梅山水道避風(fēng)錨地潮流泥沙數(shù)值計(jì)算

范紅霞,王建中,朱立俊

(南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029)

梅山水道避風(fēng)錨地潮流泥沙數(shù)值計(jì)算

范紅霞,王建中,朱立俊

(南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029)

在地形及水文測(cè)驗(yàn)資料收集整理的基礎(chǔ)上,建立了梅山水道附近海域平面二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型,模型經(jīng)水流泥沙運(yùn)動(dòng)相似驗(yàn)證后在典型大、小潮水文條件下進(jìn)行了工程方案計(jì)算,分析研究了梅山水道潮汐通道封閉后其附近海域潮流動(dòng)力及泥沙沖淤變化情況。研究結(jié)果表明,梅山水道潮汐通道漲、落潮量占周邊其他水道比例較小,工程的實(shí)施未改變周邊海域整體潮流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及海床沖淤基本平衡的格局,工程后擬建南、北兩堤近堤附近海域海床因流速減小形成緩流、回流區(qū),從而使泥沙產(chǎn)生累積性淤積,附近水利設(shè)施的運(yùn)行將受到不同程度影響。

梅山水道;避風(fēng)錨地工程;潮流泥沙;數(shù)值計(jì)算

寧波市北侖區(qū)梅山島附近海域南臨東海,易遭臺(tái)風(fēng)與風(fēng)暴潮的侵襲。為了有效減少臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的災(zāi)害,提高抵御超級(jí)臺(tái)風(fēng)的能力,北侖區(qū)政府?dāng)M建設(shè)梅山水道抗超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)漁業(yè)避風(fēng)錨地工程[1-2]。工程附近海域隸屬于舟山群島島鏈區(qū),其間島嶼密布、水道縱橫、口門(mén)眾多,潮流泥沙運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜[3-8]。梅山水道系典型的潮汐通道,工程的建設(shè)將引起附近海域潮流場(chǎng)及泥沙場(chǎng)的響應(yīng)。

本文在資料收集和水文測(cè)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了較大范圍潮流泥沙數(shù)學(xué)模型,計(jì)算分析了工程前后附近海域潮流動(dòng)力和泥沙沖淤變化,為設(shè)計(jì)及建設(shè)部門(mén)提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程及水文泥沙概況

1.1 工程概況

梅山水道抗超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)漁業(yè)避風(fēng)錨地工程位于北侖區(qū)穿山半島東南部的梅山水道,西鄰春曉園區(qū)、北瀕白峰上陽(yáng)片、東靠梅山保稅港區(qū)、南接象山港,工程區(qū)南北總長(zhǎng)13.5 km。擬建工程方案為兩頭采用出水堤攔截梅山水道,配以船閘、水閘等水利水運(yùn)設(shè)施,將原有的潮汐通道打造成封閉式避風(fēng)錨地。

工程所在海域地處舟山群島西南部,區(qū)內(nèi)島嶼密布(主要有六橫島、梅山島、蝦峙島、桃花島等),水道縱橫、口門(mén)眾多(主要有象山港、螺頭水道、梅山水道、佛渡水道、牛鼻山水道、條帚門(mén)、蝦峙門(mén)等),水動(dòng)力條件復(fù)雜。工程區(qū)附近海域及工程方案平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 工程位置及方案平面布置Fig.1 Location and layout of the project

1.2 水文泥沙概況

(1)潮汐:東海潮波經(jīng)舟山群島各水道和口門(mén)傳入本工程所在穿山半島東南側(cè)海域。根據(jù)2007年9月[9]及2010年4月[10]實(shí)測(cè)水文資料,工程所處海域?qū)儆谡?guī)半日潮,1天有2個(gè)高潮和2個(gè)低潮,且2次高潮和2次低潮的潮位高度比較接近;工程區(qū)平均潮差在3 m左右,且西南側(cè)大于東北側(cè);工程區(qū)內(nèi)東北側(cè)海域平均漲潮歷時(shí)小于落潮歷時(shí),西南側(cè)平均漲落潮歷時(shí)相差不大。

(2)潮流:實(shí)測(cè)資料表明,工程水域正規(guī)半日潮流占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),淺海分潮流不明顯。在近岸、口門(mén)及梅山水道內(nèi),受地形及邊界的制約,潮流呈現(xiàn)典型的往復(fù)流形式;在開(kāi)敞海域,潮流的旋轉(zhuǎn)特性比較明顯。2010年4月實(shí)測(cè)大潮結(jié)果顯示,梅山水道內(nèi)平均漲潮流速為0.41～0.61 m/s,平均落潮流速為0.46～0.74 m/s;象山港口門(mén)平均漲潮流速為0.5 m/s,平均落潮流速約為0.90 m/s;牛鼻山水道內(nèi)平均漲落潮流速為0.70～0.80 m/s;佛渡水道至峙頭洋,平均漲落潮流速為0.67～1.07 m/s;條帚門(mén)水道內(nèi)平均漲落潮流速約1.0 m/s?？梢?jiàn),本海區(qū)潮流動(dòng)力較強(qiáng)。

(3)泥沙:工程區(qū)海域泥沙運(yùn)動(dòng)與潮流、波浪、地形邊界、地理位置等因素密切相關(guān),以懸沙運(yùn)動(dòng)為主,區(qū)內(nèi)泥沙的主要來(lái)源應(yīng)為長(zhǎng)江口南下經(jīng)杭州灣的泥沙。從季節(jié)上來(lái)看,冬春季的含沙量大于夏秋季;從空間分布來(lái)看,含沙量分布較均勻;大潮汛時(shí)含沙量為0.414～1.0 kg/m3。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),中潮時(shí)水體含沙量為大潮含沙量的75%～80%,小潮含沙量是大潮含沙量的(20～35)%。大潮汛懸沙中值粒徑為0.003 0～0.004 2 mm,小潮汛時(shí)為0.002 2～0.003 0 mm;底質(zhì)主要為黏土質(zhì)粉砂,中值粒徑約0.009 mm。

2 二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

2.1 控制方程及求解方法

式中:x,y為直角坐標(biāo)系坐標(biāo);t為時(shí)間;h為平均水深;ζ為相對(duì)于平均海平面的潮位;Ux,Uy分別為x,y方向上的垂線平均流速;ρ為水體密度;g為重力加速度;Nx,Ny分別為x,y方向的水平紊動(dòng)黏性系數(shù);f為科氏參數(shù);τx,τy分別為水流床面剪切應(yīng)力在x,y方向的分量;S為垂線平均含沙量;Dx,Dy分別為x,y方向的泥沙紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù);Fs為泥沙沖淤函數(shù);γd為床沙干密度;ηb為海床床面的豎向位移(即沖淤變化量)。

底部沖淤函數(shù)Fs與底部剪切應(yīng)力及泥沙特征有關(guān),由下式確定:

式中:τ為水流底部剪切應(yīng)力;τd為泥沙不淤臨界剪切應(yīng)力;τe為泥沙起動(dòng)臨界剪切應(yīng)力;α為淤積概率;M為沖刷系數(shù)。

邊界條件可分為兩類(lèi):開(kāi)邊界和閉邊界。閉邊界流體不可穿透岸壁;外海開(kāi)邊界,采用潮位過(guò)程;泥沙開(kāi)邊界分為入流和出流兩種情況。由于計(jì)算工程區(qū)附近灘地復(fù)雜,潮灘淹沒(méi)和露灘頻繁,為了準(zhǔn)確模擬計(jì)算區(qū)域潮流形態(tài),模型閉邊界采用干濕判別動(dòng)邊界處理技術(shù)。模型求解采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中心網(wǎng)格有限體積法求解。

2.2 模型的建立與驗(yàn)證

2.2.1模擬范圍及驗(yàn)證水文條件 根據(jù)研究需要,本模型[11]選取北邊界為金塘水道的大榭島、南邊界為道人山～青山角的外海、西邊包含整個(gè)象山港,計(jì)算區(qū)域東西長(zhǎng)約96 km,南北長(zhǎng)約56 km,其中包含金塘水道、螺頭水道、佛渡水道、牛鼻山水道、條帚門(mén)以及蝦峙門(mén)等工程區(qū)附近海域的各水道和口門(mén)(模型計(jì)算范圍見(jiàn)圖1,工程區(qū)局部網(wǎng)格見(jiàn)圖2)。為保證計(jì)算精度及滿足要求,選用無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行剖分,整個(gè)計(jì)算區(qū)域布設(shè)節(jié)點(diǎn)28 002個(gè),單元數(shù)52 972個(gè),工程區(qū)最小網(wǎng)格尺寸約30 m。

本次模型共進(jìn)行了2007年9月12—14日實(shí)測(cè)大潮一、2010年3月31日至4月1日實(shí)測(cè)大潮二及2010年4月7—8日實(shí)測(cè)小潮3個(gè)測(cè)次。水文測(cè)驗(yàn)資料包括潮位、流速、流向及含沙量過(guò)程線的驗(yàn)證(實(shí)測(cè)大潮一測(cè)次水文測(cè)驗(yàn)布置及流速矢量見(jiàn)圖3),地形沖淤驗(yàn)證采用2007年及2010年實(shí)測(cè)地形資料。

圖2 工程區(qū)局部網(wǎng)格Fig.2 Local grid around the project

圖3 實(shí)測(cè)大潮一水文測(cè)驗(yàn)布置及流速矢量Fig.3 Layout of hydrometry and velocity vector of the 1st spring tide

2.2.2有關(guān)計(jì)算參數(shù)的選取 根據(jù)驗(yàn)證與率定計(jì)算,有關(guān)參數(shù)選取如下:床面阻力系數(shù)取0.012～0.015;根據(jù)實(shí)測(cè)資料率定紊動(dòng)黏性系數(shù)為10;采用的時(shí)間步長(zhǎng)Δt=15 s;根據(jù)實(shí)測(cè)泥沙資料,工程海域的泥沙屬于細(xì)顆粒泥沙,計(jì)算沉速時(shí)必須考慮絮凝作用,ω取值為0.000 45 m/s[12];泥沙紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù),實(shí)際計(jì)算中取紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)與水流的渦動(dòng)黏性系數(shù)一致;淤積物的干密度γ0=1 850×D0.18350。

2.2.3模型驗(yàn)證 經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試和率定[11],模型的潮位、流速、流向、含沙量過(guò)程及工程區(qū)附近泥沙沖淤變化計(jì)算達(dá)到了較好的驗(yàn)證精度。圖4為工程前大范圍大潮漲、落急流場(chǎng)示意圖;圖5和6為代表測(cè)站及垂線潮位、流速、流向過(guò)程驗(yàn)證對(duì)比情況,圖7為梅山島周?chē)?007—2010年3年來(lái)實(shí)測(cè)地形沖淤幅度及模型計(jì)算驗(yàn)證圖(梅山島東南部有工程施工,影響了局部沖淤驗(yàn)證的精度)。

圖4 大潮漲、落急流場(chǎng)Fig.4 Flow field during max.flood and max.ebb tide

圖5 實(shí)測(cè)大潮一潮位過(guò)程驗(yàn)證(郭巨,2007-09-12T16:00/09-14T17:00)Fig.5 Tide level verification against measured 1st spring tide

圖6 實(shí)測(cè)大潮一潮位流速、流向過(guò)程驗(yàn)證(2007-09-12T16:00/09-14T17:00)Fig.6 Current velocity and direction verification of measured 1st spring tide

圖7 梅山島2007—2010年實(shí)測(cè)地形沖淤變化及模型計(jì)算驗(yàn)證Fig.7 Changes in measured topography and calculated values from 2007 to 2010 around Meishan island

3 工程前后潮流流場(chǎng)變化計(jì)算分析

模型驗(yàn)證后,選擇實(shí)測(cè)大潮二及小潮為典型代表潮型,對(duì)工程方案實(shí)施前后的潮流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。

3.1 工程前后流態(tài)變化

工程前大、小潮漲潮過(guò)程中梅山水道西南側(cè)口門(mén)處有小范圍短歷時(shí)回流存在。工程實(shí)施后流態(tài)變化主要表現(xiàn)為:大潮漲、落潮及小潮落潮過(guò)程中,梅山水道西南側(cè)攔水堤外出現(xiàn)較大范圍回流;大潮漲潮過(guò)程中,東北側(cè)口門(mén)附近亦存在小范圍的回流。

3.2 工程前后各通道潮量變化

工程區(qū)口門(mén)、水道眾多,模型計(jì)算分析了工程后各通道的潮量變化情況。表1為大、小潮工程前后各通道潮量變化情況?？梢?jiàn),工程實(shí)施前梅山水道進(jìn)、出潮量分別為0.65和0.33億m3,相對(duì)其他通道量值較小;工程實(shí)施后,梅山水道潮汐通道被截?cái)?原通過(guò)梅山水道的潮量進(jìn)行重新分配,除佛渡水道的進(jìn)潮量變化超過(guò)1%外,其他通道進(jìn)、出潮量變化值很小。這說(shuō)明工程實(shí)施后,象山港、牛鼻山水道、條帚門(mén)和蝦峙門(mén)的潮量基本沒(méi)有變化,工程對(duì)整體海域的潮流場(chǎng)動(dòng)力影響甚微。

表1 工程前后各通道潮量變化Tab.1 Tidal current changes around channels with and without the project 108m3

3.3 工程前后流速變化

工程實(shí)施后,截?cái)嗔嗽瓰槌毕ǖ赖拿飞剿?隨著潮量的重新分配,潮流流速場(chǎng)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。工程后流速變化特征主要表現(xiàn)為:梅山水道兩攔水堤間潮流動(dòng)力消失;擬建北堤～東北側(cè)口門(mén)留存的2 km長(zhǎng)“盲腸”通道內(nèi)潮流動(dòng)力微弱,最大漲、落潮流速僅為0.10 m/s;擬建南堤以西近岸海域、擬建北堤以東近岸海域?yàn)榱魉贉p小區(qū),流速減小0.05 m/s的最大影響范圍分別為自南堤以西約5.0 km、東北側(cè)口門(mén)以東北約7.0 km;七姓涂南大堤西端近堤海域、梅山島東部近岸海域?yàn)榱魉僭黾訁^(qū),流速增加的最大影響范圍至七姓涂南大堤外5.0 km和青龍山以東3.5 km。而小潮條件下流速變化幅度較大潮小。圖8為工程前后大潮漲、落急時(shí)刻流速差等值線分布情況。

圖8 工程前后大潮漲、落急流速差等值線分布Fig.8 Distribution of velocity change contour during max.flood and max.ebb with and without the project

4 工程后泥沙沖淤變化計(jì)算分析

工程的實(shí)施將封堵梅山水道,在工程區(qū)附近海域的潮流流場(chǎng)發(fā)生相應(yīng)調(diào)整的同時(shí),附近海域的海床亦將做出相應(yīng)的沖淤變形響應(yīng)。

模型計(jì)算了工程后初期1年及達(dá)到準(zhǔn)平衡狀態(tài)3年時(shí)的泥沙沖淤情況。圖9為工程后1年及3年海床沖淤變化情況。由圖可見(jiàn),工程后梅山島東南部海床為沖刷區(qū),但沖刷的深度不大,接近平衡時(shí)最大沖刷深度一般為0.4～0.6 m。擬建南、北兩側(cè)攔水堤外局部海域?yàn)槟嗌忱鄯e性淤積區(qū)。南堤外側(cè)接近沖淤平衡時(shí)的最大淤積厚度達(dá)3.5 m,最大淤積部位位于口門(mén)外深槽內(nèi),0.5 m淤積厚度的淤積影響將延伸至南堤以外約4.0 km;北堤外至東北側(cè)口門(mén)之間的原梅山水道漲潮流出口段為累積性淤積區(qū),其準(zhǔn)平衡狀態(tài)下的最大淤積厚度為1.5 m;東北側(cè)口門(mén)外海域接近沖淤平衡狀態(tài)時(shí)最大淤積厚度達(dá)3.5 m,最大淤積部位位于口門(mén)附近的航槽內(nèi),沿岸0.5 m厚淤積影響的最大范圍至口門(mén)外4.0 km處。

圖9 工程1年后和3年后泥沙沖淤分布Fig.9 Sediment erosion and deposition at the end of the 1st year and 3rd year after project completion

工程實(shí)施后,梅山島東部保稅港區(qū)碼頭前沿海域流速稍有增加,海床呈現(xiàn)輕微的沖刷狀態(tài),工程初期年沖刷幅度在0.1～0.2 m,達(dá)到準(zhǔn)平衡狀態(tài)時(shí)的沖刷幅度在0.3～0.5 m?？傮w來(lái)看,工程的興建對(duì)碼頭前沿海床沖刷的影響較小,不會(huì)對(duì)該作業(yè)區(qū)碼頭的安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響,而是更有利于碼頭前水深的維護(hù)。

除上述工程區(qū)附近的主要沖刷和淤積區(qū)以外,其他海域的海床沖淤變幅均在自然沖淤范圍內(nèi),基本沒(méi)有受到工程的沖淤影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)潮流泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析,得到梅山水道抗超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)漁業(yè)避風(fēng)錨地工程實(shí)施后的主要影響:

(1)雖然工程實(shí)施封閉了作為潮汐通道的梅山水道,但由于梅山水道的潮量占鄰近佛渡水道等進(jìn)出潮量的權(quán)重很小,象山港、牛鼻山水道、條帚門(mén)、蝦峙門(mén)、螺頭水道、佛渡島及六橫島等周邊海域的整體潮流動(dòng)力基本沒(méi)有改變,大范圍海床沖淤趨勢(shì)也沒(méi)有發(fā)生明顯變化,因此工程的實(shí)施不會(huì)改變?cè)摵Ｓ蛘w潮流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及海床自然沖淤的格局。

(2)七姓涂南大堤西端～梅山島東部近岸海域?yàn)榱魉僭黾訁^(qū),海床產(chǎn)生輕微沖刷,不影響梅山島東部保稅港區(qū)碼頭的正常運(yùn)行。

(3)擬建南堤以西及北堤以東近岸海域,出現(xiàn)范圍與歷時(shí)不同的回流流態(tài),處于流速減小區(qū),該區(qū)域海床將發(fā)生淤積,口門(mén)外深槽內(nèi)淤積幅度最大。處于該區(qū)的水閘、小型碼頭的正常運(yùn)行需做好清淤疏浚措施。

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Tidal current and sediment numerical calculation for Meishan waterway

FAN Hong-xia,WANG Jian-zhong,ZHU Li-jun
(Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China)

A 2-D tidal current and sediment mathematical model for Meishan waterway sea area is established on the basis of analyzing the measured data.After flow and sediment motion verification,the model is applied to calculate and analyse the changes of the tidal current and the erosion-siltation variation caused by the anchorage shelter project under typical spring-neap tide conditions.The research results show that the flood and ebb tidal volume in the Meishan waterway constitutes a small percentage of those of the surrounding waterways,bringing no changes of the flow field and sediment balance in the large sea area.Cumulative deposition trend is shown in the recirculation and slow-flow region near the proposed two dikes at the south and north waterways because of velocity decreasing,which will give some impacts on the water conservancy facilities located in the adjacent areas. Therefore it is necessary to take protective measures to ensure safe operation of the small sluices and wharfs located in the sea area.The analysis research findings can provide a technical support for the project design and construction.

Meishan waterway;the anchorage shelter project;tidal current and sediment;numerical calculation

TV148

A

1009-640X(2014)06-0009-07

2014-05-17

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012CB417001);國(guó)家“948”項(xiàng)目(201303)

范紅霞(1981-),女,江蘇阜寧人,工程師,碩士,主要從事港口航道及海岸工程水動(dòng)力及泥沙研究工作。E-mail:hxfan@nhri.cn