鐵山港航道Ⅲ標段疏浚工程造成的水動力改變研究*

李華慶，張旭日，張麗麗，邢 浩，石洪源,2**

(1.魯東大學水利工程學院，山東煙臺 264025；2.魯東大學港口海岸防災(zāi)減災(zāi)研究院，山東煙臺 264025)

鐵山港作為廣西北部灣經(jīng)濟區(qū)中轉(zhuǎn)運輸樞紐港區(qū)，是我國西南地區(qū)便捷的出海通道，也是我國與東盟國家海上貿(mào)易的重要口岸，具有優(yōu)越的區(qū)位優(yōu)勢。為滿足鐵山港灣內(nèi)船舶通行和臨港工業(yè)快速發(fā)展的需求，北海市在鐵山港區(qū)3.5萬噸級進港航道基礎(chǔ)上拓寬浚深，總長約23.6 km，分10萬噸級、5萬噸級、1萬噸級和5 000噸級4段進行設(shè)計。由于施工情況復雜等因素，目前僅完成Ⅰ、Ⅱ標段。Ⅲ標段東側(cè)多生長有紅樹林，紅樹林生態(tài)系統(tǒng)具有豐富的生物多樣性和極高的生產(chǎn)力，同時發(fā)揮著諸多其他生態(tài)系統(tǒng)所不能替代的重要功能，研究Ⅲ標段疏浚工程引起的水動力改變對周圍紅樹林的影響具有重要意義。水動力環(huán)境變化通常通過模型來模擬。辛文杰[1]、陳波等[2]通過數(shù)值模擬建立鐵山港的潮流模型；施華斌等[3]利用二維淺水模型建立廣西沿海的水動力模型，分析河流對近岸水動力的影響；王麗娜等[4]利用三維淺海水動力模型建立潮流場模型；李小維等[5]、Yang等[6]通過歷史數(shù)據(jù)和數(shù)值模型研究鐵山港的水動力特征；謝潔[7]利用數(shù)值模型研究鐵山港的潮流和泥沙輸運，計算得到規(guī)劃港區(qū)和航道的泥沙回淤強度及回淤總量。隨著鐵山港航道工程的建設(shè)發(fā)展，其Ⅲ標段疏浚工程會對周邊海域的水動力產(chǎn)生一定影響，而水動力環(huán)境是泥沙輸運、海洋生態(tài)環(huán)境變化的動力學基礎(chǔ)[8]，確定水動力環(huán)境變化對鐵山港海域環(huán)境保護、制定發(fā)展規(guī)劃具有一定參考意義。因此，本研究基于MIKE數(shù)值模型，同時為使模型計算更加穩(wěn)定、輸出結(jié)果更加精確，在光灘和紅樹林區(qū)域采用不同的曼寧系數(shù)[9，10]，詳細分析鐵山港航道Ⅲ標段疏浚工程引起的航道及紅樹林區(qū)域水動力改變情況，為相關(guān)建設(shè)和規(guī)劃制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 鐵山港航道Ⅲ標段疏浚工程

北海鐵山港航道三期工程Ⅲ標段位于北海鐵山港區(qū)石頭埠作業(yè)區(qū)至雷田作業(yè)區(qū)以東海域，起點為三期航道工程設(shè)計G點，終點為雷田作業(yè)區(qū)口門處K點，各標段詳細信息見圖1和表1。北海港鐵山港區(qū)航道Ⅲ標段疏浚工程施工總工期約12個月，擬疏浚航道總長約9.78 km。全航段采用8 m3(北段)和13 m3(南段)抓斗挖泥船配泥駁開挖，由抓斗船和泥駁清礁，總疏浚量約為3.869 3×106m3，炸礁量約為3.657×105m3。

圖1 工程區(qū)域位置及精細化計算網(wǎng)格

表1 航道平面尺度

工程區(qū)附近植物主要為紅樹植物。在低潮潮位附近分布的紅樹植物有白骨壤Avicenniamarina，高潮潮位附近分布有桐花樹Aegicerascorniculatum、鹵蕨Acrostichumaureum、老鼠簕Acanthusilicifolius和半紅樹植物如黃槿Hibiscustiliaceus、苦郎樹Clerodendruminerme，岸邊一帶生長有厚藤Ipomoeapes-caprae、海馬齒Sesuviumportulacastrum、南方堿蓬Suaedaaustralis等。根據(jù)周邊其他近岸工程調(diào)查可知，鐵山港附近海域外源性高嶺土在紅樹林區(qū)域的堆積和黏附會妨害白骨壤的呼吸及光合作用，導致白骨壤死亡[11，12]。高嶺土的懸沙濃度除了與泥沙源強相關(guān)外，海洋水動力環(huán)境也對泥沙濃度有著重要影響，因此研究疏浚工程造成的水動力環(huán)境改變，對紅樹林保護具有間接參考價值[13]。

1.2 模型的建立

1.2.1 模型介紹

采用平面二維數(shù)值模型MIKE21研究目標海域的潮流場。MIKE21采用標準Galerkin有限元法進行水平空間離散，采用顯式迎風差分格式離散動量方程與輸運方程[14]研究工程造成的泥沙沖淤狀況。

連續(xù)方程：

(1)

向動量方程：

(2)

向動量方程：

(3)

式中：t為時間(s)；x,y為原點0置于某一水平基面的直角坐標系坐標；u、v分別為流速矢量V沿x、y方向的分量(m/s)；ζ為相對于xy坐標平面的水位(m)；h=d+ζ，為總水深(m)；d為相對于xy坐標平面的水深(m)；Nx、Ny分別為x、y向水流紊動黏性系數(shù)(m2/s)；f為科氏參量(deg)；g為重力加速度(m/s2)；c=Mh1/6，為謝才系數(shù)；M為曼寧糙率系數(shù)。

1.2.2 初始條件

ζ(x,y,t)|t=0=ζ0(x,y),

u(x,y,t)|t=0=u0(x,y),

v(x,y,t)|t=0=v0(x,y)，

(4)

式中：ζ0、u0、v0分別為ζ、u、v的初始值。

1.2.3 邊界條件

流速法向量為0：

V·n=0，

(5)

式中:n為固邊界法向單位矢量。

開邊界水位ζ和流速V可采用已知水位ζ*(x,y,t)或流速V*(x,y,t)控制：

ζ(x,y,t)|Γ=ζ*(x,y,t)(水位)，

(6)

V(x,y,t)|Γ=V*(x,y,t)(流速)。

(7)

1.2.4 模型設(shè)置

本研究計算區(qū)域如圖2所示。鐵山港附近海域島嶼眾多，岸線曲折，兩岸有較多紅樹林分布。因此采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格可以較好地貼合自然岸線，提高計算精度和計算效率，并便于各種工程情況的準確布置。用動邊界的方法對干、濕網(wǎng)格進行處理，在疏浚工程區(qū)附近進行網(wǎng)格加密。計算空間步長在工程海域精確到10 m，網(wǎng)格單元74 004 個，網(wǎng)格節(jié)點39 307個。

A、B和C分別代表計算區(qū)域的起點、拐點和終點

工程附近的海域水深數(shù)據(jù)來自于中國人民解放軍海軍司令部航海保證部制作的海圖數(shù)據(jù)(C1416710鐵山港及附近)以及航道附近測量的水深數(shù)據(jù)。對于外海水深，本項目采用美國國家地學測量中心提供的DBDB5 (Digital Bathymetric Database Version 5.2)(https://shoreline.noaa.gov/data/datasheets/wvs.html)原始數(shù)據(jù)集，通過雙線性插值方法插值到網(wǎng)格點上，工程前后水深見圖3。

圖3 航道及附近海域疏浚工程前(上)后(下)水深分布

潮汐在開邊界的振幅、遲角和潮流流速等要素利用MATLAB中的T_tide工具包[15]獲得，采用M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q18個主要分潮。模型計算時間為2021年4月1-23日，合計23 d，計算步長根據(jù)Courant-Friedrich Levy (CFL) number笛卡爾坐標下的淺水方程式進行動態(tài)調(diào)整，確保模型計算穩(wěn)定。最大時間步長為120 s，最小時間步長0.1 s。底床糙率通過曼寧系數(shù)進行控制。因為紅樹林的高度和分布密度等因素顯著改變底床糙率，為準確刻畫紅樹林區(qū)域的流場時空分布，底床糙率通過空間變化的曼寧系數(shù)所形成的曼寧系數(shù)場進行控制。根據(jù)倪海祥等[16]的研究及MIKE21中曼寧數(shù)定義，光灘曼寧系數(shù)設(shè)置為林地的10倍，因此本次計算曼寧系數(shù)n取4-40。

1.3 模型驗證

為驗證模型的準確性，利用水動力模型模擬工程海域的潮位和潮流狀況。將模擬結(jié)果與1個臨時潮位站(WL)、6個潮流觀測站(1#-6#)測量結(jié)果進行對比。觀測站位置見圖4，水位模擬對比曲線見圖5，潮流模擬對比曲線見圖6。

圖4 實測站位分布圖

圖5 潮位模擬實測對比曲線(2021年4月5日0時—2021年4月20日23時)

圖6 流速流向驗證圖(2021年4月12日、13日)

對比驗證結(jié)果表明：潮位、潮流模擬結(jié)果與實測潮位、潮流資料基本吻合，能夠較好地反映項目周邊海域水位和潮流狀況。

1.4 研究內(nèi)容

前述驗證結(jié)果表明文章敘述的模型可以用于工程前后水動力改變情況的研究，為其提供數(shù)值模擬技術(shù)。為更直觀地比較疏浚工程前后的變化情況，選取航道9個斷面27個特征點的大潮期流速(圖7)進行對比分析。同時，為研究紅樹林區(qū)域水動力改變情況，選取鐵山港東岸和西岸紅樹林內(nèi)共16個特征點的流速進行對比分析(圖7)。

圖7 航道和紅樹林特征點分布

2 結(jié)果與分析

2.1 疏浚工程前后潮流場分析

根據(jù)大潮期漲落急時刻流場圖(圖8,9)分析可知，由北部灣而來的潮流沿著西南向上溯。漲潮流以偏北向流為主，落潮流以偏南向流為主，漲潮流在英羅港西側(cè)分成兩股，一股向東進入英羅港，另一股折向西北上溯進入鐵山港內(nèi)灣；落潮時潮流則相反。鐵山港深槽區(qū)域流速較大，岸邊流速較小，岸邊有淺灘出露。

圖8 大潮期漲急(上)和落急(下)時刻疏浚工程前航道附近海域流場圖

工程前，工程附近海域漲急時刻流速為9.2-50.4 cm/s，大致呈南高北低分布，最大流速出現(xiàn)在Ⅲ段南端附近；落急時刻，工程海域整體流速相比漲急時刻增大，同漲急類似，流速呈現(xiàn)南高北低分布，最大流速出現(xiàn)在工程南部海域，為68.2 cm/s(圖10)。

工程后，因疏浚造成水深增加，因此航道內(nèi)流速呈現(xiàn)降低趨勢。漲急時刻，航道內(nèi)流速降低幅度為0-12 cm/s，航道南部周邊區(qū)域降低值較大，超過10 cm/s，最大為11.7 cm/s。落急時刻，航道內(nèi)流速降低幅度為0-5 cm/s，周邊流速降低相對漲急時刻幅度減少，不足5 cm/s (圖10)。

圖9 大潮期漲急(上)和落急(下)時刻疏浚工程后航道附近海域流場圖

圖10 漲急(左)和落急(右)時刻疏浚工程前后航道附近海域流速變化

航道大潮期流速變化如表2所示。漲急時刻，各特征點工程后流速較工程前變化無規(guī)律，其中以4號特征點流速增加最多，最多增加6.3 cm/s；23號特征點流速降低最多，最多降低11.7 cm/s。落急時刻，4號特征點流速增加最多，最多增加3.7 cm/s；24號特征點流速降低最多，最多降低9.8 cm/s。

表2 工程前后航道附近流速特征點流速變化情況

2.2 疏浚工程對紅樹林區(qū)域的影響

紅樹林區(qū)域大潮期流速變化如表3所示。漲急時刻，各特征點工程后流速較工程前大部分呈現(xiàn)降低現(xiàn)象，其中以H號特征點流速降低最多，最多降低4.3 cm/s；N號特征點流速增加最多，最多增加值為0.7 cm/s。落急時刻，L號特征點流速增加最多，最多增加0.1 cm/s；M號特征點流速降低最多，最多降低0.7 cm/s。工程完成后，因疏浚造成海域水深增加，進而影響紅樹林區(qū)域的流速情況，致使區(qū)域流速較工程前降低，對紅樹林區(qū)域起到間接保護作用。

表3 工程前后紅樹林流速特征點流速變化情況

3 結(jié)論

因鐵山港區(qū)Ⅲ航道疏浚工程的開展，該區(qū)域水動力環(huán)境發(fā)生改變。數(shù)值模擬結(jié)果顯示,漲急和落急時刻，各特征點工程后流速較工程前變化無規(guī)律；北部淺水區(qū)域因水深增加，造成流速增大；而南部深水區(qū)域，出現(xiàn)流速降低的現(xiàn)象，這主要和截面過流通量有關(guān)。

對紅樹林區(qū)域而言，漲急和落急時刻，各特征點工程后流速較工程前大部分呈現(xiàn)降低現(xiàn)象，其中以H號特征點流速降低最多，最多不超過5.0 cm/s；個別點出現(xiàn)流速增大的現(xiàn)象，但是增加量不足1 cm/s。由此可知，水動力的改變對紅樹林產(chǎn)生的影響較小。

跟前人研究結(jié)果[17，18]相比，本研究在數(shù)值模型中，考慮光灘和紅樹林曼寧系數(shù)的差別，使模擬結(jié)果和實測結(jié)果更加接近，但是因缺乏紅樹林區(qū)域?qū)崪y流速資料，因此模型的效果無法定量評價。同時，本研究在航道附近設(shè)置多條斷面，分別在航道左側(cè)、中間和右側(cè)設(shè)置特征點，研究航道疏浚對航道內(nèi)部及附近流場的改變，對比結(jié)果更加全面，可以明顯看出因航道疏浚造成的水深增加，進而影響流速分布的情況。