天津港大沽口港區(qū)三維潮流數(shù)值模擬

肖立敏，孫林云，孫 波，韓 信，劉建軍

(1. 南京水利科學(xué)研究院河流海岸研究所，江蘇 南京 210029；2. 河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；3. 港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024)

天津港大沽口港區(qū)位于渤海灣西北側(cè)的海河口南側(cè)，見圖1。港區(qū)現(xiàn)已建成10萬噸級大沽沙航道，底寬375 m、底高程-14.5 m(當(dāng)?shù)乩碚摶??？陂T防波堤東、北堤分別建至C、G點(diǎn)，形成喇叭狀，口門位于航道里程16+000附近，寬度1 360 m。現(xiàn)狀布置條件下，港內(nèi)波浪掩護(hù)效果較差。為改善泊穩(wěn)條件，結(jié)合港區(qū)規(guī)劃，擬延伸口門東、北防波堤。延伸段防波堤走向與航道平行，東防波堤延伸1 500 m至D點(diǎn)，為出水堤，堤頂高程5.0 m；北防波堤延伸2 350 m至I點(diǎn)，其中1 500 m為出水堤(GH段)，850 m為潛堤(HI段，堤頂高程為2.5 m)。延伸方案見圖2。

圖1 港區(qū)平面布置及大潮分層流速矢量圖

圖2 港區(qū)平面布置方案

水流條件是港區(qū)口門防波堤建設(shè)需要重點(diǎn)考慮的問題之一。一些學(xué)者針對渤海灣內(nèi)的潮流特性開展了研究，如張?jiān)矫赖萚1]基于河口、陸架和海洋模型(ECOM)建立了渤海灣三維變動(dòng)邊界潮流模型；孫長青等[2]、陳昌波等[3]分別模擬了渤海灣二維和三維潮流分布；吳相忠等[4]模擬了黃驊港三維潮流流場；肖立敏等[5]建立平面二維潮流數(shù)學(xué)模型，研究了天津港大港港區(qū)口門潮流特性。以往研究主要針對渤海灣大范圍潮波系統(tǒng)或港口工程的二維水流特性。鑒于潛堤等復(fù)雜建筑物，為了更好地模擬，建立三維潮流數(shù)學(xué)模型，分析大沽口港區(qū)防波堤延伸布置下的潮流分布，從水流條件角度，為口門布置提供依據(jù)。

1 潮汐潮流概況

工程海域潮汐類型屬不規(guī)則半日潮，日潮不等現(xiàn)象明顯，漲潮歷時(shí)約為5.5 h，落潮歷時(shí)約為7 h。歷年平均高、低潮位為3.77和1.34 m，平均潮差2.43 m。

2013年10月在工程區(qū)附近共布置了5條垂線(V1～V5)。大潮分層流速矢量圖見圖1，口門附近V5點(diǎn)的分層流速流向過程對比見圖3。從流速平面分布來看，港區(qū)附近海域，潮流以往復(fù)流運(yùn)動(dòng)為主。港區(qū)所在海域?yàn)槌绷鞣至鼽c(diǎn)，漲潮時(shí)，部分水流向北側(cè)的天津港方向偏轉(zhuǎn)，部分水流向南偏轉(zhuǎn)。落潮時(shí)，則反之。從流速大小來看，V2～V5水深均在5.5 m左右，漲潮最大流速在0.57～0.66 ms，落潮最大流速為0.49～0.60 ms。港區(qū)內(nèi)的V1處水深在18 m左右，流速相對較小，漲落潮最大流速為0.27 ms。從流速垂線分布來看，表層流速要略大于0.6h水深處流速，底層流速明顯較小。以V1點(diǎn)為例，表層、0.6h水深和底層最大流速分別為0.27、0.23和0.14 ms。從流向上看，各層分布較為一致，V1處上述3層漲急時(shí)刻流向分別為297°、298°和282°。

圖3 實(shí)測大潮V5處分層流速和流向過程對比

2 三維潮流數(shù)學(xué)模型建立及驗(yàn)證

2.1 控制方程

數(shù)學(xué)模型采用正交曲線坐標(biāo)(ξ，η)，在垂直方向上采用σ坐標(biāo)。連續(xù)方程為[6-7]：

(1)

ξ和η方向的動(dòng)量方程為：

(2)

(3)

2.2 模型建立與驗(yàn)證

模型范圍涵蓋整個(gè)渤海灣。模型網(wǎng)格步長約800 m，在工程區(qū)附近加密至100 m，局部區(qū)域加密至20 m，見圖4。沿水深方向分為12層，其中最上面兩層和最下面兩層占水深的比例均為5%，其余8層占水深的比例均為10%[8]。采用2013年10月現(xiàn)場大潮全潮水文測驗(yàn)資料，對模型進(jìn)行驗(yàn)證。測驗(yàn)內(nèi)容包括2個(gè)臨時(shí)潮位站的潮位以及5條垂線的分層流速、流向。

圖4 模型網(wǎng)格

模擬的渤海灣海域大潮漲急垂線平均流場見圖5。大沽口港區(qū)附近海域漲、落急時(shí)刻表層和底層流速的分布對比見圖6。從平面分布來看，漲潮期間，外海水流基本沿著垂直于岸線方向朝近岸運(yùn)動(dòng)，水流進(jìn)入港區(qū)，受已建東、北防波堤影響，在口門附近流速較大，且主流基本沿著平行于北防波堤出水堤方向運(yùn)動(dòng)，并形成逆時(shí)針回流區(qū)域。落潮流態(tài)與漲潮流態(tài)大致相反，口門附近水流與航道夾角較大。從分層流速分布來看，底部流速明顯要小于表層流速。兩層流速的流向基本一致。流速平面分布以及垂線分層分布及其變化趨勢與實(shí)測結(jié)果較為一致。

圖5 模擬的渤海灣垂線平均漲急流場分布

圖6 現(xiàn)狀方案口門附近漲落急分層流速分布

實(shí)測大潮時(shí)段計(jì)算的潮位過程與實(shí)測值的對比見圖7，計(jì)算的潮位與實(shí)測吻合較好，高、低潮潮位、相位均比較吻合。V5處表層、0.6h水深以及底層的流速、流向計(jì)算值與實(shí)測值的對比見圖8，計(jì)算值與實(shí)測值均吻合較好。上述驗(yàn)證結(jié)果表明，建立的三維模型能較好地模擬工程區(qū)海域潮汐潮流動(dòng)力特性。

圖7 潮位過程驗(yàn)證曲線

圖8 V5處分層流速和流向過程驗(yàn)證曲線

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 水流流態(tài)

東、北防波堤延伸方案大沽口港區(qū)附近海域漲、落急時(shí)刻0.6h水深處流場分布見圖9?？梢钥闯?，漲潮期間，由于受到平行于航道的東、北防波堤延伸段的作用，在該束窄段流速相對較大，流向基本上與航道平行，水流進(jìn)入港區(qū)后流速逐漸減小，且口門區(qū)回流基本消失。落潮時(shí)，水流流態(tài)較為平順，與航道夾角較現(xiàn)狀方案明顯減小。東、北防波堤延伸段形成后，港區(qū)口門附近水流流態(tài)有明顯改善，有利于船舶航行。

圖9 東、北防波堤延伸方案漲落急垂線平均流速分布

3.2 水流流速

漲、落潮期間，東、北防波堤延伸方案沿航道中心軸線表層、0.6h水深和底層的最大流速沿程分布見圖10。0.6h水深沿程流速分布較表層略小，底層流速明顯要小。漲潮期間，上述3層最大流速依次為0.64、0.60和0.44 ms，出現(xiàn)在航道里程16+500處，即延伸段起點(diǎn)附近；落潮期間，最大流速依次為0.53、0.51和0.37 ms，出現(xiàn)在航道里程17+000處，即東堤、北堤延伸段出水堤堤頭附近。各層漲潮流速均強(qiáng)于落潮流速。

注：+為漲潮，-為落潮。

統(tǒng)計(jì)分析東北防波堤延伸方案實(shí)施前后表層和0.6h水深處最大橫流沿程分布，見圖11。相同口門布置條件下，表層和0.6h水深處橫流沿程分布基本相同，主要是在航道里程15+000～18+000處，前者略大于后者?，F(xiàn)狀條件下，漲、落潮期間，由于口門內(nèi)水流較強(qiáng)，且與航道夾角較大，橫流也相對較大，0.6h水深處最大橫流速度分別為0.33和0.23ms，分別位于航道里程14+000和13+000附近。東、北防波堤延伸段工程實(shí)施后，橫流較現(xiàn)狀方案明顯減小，0.6h水深處漲、落潮最大橫流流速分別為0.15和0.12 ms左右，出現(xiàn)位置均在航道里程14+000處。計(jì)算結(jié)果表明，防波堤延伸方案實(shí)施后，航道口門附近水流更為平順，橫流進(jìn)一步減小。

注：+為漲潮，-為落潮。

4 結(jié)論

1)實(shí)測和潮流數(shù)學(xué)模型結(jié)果均表明，天津港大沽口港區(qū)附近表層與0.6h水深處流速大小較為接近，底層流速明顯較小。上述3層流向基本一致。

2)大沽口港區(qū)現(xiàn)有口門防波堤呈喇叭狀，漲潮期間，口門附近流速較大，且口門區(qū)有回流；落潮時(shí)水流與航道夾角較大?？陂T航道處橫流相對較大。

3)大沽口港區(qū)口門東、北防波堤延伸工程實(shí)施后，口門航道附近水流流態(tài)明顯改善，橫流流速也進(jìn)一步減小，有利于船舶通行。

4)從水流條件考慮，大沽口港區(qū)東、北防波堤延伸走向與航道平行，并分別延伸1 500和2 350 m，是較為適宜的?？陂T延伸布置方案綜合考慮波浪泊穩(wěn)和泥沙淤積予以確定。