連云港外航道沿程含沙量計(jì)算研究

張 瑋，劉 杰，肖天葆，孫宏杰，楊 松

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.廣東茂名濱海新區(qū)管理委員會(huì)，茂名525000）

連云港外航道沿程含沙量計(jì)算研究

張 瑋1，劉 杰1，肖天葆2，孫宏杰1，楊 松1

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.廣東茂名濱海新區(qū)管理委員會(huì)，茂名525000）

在淤泥質(zhì)海岸，含沙量是影響航道回淤的關(guān)鍵因素，而外海含沙量資料往往難以獲得。針對(duì)連云港海域外海含沙量資料缺乏的現(xiàn)狀，根據(jù)已有的7萬t級(jí)、15萬t級(jí)和25萬t級(jí)航道回淤實(shí)測(cè)資料，利用潮流數(shù)學(xué)模型，結(jié)合規(guī)范推薦的兩種淤泥質(zhì)海岸航道回淤預(yù)測(cè)公式，反算了外航道沿程含沙量，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，根據(jù)航道回淤資料反算的含沙量大小與分布較為合理，且不同航道等級(jí)條件下反算的含沙量結(jié)果較為接近，說明這種計(jì)算方法可靠、計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定；該方法僅適用于海床沖淤平衡條件下外航道含沙量的推算；劉家駒公式與曹祖德公式計(jì)算的含沙量結(jié)果均能滿足精度要求。

淤泥質(zhì)海岸；航道；含沙量；經(jīng)驗(yàn)公式；數(shù)學(xué)模型

在淤泥質(zhì)海岸建港，港池和航道的泥沙淤積是工程技術(shù)人員面臨的首要問題。對(duì)于淤泥質(zhì)海岸，泥沙回淤以懸沙落淤為主，沿航道的含沙量是預(yù)測(cè)航道回淤量的關(guān)鍵。受條件限制，海洋水文觀測(cè)站大多位于近岸，外海水域含沙量長(zhǎng)期實(shí)測(cè)資料通常較少。

目前，外海含沙量推算主要有兩種方法。第一，經(jīng)驗(yàn)公式法。孫連成［1］根據(jù)風(fēng)與含沙量的相關(guān)關(guān)系，提出了利用風(fēng)力計(jì)算含沙量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式。章衛(wèi)勝［2］在波浪、潮流數(shù)學(xué)模型中，利用劉家駒淺灘含沙量公式推算了連云港海域平均含沙量場(chǎng)。第二，遙感圖像法。楊華［3］利用衛(wèi)星遙感圖片對(duì)洋山海域懸沙分布規(guī)律及運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行了分析。廖迎娣［4］利用海洋水色衛(wèi)星SeaStar/SeaWiFS數(shù)據(jù)，建立了中國(guó)東部沿海懸浮泥沙濃度定量模式。劉紅［5］根據(jù)定點(diǎn)水文實(shí)測(cè)資料，建立表層水體年平均含沙量與月平均含沙量的關(guān)系，以及垂線平均含沙量與表層水體含沙量的關(guān)系，從而根據(jù)遙感資料反演年垂線平均含沙量。

以往，在進(jìn)行航道回淤預(yù)測(cè)時(shí)，需要首先確定工程水域含沙量，然后再利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算航道回淤。不過，對(duì)于已建港口，在進(jìn)行擴(kuò)建時(shí)，往往可以預(yù)先獲得前期航道的回淤實(shí)測(cè)資料，此時(shí)，應(yīng)充分利用這些資料所包含的寶貴信息。為此，文獻(xiàn)［6］提出了利用航道回淤實(shí)測(cè)資料，結(jié)合潮流數(shù)值模擬和航道回淤計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式［7-9］，反算外航道含沙量的方法，但受資料所限，僅針對(duì)連云港7萬t級(jí)進(jìn)港航道進(jìn)行了初步應(yīng)用，方法的可靠性和穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

本文將利用連云港15萬t級(jí)、25萬t級(jí)進(jìn)港航道的回淤實(shí)測(cè)資料，結(jié)合潮流數(shù)學(xué)模型和航道回淤經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算外航道沿程含沙量，并與7萬t級(jí)進(jìn)港航道回淤資料的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，藉此分析這種含沙量反算方法的可靠性和穩(wěn)定性。此外，還將使用不同的航道回淤經(jīng)驗(yàn)公式反算含沙量，并加以對(duì)比分析。

圖1 連云港港區(qū)平面布置及航道沿里程分段Fig.1 Planar layout of Lianyungang Port area and channel sections by mileage

1 基本概況

連云港位于江蘇蘇北沿海，潮汐運(yùn)動(dòng)受南黃海駐波系統(tǒng)控制，為正規(guī)半日潮。外海潮流為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流，近岸受地形影響，潮流逐漸向往復(fù)流過渡，流向大致與岸線平行［7］。海區(qū)波浪以風(fēng)浪為主，常浪向?yàn)槠珫|北向，強(qiáng)浪向?yàn)槠毕?。連云港海域近岸水體多年平均含沙量一般在0.21～0.24 kg/m3，灘坡平緩（1/1 000～1/2 000），泥沙中值粒徑為0.002～0.004 mm，屬淤泥質(zhì)。岸灘泥沙輸移方式主要為“波浪掀沙，潮流輸沙”，近幾十年來，連云港海域基本處于沖淤平衡、局部略有沖刷狀態(tài)［10］。

連云港主港區(qū)平面布置及航道里程分段見圖1。主港區(qū)進(jìn)港航道主要分為三段：內(nèi)段走向?yàn)?92°～112°，對(duì)應(yīng)航道里程為0～1.5 km；轉(zhuǎn)彎段走向?yàn)?67°～87°，對(duì)應(yīng)航道里程為1.5～4.5 km；外段走向?yàn)?43°～63°，對(duì)應(yīng)航道里程為4.5～16.5 km。近年來，連云港主港區(qū)進(jìn)港航道逐步拓寬浚深，2002年底由3.5萬t級(jí)擴(kuò)建至7萬t級(jí)（-11.5 m，理論深度基面，下同），2008年擴(kuò)建至15萬t級(jí)（-16.5 m），2012年25萬t級(jí)航道（-19.8 m）建成通航。

連云港主港區(qū)進(jìn)港航道歷次疏浚完工后，均進(jìn)行了航道回淤觀測(cè)，航道回淤強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)以年為單位，回淤觀測(cè)不足一年或超過一年的均折算成一年。連云港進(jìn)港航道由7萬t級(jí)浚深至15萬t級(jí)時(shí)，僅僅改變了航道的尺度；而浚深至25萬t級(jí)時(shí)，不僅改變了航道尺度，還修建了環(huán)抱式防波堤，這將改變港區(qū)水域的水動(dòng)力條件，影響海床的沖淤平衡［11］。航道沿程回淤強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果詳見圖2、表1，由此可知：（1）7萬t級(jí)、15萬t級(jí)進(jìn)港航道回淤強(qiáng)度由近岸到外海均是先增加后減小，回淤峰值區(qū)段位于口門附近（航道里程2～7 km），口門以外航道回淤強(qiáng)度逐漸減小；（2）15萬t級(jí)航道回淤強(qiáng)度大于7萬t級(jí)，主要與航道深度有關(guān)，航道浚深后，航槽內(nèi)流速減小，挾沙水流經(jīng)過航道時(shí)更易落淤；（3）25萬t級(jí)航道回淤強(qiáng)度小于15萬t級(jí)航道回淤強(qiáng)度，這主要由環(huán)抱式防波堤的修建所導(dǎo)致［12］。

圖2 7萬t級(jí)、15萬t級(jí)和25萬t級(jí)航道回淤強(qiáng)度Fig.2 Siltation intensity in channel of 70 000 DWT，150 000 DWT and 250 000 DWT

2 潮流數(shù)學(xué)模型

2.1 基本方程

（1）水流連續(xù)方程

（2）水流動(dòng)量方程

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為x、y方向的水平紊動(dòng)粘性系數(shù)；f為科氏參數(shù)（f=2ωsinφ，ω為地球旋轉(zhuǎn)角速度，φ為緯度）；τx、τy為床面切應(yīng)力在x、y方向的分量。

2.2 模型的建立和求解

2.2.1 模型范圍

根據(jù)研究?jī)?nèi)容的要求，模型范圍西自現(xiàn)有岸線，南起廢黃河口（34°17′00″N，120°17′E），東至（35°22′30″N，120°17′E），北接日照（35°22′30″N，119°33′E），東西寬約100 km，南北長(zhǎng)約120 km，模型范圍內(nèi)水域面積約8 648 km2。

2.2.2 外海邊界條件

連云港海域泥沙數(shù)學(xué)模型的西邊界、南邊界為閉邊界（陸邊界），北邊界、東邊界和灌河為開邊界（水邊界）。對(duì)于開邊界，由東中國(guó)海模型提供潮位過程；對(duì)于閉邊界，根據(jù)不可入原理，取法向速度為0。

2.2.3 求解方法

采用ADI算法數(shù)值求解上述方程組，也就是把每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)分成兩步進(jìn)行，前半步隱式計(jì)算x方向流速分量及潮位，顯式計(jì)算y方向流速分量；后半步隱式計(jì)算y方向流速分量及潮位，顯式計(jì)算x方向流速分量。此外，采用干濕判別技術(shù)進(jìn)行動(dòng)邊界處理。

表1 7萬t級(jí)、15萬t級(jí)和25萬t級(jí)航道沿程淺灘水深及回淤強(qiáng)度Tab.1 Shoal water depth and siltation intensity along channel of 70 000 DWT，150 000 DWT and 250 000 DWT

3 外航道沿程含沙量的推算

3.1 航道回淤計(jì)算公式

連云港海域?yàn)橛倌噘|(zhì)海岸，根據(jù)《海港水文規(guī)范》［10］，在海床基本處于沖淤平衡狀態(tài)下的淤泥質(zhì)海岸開挖航道，其淤積強(qiáng)度可采用劉家駒公式（式（4））或曹祖德公式（式（5））計(jì)算

式中：P1為航道底部單位面積的淤積強(qiáng)度，m/a；ω為細(xì)顆粒泥沙的絮凝沉降速度，m/s，文中取為0.000 54 m/s；S1為相應(yīng)于平均水深d1的淺灘水域的平均含沙量，kg/m3；t為淤積歷時(shí)，s；γ0為淤積物的干容重，kg/m3，文中取為640 kg/m3；K1、K2分別為橫流和順流淤積系數(shù)，文中K1取為0.35，K2取為0.13；d1、d2分別代表淺灘平均水深和航道開挖后的水深，m；θ為航道走向與水流流向之間的夾角，（°）；α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，文中取為0.45。

3.2 外航道沿程含沙量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)7萬t級(jí)、15萬t級(jí)和25萬t級(jí)航道回淤實(shí)測(cè)資料，結(jié)合潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，分別采用劉家駒公式、曹祖德公式反算7萬t級(jí)、15萬t級(jí)和25萬t級(jí)外航道沿程含沙量，結(jié)果見圖3、表2。

計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于7萬t級(jí)進(jìn)港航道，沿程含沙量由近岸到外海先增加后減小，最高含沙量0.24～0.26 kg/m3，位于航道里程6.0～6.5 km處，航道里程14.0 km以外含沙量小于0.1 kg/m3。該結(jié)果與金镠［13-14］等得到的連云港海域含沙量橫向分布相近，表明公式反算的含沙量結(jié)果較為合理。

對(duì)于15萬t級(jí)進(jìn)港航道，沿程含沙量由近岸到外海也是先增加后減小，最高含沙量0.23～0.26 kg/m3，位于航道里程6.0～7.5 km處，與7萬t級(jí)時(shí)的結(jié)果基本一致，表明這種反算含沙量的計(jì)算方法所得結(jié)果較為穩(wěn)定。至于航道里程13.0 km以外部分海域，15萬t級(jí)時(shí)的含沙量與7萬t級(jí)時(shí)的結(jié)果有一定差異，可能與該段航道附近海域設(shè)置拋泥區(qū)有關(guān)。

圖3 航道沿程含沙量Fig.3 Sediment concentration along channel

對(duì)于25萬t級(jí)進(jìn)港航道，航道里程10.0 km以內(nèi)，沿程含沙量小于7萬t級(jí)、15萬t級(jí)較多，而航道里程10.0 km以外，沿程含沙量與7萬t級(jí)、15萬t級(jí)時(shí)較為接近。經(jīng)分析，環(huán)抱式防波堤修建后，口門附近水動(dòng)力發(fā)生顯著變化，海床沖淤平衡狀態(tài)遭到破壞，式（4）、式（5）不再適用，因此其計(jì)算的口門附近含沙量偏差較大；而外海區(qū)域由于基本不受工程影響，海床仍基本處于沖淤平衡狀態(tài)，故公式計(jì)算的航道含沙量結(jié)果與7萬t級(jí)、15萬t級(jí)時(shí)基本相同。

3.3 公式的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

對(duì)比不同航道等級(jí)下，劉家駒公式與曹祖德公式計(jì)算含沙量的結(jié)果（詳見圖3和表2），兩種公式計(jì)算的各航道等級(jí)下含沙量的大小與趨勢(shì)基本一致。7萬t級(jí)時(shí)，兩種公式計(jì)算沿程含沙量的相對(duì)誤差最大為9%，15萬t級(jí)、25萬t級(jí)時(shí)，兩種公式計(jì)算沿程含沙量的相對(duì)誤差最大為11%。由此可見，盡管兩種公式的形式不同，但是計(jì)算含沙量結(jié)果的精度基本相同，公式的選取基本不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。

表2 7萬t級(jí)、15萬t級(jí)和25萬t級(jí)外航道沿程含沙量的計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of sediment concentration along outer channel of 70 000 DWT，150 000 DWT and 250 000 DWT

4 結(jié)論

（1）鑒于根據(jù)航道實(shí)測(cè)回淤資料推算含沙量的方法缺乏驗(yàn)證的情況，利用連云港15萬t級(jí)、25萬t級(jí)進(jìn)港航道的回淤實(shí)測(cè)資料，計(jì)算了外航道沿程含沙量，并與7萬t級(jí)時(shí)的外航道沿程含沙量進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，該計(jì)算方法較為可靠，計(jì)算結(jié)果較為穩(wěn)定。

（2）根據(jù)計(jì)算，7萬t級(jí)時(shí)，連云港進(jìn)港航道沿程含沙量由近岸到外海先增加后減小，最高含沙量為0.24～0.26 kg/m3，位于航道里程6.0～6.5 km處，航道里程14.0 km以外含沙量小于0.1 kg/m3；15萬t級(jí)時(shí)，沿程含沙量變化趨勢(shì)也是先增加后減小，最高含沙量為0.23～0.26 kg/m3，位于航道里程6.0～7.5 km處，與7萬t級(jí)時(shí)的結(jié)果基本一致。

（3）該方法僅適用于海床沖淤平衡狀態(tài)下外航道含沙量的反算。25萬t級(jí)時(shí)，航道里程10.0 km以外含沙量與7萬t級(jí)、15萬t級(jí)時(shí)基本相同，而航道里程10.0 km以內(nèi)含沙量則相差較大。

（4）劉家駒公式與曹祖德公式計(jì)算的含沙量結(jié)果本質(zhì)上沒有區(qū)別。7萬t級(jí)時(shí)，兩種公式計(jì)算含沙量的結(jié)果相對(duì)誤差最大為9%，15萬t級(jí)和25萬t級(jí)時(shí)，兩種公式計(jì)算含沙量的結(jié)果相對(duì)誤差最大均為11%。

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Calculation of sediment concentration along approach channel to Lianyungang Port

ZHANG Wei1,LIU Jie1,XIAO Tian?bao2,SUN Hong?jie1,YANG Song1
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Administration Committee of Guangdong Maoming Binhai New Area,Maoming 525000,China）

The suspended sediment concentration(SSC),a key factor in predicting the siltation intensity in ap?proach channels of muddy coast,is very difficult to be measured in open seas.Due to the limited data of SSC in Li?anyungang sea area,according to the observed silting data in approach channels of 70 000 DWT,150 000 DWT and 250 000 DWT,a mathematic model of tidal current and two formulas recommended by the Code of Hydrology for Sea Harbor for predicting the siltation intensity were used to calculate the SSC along the approach channel,and then the computation results were compared.The research shows that the size and distribution of the SSC calculated by the observed silting data are reasonable and the SSC of different levels are very close,which prove that the calcu?lation method is reliable and the computation results are stable.This method is only suitable for the prediction of SSC along the outer channel on the seabed in the balance of erosion and deposition.The calculation results by Liu Jiajv formula and Cao Zude formula all meet the accuracy requirements.

muddy coast;channel;SSC;empirical formula;mathematical model

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2017）02-0115-05

2016-07-22；

2016-11-10

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2012AA112509）

張瑋（1958-），男，山東青島人，教授，博導(dǎo)，主要從事港口航道工程研究。

Biography：ZHANG Wei（1958-），male，professor.