海廟港新增通用泊位工程水動力數值模擬*

殷齊麟, 王智峰， 董　勝**, 高俊國,2

(1.中國海洋大學工程學院,山東 青島 266100;2.國家海洋局第一海洋研究所,山東 青島 266061)

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海廟港新增通用泊位工程水動力數值模擬*

殷齊麟1, 王智峰1， 董勝1**, 高俊國1,2

(1.中國海洋大學工程學院,山東 青島 266100;2.國家海洋局第一海洋研究所,山東 青島 266061)

摘要：海廟作業(yè)區(qū)是萊州港的重要組成部分。根據吞吐量預測，現急需建設#5、#6泊位并對碼頭前沿水域進行疏浚。本文采用MIKE21中HD模塊建立渤海灣潮流模型，研究工程建設對水動力環(huán)境的影響。為了得到更精確的結果，采用嵌套網格離散工程海域。將數值模型的結果與測站的觀測結果進行了對比。潮流的相位差為10min，潮位差10cm。計算得到的潮流流速也與觀測結果吻合良好。根據驗證結果，作者認為本文建立的數值模型可以比較精確地預測潮流場?；诠こ糖昂蟛煌陌毒€和水深數據，分別建立了工程前后的數值模型，通過結果對比，得到以下結論：(1)海廟作業(yè)區(qū)位于太平灣南部，該海域的潮流為非正規(guī)半日潮型，平均漲潮歷時大于平均落潮歷時，日不等現象較為明顯。(2)落急時刻海廟作業(yè)區(qū)整體水流方向為SW-NE向；漲急時刻海廟作業(yè)區(qū)北部海域水流流向主要為N-S向，向南逐漸改變?yōu)镹NW-SSE向。(3)工程建設前，起到挑流作用的主要是作業(yè)區(qū)西部的堤防；全部工程建設后，起到挑流作用的主要是作業(yè)區(qū)西部的新碼頭岸線；工程建設導致碼頭西部在漲急、落急時刻的流速均有所增大，且增幅超過10cm/s，岸線的變化導致水流方向變化較為明顯，最大值超過20°。(4)港池的開挖導致作業(yè)區(qū)南部水域水流速度明顯減小，流態(tài)平順，有利于港池的靠船作業(yè)的順利進行。需要注意的是：港池流速變小有利于泥沙的沉積；來沙方向的來沙量對于港池清淤的間隔時間影響較大，在實際工程中應給予相應的措施。

關鍵詞：海廟港；泊位建設；港池疏浚；水動力環(huán)境；HD模塊；數值模擬

引用格式：殷齊麟, 王智峰， 董勝, 等. 海廟港新增通用泊位工程水動力數值模擬[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版)， 2016, 46(4)： 134-141.

YIN Qi-Lin, WANG Zhi-Feng, DONG Sheng, et al. Hydrodynamic numerical simulation of the newly-constructed general-purpose berths of Haimiao Port[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(4): 134-141.

海廟作業(yè)區(qū)是煙臺市萊州港區(qū)的重要組成部分，位于渤海萊州灣東南部太平灣的東岸，地理坐標在119°49′30″E，37°12′45″N附近。作業(yè)區(qū)周圍沒有專門的大型防波堤掩護，屬于開放類型的碼頭，僅在作業(yè)區(qū)西北端向西延伸出一條長約200m的堤防，起到擋流擋浪的作用。根據吞吐量預測，海廟作業(yè)區(qū)2015年吞吐量將達到200萬t，2020年將達到350萬t，而現有的通過能力僅有40萬t，港口通過能力不足的矛盾非常突出。為了海廟作業(yè)區(qū)日后的發(fā)展，急需新建5000t的#5、#6泊位，并對碼頭前沿一定范圍的港池進行疏浚。該工程的具體位置與概況如圖1所示。海廟作業(yè)區(qū)潮汐形態(tài)系數為0.88，高潮日不等現象明顯，屬不規(guī)則半日潮[1]。平均高潮間隙為10～11h，平均潮差1.3m，最大潮差2.5m。

本文首先采用MIKE21的HD模塊建立了渤海灣的潮流數值模型，然后逐層加密，對海廟港工程建設前的周圍海域流場進行了模擬，并采用實測資料對模擬結果進行了驗證。進而對工程實施后的海域進行了計算分析，對工程建設提出了實質性建議。

圖1　本工程位置與概況圖

1模型建立與數據驗證

1.1 模型建立

1.1.1 基本方程MIKE 21是一款針對湖泊、河流、河口、海灣、海岸以及海洋等進行數值模擬的專業(yè)軟件[2]，本文采用丹麥DHI公司研發(fā)的MIKE21專業(yè)工程軟件包中的HD水動力模塊，基于自適應結構網格[3]的二維淺水動力學模型[4]構建渤海灣、萊州灣東部海域兩種不同尺度的潮流數值模型，采用大小嵌套的方法對海廟港區(qū)周圍的潮流進行模擬。

(1)連續(xù)方程

(1)

(2)運動方程

(2)

(3)

式中：x,y、t分別為空間坐標、時間；Z為水位(m)；h為水深(m)；u、v分別為垂線平均流速在x，y方向的分量(m/s)；M、N分別為單寬流量在x，y方向的分量(m2/s)，M=hu，N=hv；vt為紊動黏性系數；g為重力加速度；n為曼寧糙率系數；C為曼寧系數，可按下式計算

在當下，部分參與工程投標的企業(yè)為了能夠在招投標中增加自身企業(yè)的競爭以及優(yōu)勢，沒有對項目進項詳細的成本運算以及對施工現場進行勘察的基礎上就盲目地對油田項目進行報價，而且為了能夠將項目掌握在自身企業(yè)中，將投標的報價進行無底線的壓縮，導致工程項目即使中標其建設的效益也不會很高，對于這種方式的競標還有一種弊端就是，盲目的報價中標之對工程的建設質量也缺乏保障，因為企業(yè)所看中的是其中的經濟利益，所以，往往會對中標的項目在施工中出現偷工減料的現象，導致工程的質量以及工程項目的使用壽命得不到保障，嚴重時更會造成倒塌等安全事故。投標單位盲目報價還會造成投標企業(yè)互相報復性惡性報價的不良后果，對招標活動危害甚大。

(4)

(3)淺水方程

整合水平動量方程和連續(xù)方程，在水深h=η+d，可得到二維的淺水方程如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

水平方向上Tij包括水流的黏滯摩擦、紊動摩擦以及差異平流?；谄骄疃攘魉偬荻鹊臏u粘公式如下：

(9)

1.1.2 MIKE21配置大模型的范圍為渤海灣122.5°E以西的海域(見圖2)，由于作業(yè)區(qū)岸線較為曲折，故采用三角形非結構網格劃分模型區(qū)域[5]，網格尺度大約為1.5km。根據計算精度要求，對萊州灣海域、海廟作業(yè)區(qū)海域依次進行加密處理，萊州灣海域的網格尺度大約為0.5km，海廟作業(yè)區(qū)的網格尺度為20～500m，該區(qū)域的水深地形、網格劃分如圖3(a)、(b)所示?？紤]K1、O1、M2、S2四個主要分潮對渤海海域的潮流進行模擬具有足夠高的精度，故本模型采用以上四個主要分潮，制作渤海灣大模型的邊界條件，采用MIKE21自帶的干濕動邊界方法[6-8]，曼寧系數確定為0.14[9]，進行潮流模擬。

圖2　大模型范圍水深地形圖

1.2數據驗證

1.2.1 觀測數據簡介本模型數據驗證采用的逐時觀測數據取自三次水文潮汐觀測，分別是2006年6月份萊州市海廟港水域海洋水文潮汐觀測報告(4個海流觀測站、1個潮汐站)、2006年11月份萊州市海廟港水域海洋水文潮汐觀測報告(2個海流觀測站、1個潮汐站)以及2011年7月份針對坐標為119°42′27″E，37°12′22″N的站點連續(xù)一個月的觀測結果(大潮：2011年7月2—3日；小潮：2011年7月8—9日)。各站位置(見圖4)信息及時間序列如表1。

圖3　海廟作業(yè)區(qū)海域水深地形圖

圖4　各測站位置分布

位置Location站點Station緯度Latitude經度Longitude2006年6月June,2006A37°12.770'119°49.406'B37°13.876'119°47.869'C37°15.350'119°47.678″D37°16.268'119°47.119'萊州海廟港LaizhouHaimiaoport37°12.793'119°49.595'2006年11月Nov.,2006E37°13.010'119°47.500'F37°14.250'119°50.000'萊州海廟港LaizhouHaimiaoport37°12.791'119°49.594'2011年7月July,2011S37°12.367″119°42.400″

1.2.2 模型驗證本文將萊州海廟港2次潮位測量結果與模擬結果進行對比，并將對比結果繪于圖5中。從對比結果可以看出，高低潮時刻的相位偏差大約為10min，最高最低潮位值偏差也小于10cm。對于潮流模擬，限于篇幅的原因，本文僅選取B、C、D三潮流站(2006年6月26日—27日，圖6)和S(僅以2011年7月1—4日的大潮為例，圖7)四個海流觀測站的流速、流向進行對比。各測站測點流速、流向的驗證結果表明，模擬得到的流速、流向結果與實測值非常接近。憩流時間和最大流速出現的時間偏差不到0.5h，流速過程線的形態(tài)基本一致，漲、落潮段流速偏差一般在5cm/s以下，不超過10%。從模擬結果可以看出，工程附近海域漲潮流流向主要為200°，落潮流流向主要為20°，符合該海域的往復流特性[1]；從流向對比結果可以看出，流向也比較相符，排除儀器測量和數據處理過程中存在的不確定性，流向偏差在10°以內，轉流的時間也比較一致。

從驗證結果上來看，MIKE21 HD模型對該海廟作業(yè)區(qū)海域流場的模擬結果滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規(guī)范》(JTS/T 231-2-2010)[10]的要求，能真實反映該海域的流場條件，可以反映工程建設前后的流場以及變化情況。

2工程前后流場分布

2.1 工程前流場特點

工程前，#5、#6碼頭尚未建設，港池也未開挖，海廟作業(yè)區(qū)由#1～4碼頭組成，作業(yè)區(qū)西部有一條大約200 m長的堤防。岸線布置如圖1。模擬此岸線條件下的潮流，對落急、漲急時刻的流速分布進行分析。

圖5　萊州海廟港潮位站潮位驗證曲線

圖6　B、C、D測站流速、流向驗證曲線圖

圖7　S測站流速流向驗證曲線圖

圖8　落急、漲急時刻流速分布

圖8(a)為落急時刻流速分布。落急時刻海廟作業(yè)區(qū)整體水流方向為SW-NE向，平行于太平灣岸線，流速等值線也整體與岸線平行，向岸方向遞減，整體流速在0.06m/以上。但是作業(yè)區(qū)向海內延伸阻擋了落潮流，導致作業(yè)區(qū)南部水域水流順著引堤流動。在#1～4碼頭以及碼頭堤防的挑流作用下，偏東向水流在堤頭處與大股SW-NE水流交匯，在作業(yè)區(qū)的NNW方向大約500m的位置出現了該海域最大落潮流速0.27m/s，流向大約為40°。海廟作業(yè)區(qū)碼頭北岸由于岸線的掩護作用，水流速度很小，整體在0.06m/s以下。圖8(b)為漲急時刻的流速分布。漲急時刻海廟作業(yè)區(qū)北部海域水流流向主要為N-S向，向南逐漸改變?yōu)镹NW-SSE向。北部N-S向的漲潮流在海廟漁港的防波堤影響下，歸順為NE來向。由于海廟作業(yè)區(qū)堤防的阻擋，該水流與作業(yè)區(qū)西側的NNW-SSE向漲潮流交匯，在堤頭處出現最大漲潮流速0.31m/s，流向大約為230°。由于防波堤南部海域水流主要為NW-SE向，受堤防的阻擋較少，所以海廟碼頭南岸的流速多在0.1m/s以上。與落潮流相比，漲潮流的流速整體較小，除了作業(yè)區(qū)周圍，其他海域的漲潮流流速在0.06m/s以下。

2.2 工程后水動力條件變化

該工程包括#5、#6碼頭的建設(工程一)以及港池的開挖(工程二)，本文分落急時刻和漲急時刻兩部分，對工程一以及工程二建設后相對于工程前的流速、流向變化進行對比分析。

2.2.1 落急時刻流速、流向變化由圖9(a)可以看出，由于#5、#6碼頭的建設，原本起到挑流作用的堤防被碼頭掩蓋，挑流岸線南移，挑流區(qū)和流速最大位置也隨之南移。所以，以新建碼頭的頂端附近為中心，形成了流速變大的區(qū)域，原堤防西北方的水域流速變小，流向也順時針變化。另外由于#5、#6碼頭的建設，海廟作業(yè)區(qū)的南側岸線沿E-W方向延長，來向偏南的水流由于岸線歸順作用變得與岸線平行，故而流速逆時針偏轉，越靠近碼頭前沿流向變化越大，流向變化最大值超過20°(見圖10(a))，流速變小。工程二完成后，碼頭前沿的水深變大，高潮時平均水深達到8m，故而流速變小，流速等值線形狀與港池形狀非常一致(如圖9(b))；流速減小還會使得碼頭前沿對水流的歸順效果減弱，流向相對于工程一之后的水流流向順時針變化，故而流向變化沒有工程一后流向變化明顯，在港池右邊界處，沿著引堤方向的水流流經水深突然增大的區(qū)域時，流向與水深邊界的夾角會變小，形成順時針變化的現象(見圖10(b))。其他位置流速流向在工程二之后沒有明顯的改變。

圖9　落急時刻流速變化

圖10　落急時刻流向變化

2.2.2 漲急時刻流速、流向變化漲急時刻海廟作業(yè)區(qū)北部海域水流流向主要為N-S向，工程一完成后，碼頭向西延伸，在海廟作業(yè)區(qū)的西部沿岸處對漲潮流的挑流作用更加明顯，西側的流速變大，流向也向順著岸線的方向順時針偏轉；距離堤頭較遠的北部岸線、南部碼頭前沿線處的水域流速變?。淮a頭前沿處的水流方向逆時針變化(見圖11(a)和圖12(a))。工程二導致碼頭前沿水深變大，流速相對工程一進一步減小；流向也受港池形狀的影響重新分布，NW-SE方向的水流經過港池右邊界時，水深突然減小，導致水流沿著港池邊界的方向順時針變化(見圖12(b))。

圖11　漲急時刻流速變化

圖12　漲急時刻流向變化

3結論

本文使用經過對比驗證的MIKE21 HD模型對海廟作業(yè)區(qū)的水流條件進行了模擬，得到了#5、#6碼頭建設、港池疏浚前后水流條件的變化，對模擬結果進行了相關的分析，得到以下結論：

(1)海廟作業(yè)區(qū)位于太平灣南部，該海域的潮流為非正規(guī)半日潮型，平均漲潮歷時大于平均落潮歷時，日不等現象較為明顯；潮流主要表現為往復流的特性。

(2)落急時刻海廟作業(yè)區(qū)整體水流方向為SW—NE向；漲急時刻海廟作業(yè)區(qū)北部海域水流流向主要為N—S向，向南逐漸改變?yōu)镹NW—SSE向。

(3)工程建設前，起到挑流作用的主要是作業(yè)區(qū)西部的堤防；全部工程建設后，起到挑流作用的主要是作業(yè)區(qū)西部的新碼頭岸線；工程建設導致碼頭西部在漲急、落急時刻的流速均有所增大，且增幅超過10cm/s，岸線的變化導致水流方向變化較為明顯，最大值超過20°，對于靠港作業(yè)的船只，航行時需要特別注意安全。

(4)港池的開挖導致作業(yè)區(qū)南部水域水流速度明顯減小，流態(tài)平順，有利于港池的靠船作業(yè)的順利進行；在港池的右邊界處流向變化明顯。需要注意的是；港池流速變小有利于泥沙的沉積。來沙方向的來沙量對于港池清淤的間隔時間影響較大，在實際工程中應采取相應措施。

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責任編輯陳呈超

Hydrodynamic Numerical Simulation of the Newly-Constructed General-Purpose Berths of Haimiao Port

YIN Qi-Lin1, WANG Zhi-Feng1, DONG Sheng1, GAO Jun-Guo1, 2

(1.College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.The First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China )

Abstract：Haimiao operation zone is an important component of Laizhou Port. According to the prediction of throughput, the construction of 5th and 6th berth and the dredging of wharf apron space are extremely urgent. In order to study the influences on the hydrodynamic environment of construction, HD module of MIKE21 is adopted to establish the tide current model of Bohai Bay. Nested meshes are utilized to discrete the engineering region to obtain accurate results. The results of numerical model are validated by measured data in several observation stations. The phase difference is 10 minutes, and tidal level difference is 10 centimeters. The computed tidal velocities show good agreement with measured data. Based on the validation results, it is reasonable to believe that the numerical model established in this paper is accurate in predicting the flow field. Two numerical models are built using different data of shoreline and water depth before and after constructions. By comparison, the following results are obtained.

(1) Haimiao operation zone is in the south of Taiping Bay. The tide belongs to irregular semidiurnal tide, and the duration of tidal rise is longer than the duration of tidal ebb. The diurnal inequality is obvious.

(2) The overall flow direction of Haimiao operation zone is SW-NE in maximum ebb tide, and N-S in maximum flood tide in the north area, gradual changing to NNW-SSE direction southward.

(3) The new frontage picks the flow after the construction, by contrast, the jetty pier picks the flow before the construction of 5th and 6th berth. The flow velocity in maximum ebb tide and flood tide increases compared with that before construction, and the increasing amplitude exceeds 10 cm/s. A difference of 20 degree in direction is obtained because of the shoreline change.

(4) The dredge of the wharf basin leads to a slower and smoother flow, which is beneficial for berthing and operations. One thing to note is that the decrease of flow velocity increases the possibility of sediment silting-up. Corresponding measures should be taken to control the inflow of sediment.

Key words：Haimiao operation zone; berth construction; wharf basin dredging; hydrodynamic environment; HD module; numerical simulation

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20140112

中圖法分類號：TV131.2

文獻標志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)04-134-08

作者簡介：殷齊麟(1990-)，男，博士生。E-mail:yinqilin007@163.com**通訊作者： E-mail:dongsh@ouc.edu.cn

收稿日期：2014-04-12；

修訂日期：2015-10-11

*基金項目：國家自然科學基金項目(51279186,51479183)資助

Supported by Natural Science Foundation of China (51279186, 51479183)