唐山港曹妃甸港區(qū)納潮河開通對(duì)流場(chǎng)影響研究

張 娜，趙雪夫，韓志遠(yuǎn)，陳 純

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；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；3.中國人民解放軍91053部隊(duì)，北京 100070)

曹妃甸港區(qū)位于渤海灣的-30 m深槽水域，具有天然優(yōu)良的水深條件。2003年3月，曹妃甸通島公路開始建設(shè)，標(biāo)志著曹妃甸大港建設(shè)正式拉開序幕[1]。同時(shí)，通道公路的建設(shè)也阻斷了淺灘潮道(納潮河)[2]。隨后的10年間，曹妃甸開始大規(guī)模建港行動(dòng)，吹填形成了大量陸域，并形成五個(gè)港池，分別為中區(qū)一港池、中區(qū)二港池、東區(qū)一港池、東區(qū)二港池和東區(qū)三港池。截止到2015年，中區(qū)一、二港池內(nèi)已有部分碼頭建成，港池內(nèi)除最內(nèi)端保持自然水深外，大部分水域已疏浚至設(shè)計(jì)水深。2016年8月在對(duì)納潮河大橋橋下進(jìn)行挖掘以及潮流自然的沖蝕下切下納潮河開通[2]。

很多學(xué)者都對(duì)曹妃甸圍海造陸不同階段流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)模預(yù)測(cè)，但關(guān)注的主要是圍海造陸對(duì)周邊海域的影響。比如，戚健文[3]采用三維潮流數(shù)學(xué)模型對(duì)曹妃甸2009～2012和遠(yuǎn)期規(guī)劃條件下流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析不同階段港池和甸頭流速變化；王斌[4]應(yīng)用SMS軟件建立渤海二維潮流數(shù)學(xué)模型對(duì)曹妃甸圍海工程前、近遠(yuǎn)期方案下水動(dòng)力情況進(jìn)行了模擬；陸永軍[5]應(yīng)用波流共同作用下二維泥沙數(shù)學(xué)模型研究了曹妃甸前島后陸的港區(qū)圍墾方案對(duì)水動(dòng)力環(huán)境的影響問題, 包括該工程引起的曹妃甸甸頭以南深槽、老龍溝深槽及各港池的流速變化及底床的沖淤變形等。孫欽幫[6]利用有限差分ADI 方法建立曹妃甸海域平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，對(duì)曹妃甸工業(yè)區(qū)圍填海工程前后曹妃甸海域的潮流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，分析了圍填海工程對(duì)曹妃甸海域的影響范圍及程度。

2014年后，曹妃甸圍海造陸工作基本完成，各港池、碼頭泊位主要實(shí)施疏浚工作。2016年納潮河開通一過水通道，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料顯示，納潮河的開通會(huì)對(duì)港池間流態(tài)產(chǎn)生一定的影響，因此本文在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料基礎(chǔ)上，采用二維潮流數(shù)學(xué)模型，對(duì)納潮河開通后流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并對(duì)變化情況進(jìn)行分析，為今后納潮河不斷拓寬，港內(nèi)碼頭安全運(yùn)營提供參考依據(jù)。

1 潮汐特征

圖1 曹妃甸港區(qū)平面布置示意圖Fig.1 Plane layout of Caofeidian port area

(1)根據(jù)2000年10月～2001年10月現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)潮汐資料，曹妃甸海區(qū)潮汐形態(tài)數(shù)(HO1+HK1)/HM2=0.81，屬于不規(guī)則半日潮。該海域的潮位特征值如下(基準(zhǔn)面為當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?。

年最高高潮位： 3.38 m 年平均低潮位： 1.07 m

年最低低潮位： 0.14 m 年平均高潮位： 2.47 m

年平均海平面： 1.77 m 年平均潮差： 1.40 m

(2)2015年6月28日～8月5日、2017年2月23日～3月9日布設(shè)T1(中區(qū)一港池口門內(nèi)側(cè))、T2(中區(qū)二港池頂部)和T3(東區(qū)一港池)臨時(shí)潮位站(站位見圖1)進(jìn)行潮位觀測(cè)，潮位特征如下：

根據(jù)2015年6月28日至8月5日期間潮位統(tǒng)計(jì)可知：T1、T2、T3站平均潮差分別為1.65 m、1.80 m、1.56 m，平均高潮位分別為2.80 m、2.86 m、2.67 m，平均低潮位分別為1.14 m、1.05 m、1.12 m，平均潮位為1.97 m、1.96 m、1.94 m。3站的平均潮差和平均高潮位T2>T1>T3，平均低潮位T1>T3>T2，平均潮位為T1>T2>T3。

根據(jù)2017年2月23日至3月9日期間潮位統(tǒng)計(jì)可知：T1、T2、T3站平均潮差分別為1.54 m、1.65 m、1.51 m，平均高潮位分別為2.46 m、2.51 m、2.46 m，平均低潮位分別為0.91 m、0.85 m、0.93 m，平均潮位為1.69 m、1.69 m、1.73 m。3站的平均潮差T2>T1>T3，平均高潮位T2>T3=T1，平均低潮位T3>T1>T2，平均潮位為T3>T2=T1。與2015年數(shù)據(jù)相比，T3站與T2站的平均高潮位、潮差差值有所減小，這可能與觀測(cè)期間東區(qū)港池和中區(qū)二港池已挖通有關(guān)。

2 現(xiàn)場(chǎng)潮流監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.1 納潮河開通前流場(chǎng)特征

在曹妃甸港建設(shè)過程中分別于2005年3月、2006年3月、2006年7月、2007年7月以及2014年6月分別進(jìn)行過全潮水文觀測(cè)，多次監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：曹妃甸圍墾陸域建設(shè)過程中，并沒有改變?cè)摵Ｓ虻恼w潮流特征，水流依然呈現(xiàn)東西向往復(fù)流運(yùn)動(dòng)。漲潮時(shí)東側(cè)來的漲潮水體一部分沿老龍溝航道向東區(qū)各港池填充，一部分向甸頭方向流動(dòng)，繞過甸頭后分別進(jìn)入中區(qū)一、二港池，直到填充到港池最內(nèi)端。

落潮時(shí)水流基本呈反向流出，落潮水體從西側(cè)而來，一部分分別進(jìn)入中區(qū)二港池和一港池，一部分沿邊界繼續(xù)向東流動(dòng)，經(jīng)過甸頭后繼續(xù)向東，并于老龍溝航道下泄的落潮流匯合然后向?yàn)惩饬鞒?。在平面分布上，曹妃甸海域潮流流速具有甸頭附近和東側(cè)潮溝內(nèi)流速較大，淺灘與外海流速稍弱的分布規(guī)律。由于岬角效應(yīng)，甸頭深槽為水流最強(qiáng)區(qū)，這也是深槽水深能夠維持的主要?jiǎng)恿σ蛩亍?014年6月現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)流速矢量見圖1中C1～C5。

2.2 納潮河局部挖通后流場(chǎng)特征

2016年納潮河開通一過水通道，過水通道在低潮位時(shí)寬度在45 m以內(nèi)，實(shí)測(cè)水深小于4 m。2017年2月27～28日，在中區(qū)二港池和東區(qū)水域內(nèi)布置了5個(gè)水文測(cè)站，對(duì)納潮河局部開通后流態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，不同時(shí)刻流速矢量如圖2所示。分析不同時(shí)刻流速情況可知：

C1～C4站基本為往復(fù)流，C2站漲潮主流向基本為SW向，落潮主流向基本為NE向，C4站則相反；C1站和C3站位于中區(qū)二港池中部，高潮位時(shí)為偏E向流，低潮位時(shí)為偏W向流。C5站位于中區(qū)二港池口門內(nèi)側(cè)，呈明顯的環(huán)流特征。

C2、C4站漲、落潮平均流速為0.08～0.18m/s，垂線平均最大流速為0.21～0.40 m/s；C1站和C3站東、西向流的潮段平均流速為0.13～0.16 m/s，垂線平均最大流速介于0.22～0.31 m/s之間；C5站平均流速為0.07 m/s，最大流速為0.18 m/s。

實(shí)測(cè)潮流資料表明，納潮河挖通后，受東西兩側(cè)傳入潮波影響，中區(qū)二港池頂部潮波發(fā)生變形，呈現(xiàn)前進(jìn)波的特征，高潮位時(shí)為偏E向流，低潮位時(shí)為偏W向流。

圖2 二～三港池水域不同時(shí)刻潮流矢量(2017-02-28)Fig.2 Tidal current vectors at different times in harbour basin (2017-02-28)

3 數(shù)學(xué)模型建立及驗(yàn)證

3.1 模型建立及網(wǎng)格剖分

潮流計(jì)算采用Mike系列軟件中的三角形網(wǎng)格水動(dòng)力模塊(FM模塊)。該軟件由丹麥水工所開發(fā)，可以應(yīng)用于海洋、海岸、河口區(qū)域的二、三維水動(dòng)力計(jì)算。FM模塊采用三角形網(wǎng)格，在處理潮流動(dòng)邊界、復(fù)雜工程建筑物邊界等方面具有強(qiáng)大的功能，在國內(nèi)外許多工程項(xiàng)目研究中得到了廣泛應(yīng)用[7-10]。

圖3 網(wǎng)格剖分示意圖Fig.3 Sketch of grid mesh

為保證局部流場(chǎng)計(jì)算符合潮流場(chǎng)的整體物理特征，采用大、小兩重模型以嵌套方式進(jìn)行計(jì)算。大模型包含整個(gè)渤海海域。小模型范圍包含了整個(gè)渤海灣，東西向最長約129 km，南北向最長約147 km。小模型開邊界條件由大模型提供。計(jì)算域采用三角形網(wǎng)格剖分。大模型共9 030個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，計(jì)算時(shí)間步長從0.01～60 s自動(dòng)調(diào)節(jié)。小模型約52 400個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格最大空間步長約5 000 m，最小空間步長約10 m，計(jì)算時(shí)間步長從0.01～5 s自動(dòng)調(diào)節(jié)。小模型網(wǎng)格剖分如圖3所示。

3.2 模型驗(yàn)證

采用2014年6月、2017年2月水文全潮資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。部分驗(yàn)證曲線如圖4所示。由實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果的比較可見，各測(cè)站的計(jì)算與實(shí)測(cè)潮位、流速、流向在連續(xù)的變化過程中都比較接近，基本滿足現(xiàn)行《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》要求?？傮w上看，本報(bào)告所建立的潮流模型比較全面地反映了工程區(qū)附近海域的潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可對(duì)納潮河開通后流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析開通前后流場(chǎng)變化。

4-a 2014年6月

4-b 2017年2月圖4 實(shí)測(cè)與計(jì)算潮位、流速、流向?qū)Ρ菷ig.4 Comparisons between measured and calculated tidal level, current velocity and flow direction

4 納潮河開通前后水流運(yùn)動(dòng)模擬

4.1 納潮河開通前潮流特征

圖5 工程前流場(chǎng)(左：漲潮；右：落潮)Fig.5 Flow field before engineering(Left: flood tide; Right: ebb tide)

納潮河開通前，漲潮時(shí)東側(cè)來的漲潮水體一部分沿老龍溝向東區(qū)港池填充，一部分向甸頭方向流動(dòng)，繞過甸頭后分別進(jìn)入中區(qū)一、二港池，受口門防波堤挑流，港內(nèi)形成順時(shí)針回流。落潮時(shí)，落潮水體從西側(cè)而來，一部分分別進(jìn)入中區(qū)二港池和一港池，一部分沿邊界繼續(xù)向東流動(dòng)，經(jīng)過甸頭后繼續(xù)向東，并與沿老龍溝下泄的落潮流匯合然后向?yàn)惩饬鞒?。納潮河附近處于灣頂，中區(qū)二港池頂端，水流較弱。流場(chǎng)如圖5所示。

4.2 納潮河局部開通后潮流特征

圖6 納潮河開通后流場(chǎng)(左：漲潮；右：落潮)Fig.6 Flow field after the opening of the Nachao River (Left: flood tide; Right: ebb tide)

納潮河開通后，漲潮時(shí)東側(cè)來的漲潮水體一部分沿老龍溝向東區(qū)港池填充，一部分沿邊界經(jīng)甸頭向東流動(dòng)，然后經(jīng)中區(qū)二港池口門進(jìn)入向?yàn)稠斕畛洌诩{潮河西側(cè)與東區(qū)漲潮水體匯合(圖6)，漲急過后水體繼續(xù)經(jīng)過納潮河向東運(yùn)動(dòng)，在納潮河?xùn)|側(cè)與東區(qū)漲潮水體相匯；東區(qū)港池南側(cè)水域水體始終保持向西運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。落潮時(shí)，從西側(cè)來的落潮流一部分進(jìn)入中區(qū)二港池向內(nèi)涌入，然后經(jīng)納潮河進(jìn)入東區(qū)水域，待3 h后(落潮時(shí)刻，圖6)，二港池內(nèi)水流反向流動(dòng)，由向北向里轉(zhuǎn)為向南從口門流出，而三港池始終保持向東側(cè)流出狀態(tài)。由于中區(qū)一港池與其他港池沒有聯(lián)通，其漲潮呈現(xiàn)從口門向里，落潮呈現(xiàn)從口門向外流動(dòng)趨勢(shì)。中區(qū)一港池口門內(nèi)5 km以內(nèi)始終處于回流區(qū)。

納潮河通道由于過水通道較窄，水深較淺，最大流速可達(dá)到1.7 m/s。中區(qū)一港池內(nèi)流速較小，大部分在0.20 m/s以內(nèi)。中區(qū)二港池流速呈口門外側(cè)大，納潮河通道處流速大，中間大部分流速在0.20 m/s以下。東區(qū)水域流速呈從西向東逐漸增大的趨勢(shì)，流速基本在0.60 m/s以內(nèi)。

4.3 規(guī)劃實(shí)施后潮流特征

圖7 規(guī)劃實(shí)施后局部流速矢量圖(左：漲潮；右：落潮)Fig.7 Vector map of flow velocity after the implementation of the plan (Left: flood tide; Right: ebb tide)

規(guī)劃方案實(shí)施后，中區(qū)一、二和東區(qū)港池全部連通，并疏浚至設(shè)計(jì)水深，中區(qū)一港池設(shè)計(jì)水深-15 m，二港池分南北兩部分，南側(cè)設(shè)計(jì)水深-13 m、北側(cè)設(shè)計(jì)水深-7 m，東區(qū)三個(gè)港池南側(cè)水域設(shè)計(jì)水深-11 m。數(shù)模模擬得到(圖7)，規(guī)劃方案實(shí)施后，漲潮時(shí)東側(cè)來的漲潮水體一部分沿老龍溝向東區(qū)港池填充，一部分沿邊界經(jīng)甸頭向東流動(dòng)，經(jīng)三港池的漲潮水體會(huì)由納潮河進(jìn)入中區(qū)二港池，從二港池流出，并與口門外由東向西的漲潮流匯合。漲潮初期，中區(qū)一港池呈進(jìn)流狀態(tài)，口門處于回流區(qū)，待3 h后，受北部二港池水流影響，會(huì)有一小部分水體從北部涌入一港池，在一港池內(nèi)形成兩股水流的頂托，一港池內(nèi)水體流向不斷向南偏轉(zhuǎn)，但口門5 km內(nèi)始終處于回流區(qū)內(nèi)。

落潮時(shí)，水流基本呈反向，西側(cè)來的落潮水流一部分進(jìn)入中區(qū)二港池后再經(jīng)東區(qū)老龍溝航道流出，一部分沿邊界向東流動(dòng)，并與老龍溝下泄的落潮流匯合然后向?yàn)惩饬鞒觥４浼边^后，從納潮河?xùn)|側(cè)水體反向，中區(qū)二港池內(nèi)水體向南轉(zhuǎn)向從口門流出。東區(qū)港池南側(cè)水體始終處于向東側(cè)流出趨勢(shì)。落潮初期，中區(qū)一港池北部水體進(jìn)入二港池，南側(cè)處于逆時(shí)針回流區(qū)，隨落潮進(jìn)行，一港池水體呈現(xiàn)向口門流出狀態(tài)，待低潮位時(shí)呈現(xiàn)向里流動(dòng)趨勢(shì)。

從流速數(shù)值角度，規(guī)劃實(shí)施后，外海流速分布基本沒變，二港池內(nèi)流速明顯加大，納潮河通道處最大流速接近0.8 m/s，從納潮河向西流速基本呈減小趨勢(shì)；一港池流速呈現(xiàn)兩頭大中間小趨勢(shì)，口門和位于二港池相交的北端流速較大，但最大流速基本在0.30 m/s以內(nèi)。

4.4 納潮河開通影響分析

結(jié)合以上流場(chǎng)分析結(jié)果可知，納潮河開通后，雖然沒有改變大范圍潮流運(yùn)動(dòng)特征，但是對(duì)中區(qū)一、二港池和東區(qū)航道北部水域水流運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定影響。開通前，納潮河兩側(cè)為漲潮匯集點(diǎn)，但局部開通后，漲潮期間水流會(huì)從東區(qū)流向二港池，在二港池內(nèi)與從口門而入的漲潮流匯合，落潮時(shí)東區(qū)大部分水體沿老龍溝向外海流出，而少量會(huì)通過二港池流出；待納潮河全部開通并疏浚至設(shè)計(jì)水深，形成三港池連通后，漲潮時(shí)水體會(huì)經(jīng)由三港池向二港池流動(dòng)，而落潮時(shí)二港池內(nèi)一部分經(jīng)二港池口門流出外，部分水體經(jīng)東區(qū)水域沿老龍溝航道流出，可見，隨著納潮河開通及浚深，曹妃甸港池內(nèi)水流流動(dòng)趨勢(shì)發(fā)生了變化，且納潮河開通后竣深，一、二港池及東區(qū)老龍溝航道水域均為流速增加，增加幅度在0.02～0.32 m/s，對(duì)船舶靠泊可能會(huì)帶來一定的安全隱患，需要引起關(guān)注。

將納潮河全部開通并疏浚至設(shè)計(jì)水深，形成三港池連通前后工程海域全潮平均流速對(duì)比可知，納潮河開通后，中區(qū)一港池全潮平均流速增加，增幅在0.03～0.13 m/s之間；漲落潮最大流速為0.45 m/s，較工程前增加0.21 m/s，增幅93%。中區(qū)二港池漲落潮最大流速為0.44 m/s，較工程前減小了0.25 m/s，減幅37%；全潮平均流速有增有減，變化數(shù)值在-0.02～0.15 m/s之間。納潮河通道內(nèi)漲落潮最大流速為0.48 m/s，較工程前減小了0.21 m/s，減幅30.3%；全潮平均流速變化數(shù)值在-0.02～0.17 m/s之間。東區(qū)老龍溝航道內(nèi)漲落潮最大流速為0.87 m/s，較工程前增加0.03 m/s，增幅4%；全潮平均流速增加0.01～0.12 m/s之間。

甸頭附近流速略有變化。華能碼頭前流速以減小為主，最大流速最大減小數(shù)值為0.21 m/s，減小幅度為24%以內(nèi)，平均流速減小數(shù)值在0.04～0.11 m/s，減小幅度在8%～24%之間。礦石碼頭前流速變化幅度較小，以略有減小為主，最大減幅在2%以內(nèi)。原油碼頭前流速有增有減，最大流速變化數(shù)值為0.06 m/s，變幅為6%，全潮平均流速變幅4%以內(nèi)。LNG碼頭前最大流速變化數(shù)值最大為0.06 m/s，變幅6%，平均流速變化數(shù)值最大為0.04 m/s，變幅為7%，呈減小趨勢(shì)。

5 結(jié)語

本文采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬兩種手段對(duì)納潮河開通前后流場(chǎng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明隨著納潮河局部開通，港池內(nèi)局部水流運(yùn)動(dòng)特征發(fā)生了變化：

(1)曹妃甸建港期間，納潮河一直呈封堵狀態(tài)，漲潮時(shí)漲潮水體分別從老龍溝航道和中區(qū)二港池涌入，填充至納潮河封堵處，落潮時(shí)反向流出，即納潮河封堵處為分流點(diǎn)。納潮河局部開通后，納潮河兩側(cè)漲落潮期間水流流態(tài)會(huì)發(fā)生變化。漲潮期間，水流會(huì)經(jīng)過老龍溝航道進(jìn)入二港池，而落潮期間，二港池北部一部分水流也會(huì)經(jīng)東區(qū)老龍溝航道流出，表明納潮河開通后，其分流點(diǎn)向二港池方向移動(dòng)；

(2)總體規(guī)劃實(shí)施，即中區(qū)和東區(qū)港池連通且疏浚至設(shè)計(jì)水深后，漲潮水體會(huì)經(jīng)老龍溝航道進(jìn)入二港池并從二港池口門流出的趨勢(shì)，落潮期間，二港池一部分水體經(jīng)二港池口門流出，一部分會(huì)經(jīng)老龍溝航道流出，表明納潮河的開通對(duì)港池局部流態(tài)產(chǎn)生了一定影響，但不會(huì)影響甸頭及兩側(cè)大范圍流場(chǎng)；

(3)納潮河開通后，中區(qū)一、二港池及老龍溝航道水域均為流速增加，增加幅度在0.02～0.32 m/s，增加比率可達(dá)到150%以上，給船舶靠離泊可能會(huì)帶來一定的安全隱患，需要引起關(guān)注，建議下一步開展通航安全論證研究。