東營市濱海防潮堤潮流泥沙模型試驗(yàn)研究

張正華

（東營市水務(wù)局，山東 東營257091）

隨著東營市沿海經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展不斷加快，搞好濱海生態(tài)防潮堤建設(shè)，對于增強(qiáng)自然災(zāi)害防御能力，提升濱海城市形象，增強(qiáng)城市綜合競爭力具有重要意義。本文主要采用潮流、泥沙數(shù)值模擬方法，對濱海生態(tài)城防潮堤水動(dòng)力泥沙條件進(jìn)行研究，通過收集分析有關(guān)歷史、實(shí)測資料，掌握本工程附近水域水動(dòng)力和泥沙特征，并使用二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型對工程實(shí)施前后潮流場、泥沙場變化進(jìn)行了分析研究，研究結(jié)果可為設(shè)計(jì)提供依據(jù)和支持。擬建的東營市濱海生態(tài)城防潮堤位于東營市中心城以東，北起永豐河口，南到小清河與廣饒防潮堤南端相接，主海堤長度30.8 km，壩體圍墾海域面積約140 km2。

1 二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

1）基本方程：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

懸移質(zhì)不平衡輸沙方程：

河床變形方程：

式中：t 為時(shí)間；u 和v 為沿x、y 方向上的流速分量；h 為總水深；f 為科氏力系數(shù)；g 為重力加速度；k 為海底摩擦系數(shù)；Ax和Ay為沿x、y 方向的水平渦動(dòng)黏性系數(shù)；S 為沿深度平均的含沙量；S*為波流共同作用下的挾沙力；a 為沉降幾率或恢復(fù)飽和系數(shù)；ω 為泥沙沉速；η 為底高程；γ0為泥沙容重。

2）模型設(shè)置及網(wǎng)格劃分。本工程處于萊州灣西側(cè)，潮流運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，模型采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行剖分和計(jì)算。為精確模擬本工程海域潮流運(yùn)動(dòng)，建立了包含整個(gè)渤海灣、遼東灣和萊州灣大尺度整體數(shù)學(xué)模型，該模型開界位于大連老虎灘至煙臺(tái)連線上，相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)最大間距為10 000 m，在工程附近水域進(jìn)行局部加密，最小間距為10 m，計(jì)算時(shí)間步長0.5 s。潮流數(shù)學(xué)模型開邊界由中國海潮汐模型提供，波浪模型和泥沙模型開邊界由天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所根據(jù)實(shí)測資料經(jīng)調(diào)試給出。

1.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的合理性，在工程海域順擬建工程方向布置3 個(gè)全潮測站。采用2011 年6 月大、小潮水文全潮資料，廣利河口附近海域2008 年10 月15 日～16 日、2008 年10 月18 日～19 日和2008 年10 月24 日～25 日大、中、小潮的全潮歷史水文數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

本海域無實(shí)測波浪、海床底質(zhì)資料，SWAN風(fēng)浪模型采用臨近的黃驊港、濰坊港等海域?qū)崪y資料驗(yàn)證，模型計(jì)算時(shí)采用與黃驊港、濰坊港海域風(fēng)浪計(jì)算時(shí)相同的參數(shù)。

本文根據(jù)全潮水文現(xiàn)場觀測資料對泥沙運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算，采用大潮2011 年6 月20 日12 時(shí)、2008 年10 月15 日11 時(shí)，中潮2008年10 月18 日11 時(shí)，小潮2011 年6 月28 日12時(shí)、2008 年10 月24 日11 時(shí)實(shí)測含沙量與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證。

經(jīng)驗(yàn)證，數(shù)模計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果有較好的一致性。所建模型較好地反映了潮流作用下工程附近海域的潮流、泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，滿足交通運(yùn)輸部《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》規(guī)范要求，并可進(jìn)一步為風(fēng)浪和泥沙運(yùn)動(dòng)模擬提供必要的水流動(dòng)力條件。

2 工程建設(shè)前后流場情況

2.1 年常規(guī)動(dòng)力作用

工程實(shí)施前：1）海域等深線和岸線接近平行，潮流以往復(fù)流形式運(yùn)動(dòng)。水流主體漲急時(shí)刻為向岸運(yùn)動(dòng)，落急時(shí)刻為離岸運(yùn)動(dòng)；水流主體漲、落急流速等值線分布基本與岸線平行，且由岸向海流速逐漸增大。2）漲潮流速最大為0.69 m/s，平均流速最大為0.33 m/s，均出現(xiàn)在大堤東南拐角附近；落潮最大流速0.55 m/s，平均流速最大為0.30 m/s，均出現(xiàn)在大堤東南拐角附近。3）從漲、落潮流速來看，漲潮流速略大于落潮流速；從流速分布來看，大堤沿線流速分布基本均勻。

工程實(shí)施后：1）工程區(qū)海域流速整體上呈減小趨勢，局部區(qū)域流速略有增加，流速增大區(qū)域主要集中在廣利河口附近及大堤東南、東北拐角處。從流向上看，工程區(qū)以外流向變化較小，隨著逐漸靠近工程區(qū)，水流流向開始逐漸偏轉(zhuǎn)，到堤前時(shí)水流流向由近乎東西向往復(fù)流變成沿堤的往復(fù)流。2）漲潮流速最大為0.98 m/s 左右，漲潮平均流速最大為0.48 m/s；落潮最大流速0.74 m/s，落潮平均流速最大為0.43 m/s。漲、落潮最大流速及最大平均流速均出現(xiàn)在大堤東南拐角附近。3）由于堤頭繞流的存在，堤東南、東北兩側(cè)拐角處測點(diǎn)，流速略有增大；其余測點(diǎn)流速均有所減小，特別是東側(cè)迎海面，流速最大減小0.33 m/s，落潮最大減小0.29 m/s。4）大堤東北拐角處，漲潮時(shí)流速最大增大0.06 m/s，落潮流速最大增大0.02 m/s；大堤東南拐角處，漲潮時(shí)流速最大增大0.29 m/s，落潮流速最大增大0.19 m/s。由于防潮大堤東南、東北拐角處流速增加，需注意拐角處堤腳的沖刷。

對比漲、落潮流速來看，工程實(shí)施前后，流場變化主要在工程區(qū)附近，海域區(qū)域外潮流運(yùn)動(dòng)基本不變。工程區(qū)域漲、落潮流速整體上基本相當(dāng)；從流速分布來看，堤東南、東北兩側(cè)拐角處流速較大，其余部位流速較小。

2.2 風(fēng)暴潮作用

選擇了給當(dāng)?shù)貛韲?yán)重影響的9711 號臺(tái)風(fēng)作為大風(fēng)動(dòng)力條件，分析一次較大的風(fēng)浪過程后防潮堤附近的變化。本次風(fēng)暴潮發(fā)生時(shí)：1）工程區(qū)域風(fēng)向基本為90°，為向岸風(fēng)。2）大堤附近增水較大，堤前最大增水約0.96 m，由南向北整個(gè)堤前增水基本相同，該風(fēng)暴潮過程中堤前基本無減水。3）由于大風(fēng)的作用，大堤附近水流沿風(fēng)向發(fā)生偏轉(zhuǎn)（大堤附近風(fēng)向約90°，東風(fēng)），沿堤流趨勢減緩，水流變?yōu)橄虻谭较?，堤前壅水?yán)重，水深變大，堤前部分區(qū)域水流流速減小。防潮堤附近漲潮流速最大為0.74 m/s，漲潮平均流速最大為0.37 m/s，落潮平均流速最大為0.41 m/s，大流速主要集中在廣利河口附近及堤南、北兩側(cè)拐角處。

3 工程建設(shè)前后地形變化

利用經(jīng)過驗(yàn)證的泥沙運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型代表波浪場的計(jì)算，對防潮堤工會(huì)曾實(shí)施后附近地形變化進(jìn)行了分析。

3.1 年常規(guī)動(dòng)力條件

工程實(shí)施前：防潮堤工程海地貌基本穩(wěn)定，未來的一段時(shí)間內(nèi)，在自然動(dòng)力作用下防潮堤海域不會(huì)有較大的地貌變遷過程。

工程實(shí)施后：1）防潮堤外側(cè)，大堤東南、東北拐角處及廣利河口附近出現(xiàn)沖刷。其中大堤東南拐角處，沖刷深度最大為0.55 m/a；大堤東北拐角處，沖刷深度最大為0.10 m/a；另外，棧橋附近大堤突起處，地形也有輕微侵蝕。2）防潮大堤外側(cè)，其余區(qū)域基本呈淤積狀態(tài)。廣利河口以南攔門沙附近泥淤積厚度最大，淤積厚度約0.15 m/a，其余部位防潮大堤附近地形變化不大。

3.2 風(fēng)暴潮作用

9711 號臺(tái)風(fēng)作用下，防潮大堤外側(cè)，大堤東南、東北拐角處及廣利河口附近出現(xiàn)沖刷。其中，廣利河口附近沖刷最為嚴(yán)重，一場大風(fēng)沖刷厚度最大為0.11 m；其次為大堤東南、東北拐角處，一場大風(fēng)最大沖刷厚度分別為0.03 m、0.04 m；大堤其余區(qū)域基本呈淤積狀態(tài)。

4 結(jié) 語

1）濱海防潮堤工程實(shí)施后，漲、落潮流速整體上基本相當(dāng)，以往復(fù)流形式運(yùn)動(dòng)，流速變化不大，局部流速增加，主要在防潮大堤東南、東北拐角處，需注意拐角處堤腳的沖刷。

2）在常規(guī)動(dòng)力作用下，在防潮堤外側(cè)，大堤東南、東北拐角處及廣利河口附近會(huì)出現(xiàn)沖刷，其中大堤東南、東北拐角處沖刷深度最大為每年0.55 m、0.10 m，在棧橋附近大堤突起處，地形也有輕微侵蝕。其余區(qū)域基本呈淤積狀態(tài)。

3）在風(fēng)暴潮作用下，一場如9711 號臺(tái)風(fēng)的大風(fēng)會(huì)引起嚴(yán)重沖刷，主要集中在大堤東南、東北拐角處及廣利河口附近，應(yīng)引起防潮堤規(guī)劃建設(shè)部門的高度重視。