通州灣規(guī)劃港區(qū)對(duì)臺(tái)風(fēng)暴潮的沖淤響應(yīng)研究

羅廣勝，潘 毅，李 琳

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.田納西州立大學(xué) 土木建筑系，田納西 納什維爾37209)

通州灣海域位于江蘇沿海輻射沙洲區(qū)南緣，受岸外輻射狀潮流場(chǎng)影響[1]，海域內(nèi)沙洲、水道相間分布，形成了灘槽相間的動(dòng)力地貌結(jié)構(gòu)，為港區(qū)開(kāi)發(fā)提供了良好的深水岸線和后備土地資源依托[2]。2016 年后，港區(qū)進(jìn)入實(shí)質(zhì)開(kāi)發(fā)階段，借助海域內(nèi)腰沙、冷家沙兩處淺灘沙脊進(jìn)行圍填，同時(shí)對(duì)小廟洪及三沙洪水道進(jìn)行航道疏浚，已經(jīng)成為通州灣建成深水港的理想方案[3]。然而，正是因?yàn)榈匦魏退硹l件復(fù)雜，在建港時(shí)更應(yīng)考慮不同動(dòng)力條件下水道沙洲系統(tǒng)的穩(wěn)定性和航道回淤問(wèn)題。

關(guān)于通州灣港區(qū)灘槽穩(wěn)定性及泥沙沖淤研究，通過(guò)分析港區(qū)海岸演變背景、近期沖淤動(dòng)態(tài)和動(dòng)力泥沙環(huán)境，得出三沙洪和小廟洪水道深槽長(zhǎng)期穩(wěn)定性較好，可作為良好的深水航道資源的結(jié)論[4]；通州灣海域港口建設(shè)的自然條件特征分析表明通州灣海域?yàn)┎郾憩F(xiàn)出一定的向南偏轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)[5-6]；小廟洪至網(wǎng)倉(cāng)洪水道及其周邊水道沙洲的地形地貌特征與其演變、動(dòng)力泥沙環(huán)境特征的分析表明，網(wǎng)倉(cāng)洪水道具有開(kāi)發(fā)深水航道的前景[7]；也有學(xué)者從多因子協(xié)同作用的角度研究了通州灣海域“兩沙三槽”系統(tǒng)穩(wěn)定性等，指出其穩(wěn)定性良好[8]。總之，前人大多關(guān)注通州灣海域水道沙洲系統(tǒng)的中長(zhǎng)期塑造，而對(duì)臺(tái)風(fēng)期間產(chǎn)生的大浪和風(fēng)暴潮等動(dòng)力過(guò)程對(duì)灘槽格局的短歷時(shí)影響研究較少。

針對(duì)臺(tái)風(fēng)暴潮對(duì)通州灣規(guī)劃港區(qū)及周邊水道沙洲系統(tǒng)空間格局的影響，首先分析歷史上影響該海域的所有臺(tái)風(fēng)，根據(jù)路徑特征進(jìn)行分類(lèi)，選取每類(lèi)具有代表性的一場(chǎng)典型臺(tái)風(fēng)作為代表；然后建立雙層嵌套數(shù)學(xué)模型，在驗(yàn)證良好的基礎(chǔ)上，計(jì)算各類(lèi)典型臺(tái)風(fēng)影響下的泥沙沖淤情況，分析通州灣規(guī)劃港區(qū)及周邊海域?qū)ε_(tái)風(fēng)暴潮的沖淤響應(yīng)。

1 研究區(qū)域及臺(tái)風(fēng)特征分析

1.1 研究區(qū)域概況

通州灣海域地處江蘇南通東部沿海、長(zhǎng)江入?？诒币?，包括腰沙、冷家沙、三沙洪水道、小廟洪水道等地貌單元（圖1）。其中，腰沙和冷家沙是輻射沙洲區(qū)南端低潮出露面積最大的兩個(gè)連岸沙洲，呈半島狀自西向東分布；腰沙將南側(cè)小廟洪水道與北側(cè)的網(wǎng)倉(cāng)洪、三沙洪深槽隔離，形成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水沙系統(tǒng)[9]。

圖1 研究區(qū)域地理位置及平面布置Fig.1 Location and layout of the study area

研究海域水體的含沙量不大，大、中、小潮平均含沙量分別為0.33、0.28 和0.10 kg/m3，懸沙平均中值粒徑約0.02 mm；底質(zhì)中值粒徑小廟洪水道深槽區(qū)為0.007 mm，腰沙冷家沙沙洲區(qū)一般大于0.1 mm[10]，網(wǎng)倉(cāng)洪-三沙洪水道區(qū)懸沙中值粒徑為0.007～0.011 mm[7]。

1.2 臺(tái)風(fēng)分類(lèi)

在1945—2019 年間影響東中國(guó)海的所有臺(tái)風(fēng)中，統(tǒng)計(jì)分析了57 個(gè)影響研究海域的臺(tái)風(fēng)路徑特征，將其分為5類(lèi)。第1類(lèi)：東側(cè)掠過(guò)型，從通州灣東側(cè)掠過(guò)，它的起始位置在南海北部和菲律賓以東海域，半數(shù)影響本海域的臺(tái)風(fēng)為這種類(lèi)型；第2類(lèi)：西側(cè)掠過(guò)型，從通州灣西側(cè)掠過(guò)后進(jìn)入黃海海域轉(zhuǎn)向西北偏北，轉(zhuǎn)向后維持時(shí)間較短即停止；第3類(lèi)：南側(cè)掠過(guò)型，從通州灣南側(cè)掠過(guò)，影響范圍為東海海域，其路徑一般較曲折，在長(zhǎng)江口附近登陸；第4類(lèi)：北側(cè)掠過(guò)型，從通州灣東北側(cè)掠過(guò)，影響范圍為黃海海域，路徑通常較順直，向西北偏西方向移動(dòng)，登陸江蘇或山東沿海；第5類(lèi)：直接穿過(guò)型，直接經(jīng)過(guò)通州灣及其附近地區(qū)，多數(shù)由正南至正北方向穿過(guò)通州灣海域。

2 數(shù)學(xué)模型建立及驗(yàn)證

2.1 模型介紹

近年來(lái)，ADCIRC+SWAN 模式廣泛應(yīng)用于風(fēng)暴潮模擬和預(yù)測(cè)[11-12]，Delft3D+SWAN 模式則適用于河口海岸水沙運(yùn)動(dòng)和沖淤變化的模擬[13]。為研究臺(tái)風(fēng)暴條件下通州灣港區(qū)及周邊海域的沖淤演變特征，首先基于ADCIRC+SWAN 模式建立覆蓋整個(gè)東中國(guó)海的風(fēng)暴潮-波浪耦合模型（大模型）；然后基于Delft3D+SWAN 模式建立包含研究區(qū)域的水沙-地貌動(dòng)力模型（小模型），臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)采用Holland 風(fēng)場(chǎng)和ERA5 再分析數(shù)據(jù)組合而成的混合風(fēng)場(chǎng)[14-15]。采用大小模型雙重嵌套（圖2）的方式進(jìn)行數(shù)值模擬，大模型開(kāi)邊界由10 個(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù)計(jì)算，數(shù)值取自TPXO 7.2 數(shù)據(jù)庫(kù)，大模型的范圍足夠大使得風(fēng)暴潮能得到充分成長(zhǎng)；小模型進(jìn)行局部二維水沙地貌數(shù)值模擬，開(kāi)邊界的潮位邊界由大模型計(jì)算得到，含沙量邊界采用零梯度邊界。大模型采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格進(jìn)行離散，網(wǎng)格經(jīng)緯度跨度為118°E～129°E，25°N～41°N，總網(wǎng)格數(shù)43 549 個(gè)，網(wǎng)格尺寸為2 000～20 000 m；小模型采用曲線正交網(wǎng)格離散，網(wǎng)格經(jīng)緯度跨度為121°16'E～122°46'E，31°44'N～32°59'N，總網(wǎng)格數(shù)為283×203，水平空間網(wǎng)格長(zhǎng)為200～1 300 m。

小模型中，垂向和水平向紊動(dòng)黏性系數(shù)分別取1.0×10?6m2/s 和20 m2/s；底部摩阻系數(shù)采用曼寧系數(shù)，取0.02；泥沙沉速采用公式ω=ω0FD計(jì)算，ω0為單顆粒泥沙的沉降速度，F(xiàn)為絮凝因子，D為衰減系數(shù)，取4×10?4m/s；臨界淤積切應(yīng)力取0.8 N/m2，臨界沖刷切應(yīng)力取0.25 N/m2。以上參數(shù)均在合理范圍內(nèi)根據(jù)模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)調(diào)試得到。

2.2 模型驗(yàn)證

2.2.1 水位、流速流向、含沙量驗(yàn)證 水位驗(yàn)證采用2019 年1#～3#測(cè)站逐時(shí)潮位數(shù)據(jù)，流速、流向、含沙量驗(yàn)證采用1#～5#測(cè)站大小潮數(shù)據(jù)，各測(cè)站位置如圖2(b)所示。使用納什效率系數(shù)（E）定量評(píng)估模型表現(xiàn)[16]：

式中：Xobs為實(shí)測(cè)值；Xmod為模擬值；Xobs為實(shí)測(cè)值的平均值。當(dāng)0.65

水位模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好，各驗(yàn)證測(cè)站計(jì)算所得E的均值達(dá)到0.90；流速、流向模擬值與實(shí)測(cè)值大小及過(guò)程吻合較好，各驗(yàn)證測(cè)站計(jì)算所得E的均值分別為0.67 和0.95。以上結(jié)果表明，該模型能較好地模擬研究區(qū)域內(nèi)水沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程。驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖3～5。

圖3 水位驗(yàn)證(3#)Fig.3 Verification of the tidal level (3#)

圖4 流速、流向驗(yàn)證Fig.4 Verification of the flow velocity and direction

圖5 含沙量驗(yàn)證Fig.5 Verification of the sediment concentration

2.2.2 臺(tái)風(fēng)暴沖淤驗(yàn)證 剖面沖淤率定資料采用1909 號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”過(guò)后P1、P2、P3 斷面的實(shí)測(cè)水深變化資料，斷面位置見(jiàn)圖2(b)。模擬臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間從2019 年8 月4 日14:00 至8 月13 日11:00。計(jì)算所得臺(tái)風(fēng)過(guò)后海床各剖面的地形沖淤變化值與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合良好（圖6），表明小模型能較好地模擬臺(tái)風(fēng)暴條件下研究區(qū)域內(nèi)的沖淤演變。

圖6 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”過(guò)后的剖面沖淤變化驗(yàn)證Fig.6 Verification of the erosion and siltation along the profiles after the typhoon Lekima

3 通州灣規(guī)劃港區(qū)及周邊水道沙洲系統(tǒng)沖淤演變特征

在影響研究區(qū)域的5類(lèi)臺(tái)風(fēng)中，每一類(lèi)選取過(guò)境時(shí)距研究區(qū)域盡可能近的典型場(chǎng)次——東側(cè)掠過(guò)型1509 號(hào)、西側(cè)掠過(guò)型1614 號(hào)、南側(cè)掠過(guò)型1810 號(hào)、北側(cè)掠過(guò)型9415 號(hào)及直接穿過(guò)型1416 號(hào)共5 場(chǎng)臺(tái)風(fēng)（圖7）進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖7 5 類(lèi)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度及路徑信息Fig.7 Intensities and tracks of the five typical typhoons

圖8(a)～(e)給出了研究海域在5類(lèi)臺(tái)風(fēng)過(guò)境后的短歷時(shí)沖淤分布情況（正值表示淤積，負(fù)值表示沖刷），圖8(f)為無(wú)風(fēng)條件下15 d 典型大小潮過(guò)程沖淤的計(jì)算結(jié)果。事實(shí)上每場(chǎng)臺(tái)風(fēng)的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為6 或8 d，但在計(jì)算常規(guī)動(dòng)力條件時(shí)，為了不失一般性，選取半個(gè)月的潮汐過(guò)程進(jìn)行模擬作為對(duì)比，含括從小潮到大潮的過(guò)程。由圖8(a)～(e)與圖8(f)比較易知，常規(guī)風(fēng)暴潮對(duì)研究海域?yàn)┎鄣亩虤v時(shí)沖淤影響較小，與風(fēng)暴沖淤相比可忽略不計(jì)。圖9 總結(jié)了臺(tái)風(fēng)后規(guī)劃港區(qū)及周邊海域沖淤變化較大的區(qū)域位置，臺(tái)風(fēng)過(guò)后沙脊淺灘產(chǎn)生沖刷，水道深槽出現(xiàn)淤積，港區(qū)僅在口門(mén)附近有淤積。沖刷較大的區(qū)域集中在腰沙附近三港池南側(cè)碼頭外部淺灘（區(qū)域1）及主港區(qū)與離岸港區(qū)之間的冷家沙高灘（區(qū)域2），沖深基本在0.10 m 以上，局部挑流區(qū)沖刷更劇烈，最大達(dá)0.35 m；淤積明顯的區(qū)域主要位于三港池口門(mén)附近和口外三沙洪-網(wǎng)倉(cāng)洪航道（區(qū)域3），在1509 號(hào)、9415 號(hào)臺(tái)風(fēng)影響下，淤積厚度普遍在0.15 m 以上。此外，需要注意的是港區(qū)北部冷家沙外側(cè)水道（區(qū)域4），由于該處近岸泥沙來(lái)源豐富，且漲落潮流向與水道一致，臺(tái)風(fēng)暴情況下極易驟淤，建港后需要關(guān)注常規(guī)動(dòng)力及風(fēng)暴作用下該水道淤積情況。較規(guī)劃港區(qū)而言，一港池（已建）及航道沖淤變化相對(duì)較小，且非本文的研究重點(diǎn)，此處不再予以討論。

圖8 典型臺(tái)風(fēng)影響下泥沙沖淤厚度分布Fig.8 Distribution of thickness of sediment erosion and siltation after the typical typhoons

圖9 典型臺(tái)風(fēng)過(guò)后出現(xiàn)明顯沖淤變化的區(qū)域Fig.9 Areas with obvious changes in erosion and sedimentation after the typical typhoons

為了更直觀分析典型臺(tái)風(fēng)過(guò)后規(guī)劃港區(qū)及周邊海域的沖淤情況，以二、三港池和口外三沙洪水道為選定區(qū)域（黃色線條閉合區(qū)域）分別計(jì)算5 場(chǎng)典型臺(tái)風(fēng)后該區(qū)域內(nèi)的泥沙淤積總量，并統(tǒng)計(jì)區(qū)域1～3 的局部最大沖淤幅度，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 臺(tái)風(fēng)后選定區(qū)域內(nèi)泥沙淤積量及局部最大沖淤幅度對(duì)比Tab.1 Comparison of the sedimentation volume and the maximum erosion and siltation range within the selected area after the typical typhoons

分析可知，9415 號(hào)（北側(cè)掠過(guò)型）和1509 號(hào)（東側(cè)掠過(guò)型）臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間，冷家沙淺灘水域（區(qū)域2）潮位較低且流速增大，流向自北向南，束流作用導(dǎo)致掀起的泥沙大量輸移并落淤到深槽航道內(nèi)，選定區(qū)域內(nèi)泥沙淤積量比其他情況大得多；1416 號(hào)（直接穿過(guò)型）臺(tái)風(fēng)過(guò)境主要掀起腰沙淺灘（區(qū)域1）泥沙并向北輸運(yùn)落淤至航道，在口門(mén)附近淤積大，口外稍遠(yuǎn)處深槽區(qū)淤積較小，選定區(qū)域內(nèi)泥沙淤積量較前兩者小一些；1614 號(hào)（西側(cè)掠過(guò)型）、1810 號(hào)（南側(cè)掠過(guò)型）臺(tái)風(fēng)過(guò)后泥沙淤積總量不大。

除9415 號(hào)（北側(cè)掠過(guò)型）臺(tái)風(fēng)影響外，區(qū)域3 的局部最大淤積厚度不算太大，但均出現(xiàn)在三港池口門(mén)防波堤外側(cè)，這是由于口外南、北兩座防波堤對(duì)漲潮流攜來(lái)的泥沙形成了有效阻擋，故堤外淤積程度較航道內(nèi)更大。此外，區(qū)域2 由于束流作用在某些臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)會(huì)造成較大沖刷，如9415 號(hào)（北側(cè)掠過(guò)型）臺(tái)風(fēng)過(guò)后較大沖刷集中出現(xiàn)在三港池北側(cè)碼頭向海端的前沿區(qū)域，局部最大沖刷厚度達(dá)0.39 m。雖然該數(shù)值不足以威脅工程安全，且影響該海域的風(fēng)暴潮發(fā)生頻率不大，短期看來(lái)對(duì)工程安全和海域沖淤格局影響不大；但如果常規(guī)動(dòng)力條件下該沖刷得不到有效恢復(fù)，或難以達(dá)到?jīng)_淤平衡狀態(tài)，可能會(huì)改變?cè)到y(tǒng)的空間格局，應(yīng)在未來(lái)研究中予以重視。但本文主要關(guān)注單場(chǎng)風(fēng)暴沖淤過(guò)程，故未進(jìn)行進(jìn)一步討論。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）臺(tái)風(fēng)過(guò)后，通州灣港區(qū)及周邊水道沙洲沖淤變化總體不大。在所有模擬情況中，臺(tái)風(fēng)過(guò)后三港池口門(mén)附近及航道內(nèi)均呈淤積態(tài)勢(shì)，最大淤積出現(xiàn)在防波堤外側(cè)，不超過(guò)0.35 m，其余各處淤積厚度控制在0.25 m以?xún)?nèi)，總體而言沖淤不大。

（2）臺(tái)風(fēng)過(guò)后，港區(qū)內(nèi)部各港池沖淤變化相對(duì)較小，出現(xiàn)較大沖淤主要集中在4 個(gè)區(qū)域。一是三港池南側(cè)碼頭外部腰沙淺灘區(qū)，由于水深小，深槽水流順勢(shì)沖上淺灘，容易造成較大沖刷；二是主港區(qū)和離岸港區(qū)之間的冷家沙淺灘水域，由于束流作用，臺(tái)風(fēng)暴和大浪經(jīng)過(guò)時(shí)流速較大，造成大的沖刷，但以上兩處沖刷區(qū)最大沖刷不超過(guò)0.40 m。三是三港池口門(mén)附近和口外三沙洪-網(wǎng)倉(cāng)洪航道內(nèi)，在1509 號(hào)、1614 號(hào)、1810 號(hào)、9415 號(hào)及1416 號(hào)共5 類(lèi)典型臺(tái)風(fēng)過(guò)后最大淤積厚度分別為0.17、0.08、0.08、0.35 和0.19 m，泥沙主要來(lái)自前述兩處沖刷區(qū)；四是港區(qū)北部冷家沙外側(cè)水道淤積嚴(yán)重，雖不會(huì)影響港口碼頭及通航，但從長(zhǎng)久來(lái)看需作為建港的考慮因素。

（3）各類(lèi)臺(tái)風(fēng)影響下，港區(qū)及周邊水道沙洲沖淤情況基本類(lèi)似，在三港池口門(mén)附近及口外容易淤積，在腰沙、冷家沙淺灘區(qū)容易侵蝕。在計(jì)算的5 場(chǎng)不同的臺(tái)風(fēng)中，9415 號(hào)（北側(cè)掠過(guò)型）臺(tái)風(fēng)沖淤變化最大，但此類(lèi)臺(tái)風(fēng)發(fā)生次數(shù)不多；1509 號(hào)（東側(cè)掠過(guò)型）臺(tái)風(fēng)沖淤變化也較大，且此類(lèi)臺(tái)風(fēng)是經(jīng)過(guò)該海域最常見(jiàn)的臺(tái)風(fēng)類(lèi)型，需引起足夠的重視。