錦州龍棲灣港區(qū)規(guī)劃水動力泥沙數(shù)學(xué)模型研究

姜昱，李姍，韓濤

（1.大連港集團(tuán)（錦州）遼西港口投資開發(fā)有限公司，遼寧 錦州 121013；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，中國交建海岸工程水動力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

錦州龍棲灣港區(qū)位于渤海遼東灣頂、錦州灣東側(cè)，面臨遼寧省“五點(diǎn)一線”沿海經(jīng)濟(jì)帶開發(fā)建設(shè)的歷史機(jī)遇。由于港區(qū)附近淺灘較多，泥沙運(yùn)動可能會對未來港口及航道的淤積產(chǎn)生一定的影響，本文旨在通過潮流泥沙數(shù)學(xué)模型對龍棲灣港區(qū)的水動力和泥沙運(yùn)動進(jìn)行研究，對不同方案進(jìn)行優(yōu)化比選，為港區(qū)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 自然條件

1.1 潮流

根據(jù)2009年11月份對水文測量結(jié)果，海域潮流屬規(guī)則半日潮流性質(zhì)，工程附近施測海區(qū)潮流為明顯的往復(fù)流，落潮實(shí)測平均流向與漲潮實(shí)測平均流向反向的差值一般不足15°；漲潮為NE向，落潮為SW向，漲、落潮水流方向與近岸水域基本相同[1]。

1.2 底質(zhì)及含沙量

沉積物質(zhì)組成以粉砂（T）和黏土質(zhì)粉砂（YT）、砂質(zhì)粉砂（ST）分布為主，砂—粉砂—黏土（STY）僅在局部點(diǎn)分布。根據(jù)2009年11月大小潮含沙量實(shí)測資料顯示，海域?qū)崪y漲、落潮平均含沙量分別為0.108 kg/m3和0.113 kg/m3，漲潮略小于落潮。其中大、小潮時漲落潮平均含沙量分別為0.084 kg/m3和0.136 kg/m3，小潮含沙量大于大潮含沙量，這與小潮期風(fēng)浪相對較大有關(guān)。大潮懸沙平均中值粒徑D50為0.009 0 mm，小潮懸沙平均中值粒徑D50為0.007 9 mm，大小潮懸沙平均中值粒徑D50為0.008 5 mm，水文測點(diǎn)位置詳見圖1，圖中H1～H4為潮位測站，V1～V7為流速測站。

圖1 水文測站位置圖Fig.1 Location of thehydrometric station

1.3 航道泥沙淤積

航道淤積收集了龍棲灣港區(qū)西側(cè)距離15 km左右的錦州港歷年來航道疏浚資料，根據(jù)相關(guān)資料，錦州港2006年3月至2008年10月航道的回淤量為260萬m3，年淤積量約為93萬m3，年回淤強(qiáng)度約為17 cm/a。

2 工程方案簡介

規(guī)劃方案港池底標(biāo)高為-14.0 m，航道寬度210 m，航道設(shè)計底標(biāo)高-12.0 m，航道開挖至自然水深12.0 m處，共有3種方案[2]。規(guī)劃方案二在方案一的基礎(chǔ)上減少1個港池，口門北移，規(guī)劃方案三在方案一的基礎(chǔ)上略向西傾斜。每個港池的規(guī)劃方案都對應(yīng)兩種航道布置方式，一種航道偏向錦州港方向，與錦州港航道相連，另一種航道直接向外海開挖至天然水深滿足航行要求位置，共6種工況。規(guī)劃方案三對應(yīng)3-1和3-2兩種工況，其中規(guī)劃方案3-1如圖2所示。

3 數(shù)學(xué)模型建立及驗(yàn)證

3.1 計算理論

圖2 規(guī)劃方案圖Fig.2 Planning scheme

工程區(qū)域潮流計算采用Mike21軟件的三角形網(wǎng)格水動力模塊（HD模塊），其水流運(yùn)動控制方程是二維淺水方程。港池和航道的淤積不但受潮流影響，還受波浪的作用，計算中使用SWAN模型計算波浪的生成與傳播。SWAN模型采用動譜平衡方程描述風(fēng)浪生成及其在近岸區(qū)的演化過程。

在潮流模型計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用竇國仁等（1995）基于波流共同作用下挾沙力概念的平面二維泥沙數(shù)學(xué)模型[3-4]對泥沙運(yùn)動進(jìn)行了計算，模型的控制方程為：

式中：h為水深；t為時間坐標(biāo)；x和y為水平坐標(biāo)；S為沿深度平均的含沙量；S*為波流共同作用下的挾沙能力；u和v分別為沿x方向和y方向的流速；α為沉降幾率或恢復(fù)飽和系數(shù)；ω為泥沙沉速。

航道與泊位回淤采用竇國仁等提出的模型，其表達(dá)式為[2]：

式中：η為航道或泊位底高程；γ0為航道與泊位回淤泥沙干重度；α為經(jīng)驗(yàn)回淤系數(shù)，可根據(jù)當(dāng)?shù)鼗赜儋Y料確定。

采用三重嵌套模型模擬潮流場，整個渤海模型作為大模型，遼東灣作為中模型，在龍棲灣港區(qū)附近海域進(jìn)行局部加密作為小模型來模擬潮流場。模型網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格。

小模型計算水域面積約為1 500 km2，小模型的最小網(wǎng)格邊長為15 m。

3.2 模型驗(yàn)證

模型的開邊界水位由中國近海潮汐軟件Chinatide提供，模型驗(yàn)證依據(jù)2009年11月港區(qū)海域附近大、小潮的水文觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行（測點(diǎn)位置見圖1），為節(jié)約篇幅，僅以大潮為例給出部分測站流速流向及含沙量驗(yàn)證結(jié)果，如圖3、圖4所示（圖中實(shí)線為計算值，散點(diǎn)為實(shí)測數(shù)據(jù)），其它驗(yàn)證成果可見文獻(xiàn)[2]。

圖3 大潮流速流向驗(yàn)證Fig.3 Verification for the flow velocity and direction of spring tide

圖4 大潮含沙量驗(yàn)證（V1）Fig.4 Verification for the sediment concentration of spring tide（V1）

4 工程方案比選結(jié)果

4.1 規(guī)劃方案實(shí)施后流場變化

規(guī)劃方案實(shí)施后由于對部分海域進(jìn)行圍填，局部流場變化較大。海區(qū)潮流為明顯的往復(fù)流，在漲落急情況下附近水域流場的變化趨勢均表現(xiàn)為距離港區(qū)越遠(yuǎn)流速變化越小。對不同工況港池布置方案相同情況下航道布置方案的改變對流場影響不大，規(guī)劃方案對流場的影響主要在圍填形成的港域附近，流速變化超過0.1 m/s的范圍較小，主要出現(xiàn)在圍填區(qū)域兩側(cè)。

圖5為各工況分流百分比（文中僅給出工況3-1的漲急流速變化百分比），由圖中可知航道內(nèi)流速減小范圍在10%～20%左右，由于工程附近絕對流速較小，導(dǎo)致流速變化百分比較大。同時各工況航道內(nèi)流向順直，沒有回流產(chǎn)生，在漲潮期間潮流進(jìn)入港池時會在港池內(nèi)口門附近產(chǎn)生回流，回流尺度與口門寬度基本一致，呈橢圓形向港內(nèi)發(fā)展，口門附近流速較大，一般不超過0.5 m/s，進(jìn)入口門后流速迅速減小。

圖5 流場變化圖（單位：%）Fig.5 Change diagram of the flow field（%）

4.2 規(guī)劃方案實(shí)施后泥沙淤積

規(guī)劃方案實(shí)施后對工程區(qū)域的局部流場產(chǎn)生影響，導(dǎo)致對應(yīng)的含沙量場也發(fā)生變化（圖6，文中僅給出工況3-1），影響較大的區(qū)域主要在龍棲灣港區(qū)附近，外海和錦州港附近影響不大。不同的航道布置對含沙量場的分布影響較小，工程后含沙量變化主要與港區(qū)圍填方案有關(guān)，但總體來看不同規(guī)劃方案含沙量場分布差別不大。

圖6 大潮漲急含沙量場變化Fig.6 The filed changes of sediment concentration in the maximum flood

方案實(shí)施后龍棲灣港區(qū)兩側(cè)淺灘有沖有淤，港區(qū)東側(cè)淺灘局部沖刷情況強(qiáng)于西側(cè)淺灘，西側(cè)淺灘局部略有沖刷，但總體來看兩側(cè)淺灘年沖淤變化不大，圍填區(qū)域局部護(hù)岸位置處由于受到繞流影響沖刷較大。表1為不同工況航道內(nèi)及港池的年淤強(qiáng)計算結(jié)果，港內(nèi)年淤強(qiáng)各工況均為口門附近淤強(qiáng)較大，規(guī)劃方案三（工況3-1和工況3-2）由于航道方向與工程海域潮流流向夾角較小，因此航道內(nèi)年淤強(qiáng)明顯小于規(guī)劃方案一和規(guī)劃方案二。不同規(guī)劃方案口門附近的港池和航道內(nèi)年淤強(qiáng)均略大，但由于規(guī)劃方案三口門方向略有偏轉(zhuǎn)，港池內(nèi)淤積略小于規(guī)劃方案一。3

表1 各工況淤積量統(tǒng)計結(jié)果Table 1 The statistical results of sedimentation in different conditions

5 結(jié)語

本文結(jié)合錦州龍棲灣港區(qū)實(shí)測水文資料建立了相關(guān)的潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型，對不同規(guī)劃方案實(shí)施后的流場和淤積情況進(jìn)行驗(yàn)證，通過分析得到以下結(jié)論：

1）各方案航道內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)，沒有回流產(chǎn)生，回流僅在漲潮期間潮流進(jìn)入港池時在口門附近產(chǎn)生流速不超過0.5 m/s，進(jìn)入口門后迅速減小。

2）規(guī)劃方案實(shí)施后對流場的影響主要在圍填形成的港域附近，流速變化超過0.1 m/s的范圍較小，主要存在于圍填區(qū)域兩側(cè)。

3）各規(guī)劃方案條件下港區(qū)附近含沙量不大，僅在局部由于繞流影響引起含沙量增加，但影響范圍不大；由于港池掩護(hù)較好，龍棲灣港區(qū)港池內(nèi)流速較小，港池內(nèi)含沙量在漲落潮過程中變化不大。

4）各方案航道內(nèi)淤強(qiáng)差別較大，不同規(guī)劃方案航道內(nèi)最大年淤強(qiáng)均出現(xiàn)在距口門1～3 km左右位置處，不同規(guī)劃方案港池及航道年淤積量在114萬～297萬m3之間。

總體來說，各規(guī)劃方案淤積量較為接近，但由于航道偏向錦州港后，與水流夾角加大，因此淤強(qiáng)一般略大于直接開挖向外海的航道布置方案，不建議采用此種航道布置形式。規(guī)劃方案二在減少一個港池的情況下淤積總量與其它規(guī)劃方案相比并不具有明顯優(yōu)勢，考慮到龍棲灣港區(qū)作為“五點(diǎn)一線”沿海經(jīng)濟(jì)帶重點(diǎn)支持區(qū)域，認(rèn)為規(guī)劃方案三更為適合港口發(fā)展需要。

[1]李姍，韓濤.錦州龍棲灣港區(qū)海岸動力地貌及岸灘穩(wěn)定性分析研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2010.LIShan,HANTao.Test report of analysison coastal dynamic geomorphology and beach strand stability in Longqiwan Port of Jinzhou[R].Tianjin:Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2010.

[2]韓濤.錦州龍棲灣港區(qū)規(guī)劃方案潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2010.HANTao.Test report on numerical modeling of tides and sediment for Longqiwan Port planningschemein Jinzhou[R].Tianjin:Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2010.

[3] 竇國仁，董風(fēng)舞，Xibing Dou.潮流和波浪的挾沙能力[J].科學(xué)通報，1995（5）：443-446.DOUGuo-ren,DONGFeng-wu,DOUXi-bing.Sediment carrying capacitiesof tidesand waves[J].Chinese Science Bulletin,1995(5):443-446.

[4] 竇國仁，董風(fēng)舞，竇希萍，等.河口海岸泥沙數(shù)學(xué)模型研究[J].中國科學(xué)：A 輯，1995，25（9）：995-1 001.DOU Guo-ren,DONG Feng-wu,DOU Xi-ping,et al.Numerical modeling of estuarine and coastal sediment[J].Science in China:Series A,1995,25(9):995-1 001.