二維潮流模型，介紹了所建模型的方程及求解條件、計(jì)算方法、網(wǎng)格劃分及參數(shù)選取處理等方面內(nèi)容，并驗(yàn)證了該模型在防城港海域的適用性及參數(shù)選取、網(wǎng)格劃分的合理性。平面二維潮流模型計(jì)算結(jié)果有較好的可信度，為該航道設(shè)計(jì)方案的數(shù)值研究打下了基礎(chǔ)，可為該類多噸級(jí)航道方案的設(shè)計(jì)及實(shí)際工程建設(shè)提供借鑒和參考。

同時(shí)，由于三維潮流模型在研究邊界變化較為劇烈的區(qū)域具有較好優(yōu)勢(shì)及準(zhǔn)確性，隨著數(shù)值模型的深入研究及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來(lái)三維潮流模型在港口航道工程中的應(yīng)用具有良好的前景，這方面值得進(jìn)一步深入研究。本次主要針對(duì)新建航道設(shè)計(jì)方案開(kāi)展了數(shù)學(xué)模型的建模分析，其模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性相對(duì)有限，未來(lái)可進(jìn)一步建立包括碼頭、港池、錨泊地、回旋水域等在內(nèi)的全面數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬驗(yàn)證，提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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作者簡(jiǎn)介：徐思思（1987-），工程師，主要從事港口規(guī)劃建設(shè)管理工作。