連云港埒子口海域潮動(dòng)力特征及其變化

鄒春蕾,王志力,甄 峰,徐 歡

(1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司,江蘇 南京210029;2.南京水利科學(xué)研究院 河流海岸研究所,江蘇 南京210024)

埒子口位于江蘇省連云港市徐圩新區(qū)灌云縣境內(nèi),是沂沭泗流域沂北地區(qū)主要入海外排口門(mén)之一,是燒香河(含燒香支河)、古泊善后河、車軸河、東門(mén)五圖河和牛墩界圩河五條河道的共用出口處。沂北地區(qū)位于江蘇省東北部,是江蘇省17個(gè)水利分區(qū)之一。該區(qū)南至新沂河,西、北至總沭河和蘇魯省界,東臨黃海,行政區(qū)包含連云港市區(qū)、贛榆區(qū)、東?？h、灌云縣的全部和新沂市、沭陽(yáng)縣的一部分。20世紀(jì)50年代,在埒子口陸續(xù)興建了燒香河閘、善后河閘、車軸河閘、五圖閘和圖西閘,沂北地區(qū)澇水從埒子口排出[1]。擋潮閘多年運(yùn)行之后,由于埒子口閘下港道過(guò)長(zhǎng),漲潮流攜帶的泥沙在閘下逐漸淤積,導(dǎo)致埒子口排水不暢,進(jìn)而造成沂北地區(qū)洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。近年來(lái),隨著連云港30萬(wàn)噸級(jí)航道建設(shè),徐圩港城港區(qū)和灌河口導(dǎo)流堤建設(shè),埒子口所在海域從開(kāi)放式海岸變成半封閉式海岸,埒子口海域的潮流動(dòng)力也隨之改變。因此,研究埒子口海域潮流動(dòng)力特征及其對(duì)周邊海岸工程(徐圩港防波堤和灌河口導(dǎo)堤)的響應(yīng),對(duì)治理埒子口閘下淤積和解決沂北地區(qū)排水不暢問(wèn)題具有重要意義。

連云港港口是我國(guó)海運(yùn)的重要組成部分,自20世紀(jì)70年代以來(lái),眾多學(xué)者對(duì)連云港的潮波動(dòng)力特征、沉積物和沉積環(huán)境特征以及海岸演變機(jī)制等做了大量的研究[2-6]。在數(shù)值模擬方面,林巖等[7]模擬了連云港旗臺(tái)防波堤建成前后港區(qū)的潮流特性變化;張瑋等[8]建立了潮流數(shù)學(xué)模型分析環(huán)抱式防波堤對(duì)潮汐的影響,指出連云港外海潮流以旋轉(zhuǎn)流為主,環(huán)抱式防波堤對(duì)潮流流矢基本無(wú)影響,環(huán)抱式防波堤附近的流矢從旋轉(zhuǎn)流到往復(fù)流的過(guò)渡變成沿防波堤的往復(fù)流;丁軍華等[9]從港池平面形態(tài)、航道橫流和口門(mén)流速等方面研究了徐圩港工程不同的布置形式對(duì)航道的影響;謝軍等[10]建立了三維潮流數(shù)學(xué)模型模擬臺(tái)風(fēng)“韋帕”作用下的潮流場(chǎng),研究大風(fēng)天對(duì)潮流的影響。

前人的數(shù)值模擬研究主要針對(duì)工程布設(shè)對(duì)自身的影響,極少關(guān)注工程對(duì)其附近海域的影響,所以,本文將建立基于有限體積法離散二維淺水方程的數(shù)值模型,進(jìn)一步模擬研究埒子口的潮流動(dòng)力特征及其對(duì)徐圩港防波堤和灌河口導(dǎo)堤工程的響應(yīng),以期為治理埒子口閘下淤積問(wèn)題提供參考。

1 水動(dòng)力模型簡(jiǎn)介

利用由Wang等[11]開(kāi)發(fā)的二維水動(dòng)力模型,該模型控制方程為基于水深平均的淺水方程:

式中,t為時(shí)間;x,y為空間平面方向;h為水深;u,v分別為x,y方向的流速;Pa為水面大氣壓力;ρ為水的密度;zb為床底高程;g為重力加速度;τax,τay為風(fēng)載的作用力;τbx,τby為床面切應(yīng)力;f為科氏力系數(shù),其中為地球自轉(zhuǎn)角速度,是當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

2 計(jì)算區(qū)域與模型設(shè)置

2.1 計(jì)算區(qū)域

建立了埒子口及口外海區(qū)的水動(dòng)力模型,計(jì)算區(qū)域如圖1所示。模型以北至青島市黃島區(qū)、南至江蘇省射陽(yáng)縣的岸線為閉邊界,開(kāi)邊界設(shè)置在外海40 m 等深線附近,向南北延伸與閉邊界相交。計(jì)算區(qū)域沿岸方向距離251 km,離岸方向距離157 km,計(jì)算區(qū)域面積22 505 km2。

圖1 計(jì)算區(qū)域Fig.1 Computational domain

模型計(jì)算網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格系統(tǒng),非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格系統(tǒng)可以處理復(fù)雜邊界并可對(duì)局部計(jì)算區(qū)域加密。外海網(wǎng)格較為稀疏,埒子口及其附近區(qū)域網(wǎng)格加密,網(wǎng)格共有65 344個(gè)單元、57 947個(gè)節(jié)點(diǎn),最深處40.56 m,最淺處4.54 m,最大邊長(zhǎng)3 143.6 m,最短邊長(zhǎng)9.8 m,網(wǎng)格布置如圖2所示。坐標(biāo)系統(tǒng)采用“北京54坐標(biāo)系”(X和Y坐標(biāo)為“北京54坐標(biāo)系”平面坐標(biāo)值,單位為m),高程系統(tǒng)采用“1985國(guó)家高程系統(tǒng)”。

2.2 模型設(shè)置

大范圍的近海模型通常采用水位控制開(kāi)邊界,因?yàn)樗谎貦M斷面的變化較小,潮波傳播到研究區(qū)域時(shí)與實(shí)際情況相符。對(duì)小范圍模型而言,如果僅用潮位控制開(kāi)邊界,外海潮波的重力勢(shì)能得到體現(xiàn),但潮波的傳播動(dòng)能沒(méi)有被反映,研究區(qū)域潮波的計(jì)算流速與實(shí)際流速不符,因此小范圍近海模型采用水位和流速共同控制開(kāi)邊界[12]。本文首先建立了渤、黃海大范圍潮流數(shù)學(xué)模型,開(kāi)邊界數(shù)據(jù)采用潮汐預(yù)報(bào)系統(tǒng)NAO.99b的計(jì)算結(jié)果。用實(shí)測(cè)水文資料驗(yàn)證渤、黃海模型的準(zhǔn)確性后,從其模擬結(jié)果中提取埒子口模型開(kāi)邊界位置對(duì)應(yīng)的水位和流速數(shù)據(jù),作為埒子口開(kāi)邊界的控制條件。

水深數(shù)據(jù)來(lái)自潮連島到射陽(yáng)河口海圖。時(shí)間步長(zhǎng)取為60 s,實(shí)際計(jì)算中,根據(jù)方程穩(wěn)定性條件,時(shí)間步長(zhǎng)自適應(yīng)。

圖2 埒子口及其附近海域網(wǎng)格分布Fig.2 Grids in the Liezikou and its adjacent sea areas

3 結(jié)果與分析

3.1 模型驗(yàn)證

驗(yàn)證資料為2006年1月長(zhǎng)江下游水文水資源勘測(cè)局在連云港南北港區(qū)進(jìn)行的冬季同步全潮水文測(cè)驗(yàn)成果[13],驗(yàn)潮站有6個(gè),流速測(cè)驗(yàn)點(diǎn)有12個(gè)(圖3)。

由埒子口潮動(dòng)力模型的潮位驗(yàn)證(圖4)和流速流向驗(yàn)證(圖5)結(jié)果可知,該海域高潮位約為3 m,低潮位約為-3 m,潮差小于6 m(圖4);外海以旋轉(zhuǎn)流為主(圖5d～圖5j),近岸以往復(fù)流為主(圖5a和圖5k),潮流流速一般不大于1 m/s(圖5a～圖5j);其中11#點(diǎn)流速較大,主要是因?yàn)?1#點(diǎn)在灌河深槽位置,受灌河徑流影響較大。模型計(jì)算所得潮位過(guò)程、流速流向過(guò)程在相位和數(shù)值上與實(shí)測(cè)值吻合較好,也與實(shí)際情況符合,這說(shuō)明模型能夠反映埒子口海域的潮流動(dòng)力特性。

圖3 水文測(cè)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Layout of hydrographic survey points

圖4 6個(gè)驗(yàn)潮站潮位驗(yàn)證Fig.4 Verification of tide level at 6 tidal stations

圖5 12個(gè)測(cè)驗(yàn)點(diǎn)流速流向驗(yàn)證Fig.5 Verification of current velocity and direction at 12 measuring points

3.2 埒子口海域潮流特性

埒子口海域?yàn)檎?guī)半日潮,一個(gè)太陰日內(nèi)出現(xiàn)兩次高(低)潮。由于潮波的淺水變形,漲潮歷時(shí)與落潮歷時(shí)不等,漲潮平均歷時(shí)5 h 30 min,落潮平均歷時(shí)6 h 48 min,平均潮差約3.4 m。漲潮流速大于落潮流速。潮位與流速的相位在南、北部有明顯差異,最大流速出現(xiàn)在高、底平潮階段,漲、落潮過(guò)程中最大流速值出現(xiàn)在中潮位附近。

由埒子口海域未修建徐圩港防波堤和灌河口導(dǎo)堤時(shí)的漲、落急流場(chǎng)圖(圖6)可以看出:連云港外海深水區(qū)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流,近海為沿岸往復(fù)流;漲潮時(shí)潮流由沿岸(SE 向)的漲潮流和外海的向岸方向(SW向)漲潮流組成,埒子口以SE向漲潮流為主;落潮時(shí)水流由近岸的NW 向逐漸轉(zhuǎn)為N 向直至外海的NE向。流速分布方面,從外海至近岸流速逐漸減小,外海流速一般不大于1 m/s,近岸垂線平均流速低于0.5 m/s,漲急時(shí)刻流速略大于落急時(shí)刻流速。由余流的計(jì)算結(jié)果表明,埒子口海域余流方向?yàn)镾E 向,近似與岸平行,灌河口沙嘴處余流受地形影響向東偏轉(zhuǎn),余流流速表現(xiàn)出“外海小,近岸大”的分布特點(diǎn),余流最大流速約為0.12 m/s。

圖6 工程前漲、落急時(shí)刻流場(chǎng)Fig.6 Maximum flood and ebb flow fields before the projects

3.3 徐圩防波堤和灌河口導(dǎo)堤對(duì)潮動(dòng)力的影響

3.3.1 工程概況

徐圩港區(qū)由東、西防波堤形成環(huán)抱型港灣,兩條防波堤之間海岸線總長(zhǎng)約13 km,口門(mén)離岸距離9.5 km,口門(mén)位于5 m 等深線附近。東、西防波堤從現(xiàn)有海堤至港區(qū)口門(mén)一次形成,防波堤總長(zhǎng)約為22.0 km。港內(nèi)最終可形成約34.6 km 碼頭岸線,形成后方陸域約48.71 km2。于2012 年10 月開(kāi)工建設(shè),2017年6月建成。

灌河口為灌河入?？?海域海岸線大致為NW-SE 走向。灌河口海域水下地形平坦,5 m 等深線離岸約12 km 左右,10 m 等深線離岸約19 km,近岸水深小,低潮位時(shí)近岸露出大片灘涂。2012年灌河口建成雙導(dǎo)流堤。

3.3.2 潮流動(dòng)力變化

在海岸線和徐圩港東防波堤附近,潮流為沿堤岸的往復(fù)流,隨著向外海推移,潮流的旋轉(zhuǎn)性質(zhì)逐漸凸顯。受工程建筑物的影響,漲潮時(shí)潮流從外海的SE向在徐圩港東防波堤附近為沿堤向(S向),東防波堤與灌河口導(dǎo)堤之間海域的漲潮流以SE向漲潮流為主。埒子口口門(mén)處漲潮流由SE向轉(zhuǎn)至S向,與灌河口之間的近岸處以SE向沿岸流為主(圖7)。相比于未修建工程時(shí),外海漲潮流速基本不變,徐圩港防波堤和灌河口導(dǎo)堤建筑物內(nèi)流速普遍減小,埒子口口內(nèi)流速也減小。

當(dāng)落潮時(shí),水流由近岸的NW 向逐漸轉(zhuǎn)為N 向直至轉(zhuǎn)為外海的NE向。外海落潮流速略小于漲潮流速,且小于未修建工程時(shí)的落潮流速;徐圩港防波堤口門(mén)處和灌河口導(dǎo)堤堤頭處流速大幅增大,最大流速可達(dá)1.9 m/s。余流除在徐圩港東防波堤附近為沿堤向(S向)外,仍以SE 向?yàn)橹?余流流速基本不變。

徐圩港防波堤和灌河導(dǎo)堤工程建設(shè)后,埒子口潮流的平均流速發(fā)生變化(圖8)。受工程影響,埒子口海域的漲、落潮平均流速都減小。漲潮時(shí),徐圩港防波堤附近平均流速減小0.1～0.2 m/s,灌河口西導(dǎo)堤附近平均流速減小可達(dá)0.3 m/s,埒子河的平均流速減小0.1 m/s以上。落潮時(shí),河道內(nèi)流速略微增加,埒子口區(qū)域平均流速減小0.1～0.2 m/s,灌河口西導(dǎo)堤附近平均流速最大減小幅度可達(dá)40%。

在埒子口內(nèi)選取9個(gè)取樣點(diǎn)(位置見(jiàn)圖9),比較工程前后最大漲潮流速、最大落潮流速變化(表1)可知,修建徐圩港防波堤工程和灌河口導(dǎo)堤工程后,埒子口最大漲潮流速和最大落潮流速的變化都呈減小的趨勢(shì)?？梢钥吹?工程對(duì)漲潮流速的影響更大,大多數(shù)點(diǎn)(除1#、3#、5#外)的最大漲潮流速變化值大于最大落潮流速的變化值;越靠近工程區(qū)域,流速受影響越大,7#點(diǎn)最大漲潮流速減小0.1 m/s,遠(yuǎn)大于其他點(diǎn)的變化幅度。

圖7 工程后漲、落急時(shí)刻流場(chǎng)Fig.7 Maximum flood and ebb flow fields after the projects

圖8 工程后埒子口平均漲、落潮流速變化Fig.8 Changes in the average current velocity of flood and ebb tides in the Liezikou area after the projects

表1 修建工程后埒子口最大漲潮流速和落潮流速變化值Table 1 Variations of the maximum flow velocities of the flood and ebb tides after the projects

圖9 埒子口內(nèi)9個(gè)取樣點(diǎn)的位置Fig.9 Location of the 9 sampling points in the Liezikou area

徐圩港防波堤和灌河導(dǎo)堤工程實(shí)施后,對(duì)埒子口區(qū)域產(chǎn)生較大影響。防波堤與導(dǎo)堤之間形成了遮蔽區(qū),平均流速減小,流速減小范圍從近岸至外海,而防波堤堤頭的南側(cè)受到堤頭的挑流作用,流速略有增加。埒子口口內(nèi)漲、落潮平均流速均降低,埒子河流速減小10%以上。由于外海潮流特性基本不變,挾沙能力不發(fā)生改變,而埒子口潮流動(dòng)力減弱,外海潮流攜帶的大量泥沙進(jìn)入埒子口后流速減小,泥沙沿程淤積,擋潮閘閘下淤積將影響埒子口的排水能力,降低沂北地區(qū)的防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)。因此,相關(guān)航運(yùn)和河閘管理部門(mén)應(yīng)采取措施及時(shí)疏浚河道,治理淤積泥沙,保證埒子口排水通暢。

4 結(jié) 論

本文建立了埒子口海域二維潮流數(shù)值模型。在利用實(shí)測(cè)水文資料對(duì)模型進(jìn)行率定驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,應(yīng)用該模型分析了埒子口的潮流動(dòng)力特征及其對(duì)徐圩港防波堤和灌河口導(dǎo)堤的響應(yīng),得到結(jié)論:

1)埒子口海域潮流為正規(guī)半日潮,深海以旋轉(zhuǎn)流為主,近岸為往復(fù)流。漲急流速略大于落急流速,外海流速一般小于1 m/s,近岸垂線平均流速小于0.5 m/s。余流計(jì)算顯示該海域余流流向主要為沿岸向(SE向),余流流速小于0.1 m/s。

2)徐圩港防波堤和灌河口導(dǎo)堤工程對(duì)埒子口海域的影響很大。建設(shè)工程后,漲、落潮流在建筑物附近變?yōu)檠氐滔?由于防波堤和導(dǎo)堤的遮蔽作用,埒子口海域漲、落潮平均流速均減小,埒子河流速減小10%以上;最大漲潮流速變化幅度大于最大落潮流速的變化幅度,且越靠近工程位置,變化越大。

3)徐圩港防波堤工程和灌河口導(dǎo)堤工程建設(shè)后,埒子口海域潮流動(dòng)力減弱,漲潮流攜帶的泥沙會(huì)逐漸淤積在擋潮閘閘下,使得埒子口排水能力下降,降低了沂北地區(qū)的排澇標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)航運(yùn)和河閘管理部門(mén)應(yīng)及時(shí)采取措施對(duì)埒子口進(jìn)行整治,保證埒子口排水暢通。