東營港水動力要素及泥沙運動特性

李典，徐振坤，肖立敏，孫林云*

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098；2.東營港建設(shè)服務(wù)辦公室，山東東營257237；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029）

東營港水動力要素及泥沙運動特性

李典1，徐振坤2，肖立敏3，孫林云3*

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098；2.東營港建設(shè)服務(wù)辦公室，山東東營257237；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029）

收集整理了東營港現(xiàn)場波浪、潮汐、潮流及泥沙底質(zhì)等實測資料，分析得到該海域波浪動力以東北向和西北向為主，潮汐類型為正規(guī)全日潮，潮流特性表現(xiàn)為基本平行于海岸的往復(fù)流，流速較大，海域底質(zhì)以黏土質(zhì)粉砂為主，屬于粉砂質(zhì)海岸類型。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)劉家駒波浪作用下泥沙起動公式，計算了港口附近海岸泥沙在不同水深下起動波高與泥沙粒徑的關(guān)系，為東營港港區(qū)規(guī)劃及相關(guān)研究提供參考依據(jù)。

東營港；水文泥沙；水動力特性；泥沙起動

1 概述

山東省東營市東營港經(jīng)濟開發(fā)區(qū)位于黃河三角洲中心城市東營市東北部，北臨京津唐經(jīng)濟區(qū)，南連膠東半島，瀕臨渤海西南海岸，地處黃河經(jīng)濟帶與環(huán)渤海經(jīng)濟圈交匯點[1]。該港始建于1984年，依托勝利油田開發(fā)建設(shè)，為勝利油田的生產(chǎn)、生活及相應(yīng)腹地的商貿(mào)提供服務(wù)。隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展，港區(qū)吞吐量近年來不斷增長，東營港現(xiàn)有規(guī)模已不適應(yīng)發(fā)展需要，為此東營港經(jīng)濟開發(fā)區(qū)擬擴大港口規(guī)模，提高航道等級，逐步開展各項規(guī)劃研究。本文通過現(xiàn)場資料的收集整理，分析了東營港風(fēng)、浪、潮汐及潮流等水動力要素及泥沙運動特性，為港區(qū)規(guī)劃及相關(guān)研究提供基礎(chǔ)資料支撐。

2 水動力特征

2.1 波浪

根據(jù)中心二號平臺測站2015年1—12月的連續(xù)波浪觀測資料，對有效波高和平均周期分等級、分方向進行統(tǒng)計，結(jié)果見圖1。由圖1可見，常波向為SW向和W向，其出現(xiàn)頻率為10.92%，這兩個方向主要以小波浪為主。強波向為ENE向，其波高大于2.5 m出現(xiàn)頻率為1.42%，次強波向為E向，波高大于2.5 m出現(xiàn)頻率為0.74%。E向與NNE向也出現(xiàn)了大波浪的情況?？傮w而言，該海域波浪主要動力來源于東北向。2015年有效波高大于1.5 m的波浪全年出現(xiàn)天數(shù)接近40 d。平均周期主要分布在4.0～5.9 s，出現(xiàn)頻率為52.31%，全年平均周期為5.82 s。

圖1中心二號平臺測站2015年1—12月波浪玫瑰圖

Fig.1Wave rose diagram of No.2 central platform station from Jan.to Dec.in 2015

2.2 潮汐

根據(jù)東營港海域的孤東及黃河海港潮位站2010年1月—2015年12月實測潮位資料分析可知，東營港地區(qū)潮汐類型指標（Hk1+HO1）/HM2= 7.03，即潮汐類型以正規(guī)全日潮為主，大部分時段每日出現(xiàn)1次高潮和1次低潮[2]，受淺水分潮影響，個別時段每日還會出現(xiàn)多次高、低潮，最多可達4次。由于靠近渤海灣至萊州灣間的無潮點，本海域潮汐強度弱，潮差小，歷年平均潮差不足0.8 m。潮位特征值分析結(jié)果見表1。

表1 東營港海域潮位特征值Table 1Characteristic values of tidal level in Dongying Harbor

由表1可以看出，在平均海平面方面，黃河海港站略高，可能是由于該站緊鄰防波堤，潮波變形引起的潮位抬高。此外，其他潮位特征基本一致。東營港海域各基面換算關(guān)系：1985國家高程基準=理論深度基準面+0.78 m=實測資料潮位零點+1.0 m。

2.3 潮流

中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司在東營港工程海域布設(shè)的7條潮流觀測垂線，于2015年7月31日—8月1日（農(nóng)歷六月十六至十七，大潮）、2015年8月8—9日（農(nóng)歷六月廿四至廿五，小潮）進行過2個全潮水文測驗[3]。由大潮實測資料繪制潮流矢量圖，見圖2。

圖2 東營港實測大潮潮流矢量圖Fig.2Vector diagram of measured spring tidal current in Dongying Harbor

由測量結(jié)果分析可知：1）東營港潮流屬正規(guī)半日潮，觀測海域潮流基本表現(xiàn)出往復(fù)流特性，從時間分布上看，觀測垂線流速大部分時段從大潮到小潮有減小的趨勢。該海區(qū)西北向流速略大于東南向流速。2）小潮漲潮（東南向）潮段平均流速在0.36～0.58 m/s之間，落潮（西北向）潮段平均流速在0.26～0.54 m/s之間；小潮觀測期間，實測最大流速為1.41 m/s，流向為178°，出現(xiàn)在漲潮期間L1垂線的表層。大潮漲潮（東南向）潮段平均流速在0.40～0.62 m/s之間，落潮（西北向）潮段平均流速在0.31～0.60 m/s之間；大潮觀測期間，實測最大流速為1.56 m/s，流向為178°，出現(xiàn)在漲潮期間L1垂線的表層。3）由于L1點布置在航道口門附近，從實測資料分析可知，最大垂線平均流速超過了1.20 m/s，流向與擬建口門相切，與航道垂直，對船舶的航行不利。

3 泥沙運動特性

3.1 底質(zhì)

中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司于2015年7月、8月開展了港區(qū)附近較大范圍灘面表層沉積物調(diào)查，共采取樣品198個。沉積物樣品點分布從10 m等深線開始，延伸至外海，15 m等深線基本處于取樣范圍中央位置，其中10～15 m等深線之間約有103個樣品，15 m等深線之外約有95個樣品。對所有樣品均做粒徑組成分析，特點如下：

1）樣品類型

底質(zhì)樣品以黏土質(zhì)粉砂（YT）為主，共計160個（占80.80%）；粉砂（T）共計23個（占11.62%）；砂質(zhì)粉砂（ST）共計12個（占6.06%）；粉砂質(zhì)砂（TS）共計2個（占1.01%），砂-粉砂-黏土（STY）共計1個（占0.51%）。

2）樣品中值粒徑

樣品中值粒徑統(tǒng)計結(jié)果見表2，沉積物樣品粒度較小，D50在0.005 1～0.067 8 mm之間。底質(zhì)樣品分選程度均為“差”。

表2 樣品中值粒徑統(tǒng)計Table 2Statistics of sample median particle size

3.2 實測含沙量

海域水體含沙量是計算分析泥沙回淤量最重要的參數(shù)之一，它不僅與當(dāng)?shù)貏恿l件有關(guān)，還與泥沙條件、邊界條件密切相關(guān)。對潮流觀測期間兩個潮次的含沙量觀測結(jié)果進行整理，表3為實測最大含沙量。由表可見，從垂線上看，各垂線含沙量呈現(xiàn)出從表層到底層逐漸增大的趨勢，從平面上看，L1、L2、L4和L5數(shù)值相對較高，表明水深越淺含沙量越大；大潮觀測期間，實測最大含沙量為0.243 1 kg/m3，出現(xiàn)在L4垂線的底層；小潮觀測期間，實測最大含沙量為0.212 0 kg/m3，出現(xiàn)在L2垂線的底層。

表3 實測最大含沙量統(tǒng)計結(jié)果Table 3Statistical results of measured maximum sediment concentration

3.3 泥沙起動

海灘泥沙的起動水深反映了岸灘演變的界限。一般來說，波浪作用下的泥沙起動與波高、波長、泥沙粒徑以及泥沙顆粒重度有關(guān)[4-5]。劉家駒根據(jù)相關(guān)專題研究試驗資料，提出如下形式波浪作用下泥沙起動波高計算公式[6]：

式中：H*是起動波高；Ls、ks分別為波長、波數(shù)；h、D、D0依次分別為水深、泥沙中值粒徑和特定泥沙粒徑D0=0.015 mm；ρs、ρ分別為泥沙密度和水的密度。

據(jù)此結(jié)合前述東營港風(fēng)浪資料，應(yīng)用上述公式對不同波浪、水深條件下泥沙起動波高進行計算，周期取全年平均周期T0=5.82 s，繪制出泥沙粒徑D與起動波高H*之間的關(guān)系曲線簇，見圖3。圖中曲線簇縱坐標最低點對應(yīng)的泥沙粒徑D約在0.016 cm左右，表明這種粒徑的泥沙最容易起動。大于這種粒徑的泥沙，由于質(zhì)量大慣性力大不易起動，小于這種粒徑的泥沙，由于顆粒間的黏結(jié)力增強也不易起動，這與明渠水流的泥沙起動性質(zhì)是一致的。

圖3 周期T0=5.82 s波浪作用下的泥沙起動波高計算曲線Fig.3Calculation curve of sediment incipient motion wave height under wave cyclic T0=5.82 s

為了分析東營港附近海灘泥沙運動特性，根據(jù)上述底質(zhì)采樣資料和泥沙起動公式，分別計算了T0和1.2倍T0狀況下，中值粒徑為D=0.005 cm和D=0.01 cm的泥沙起動波高與水深的關(guān)系，見圖4。

圖4 波浪作用下泥沙起動波高與水深的關(guān)系Fig.4Relationship between sediment incipient motion wave height and water depth under wave action

由圖4可見，對于D=0.005 cm和D=0.01 cm這樣的粉砂而言，隨著水深的增加，起動波高加大，反之亦然。隨著波長的增加（周期變大），泥沙的起動波高減小。例如在水深10 m處，泥沙的起動波高數(shù)值在1～2 m之間，結(jié)合前文東營港風(fēng)浪資料可以看出，有效波高大于1.5 m的頻率為10.34%，接近40 d，當(dāng)這些天氣大波浪來臨時港區(qū)附近海域底床泥沙被掀起，并在較強潮流作用下發(fā)生輸移，一旦在該海域開挖航道可能會引起航道泥沙回淤。

4 結(jié)語

1）東營港附近海域強波向為ENE向，次強波向為E向。該地區(qū)波浪動力主要來源于東北向。

2）東營港潮汐類型以正規(guī)全日潮為主，由于靠近渤海灣至萊州灣間的無潮點，本海域潮汐強度弱，潮差小，歷年平均潮差不足0.8 m。該海域潮流特性表現(xiàn)為基本平行于海岸的往復(fù)流，流速較大，實測最大垂線平均流速超過了1.20 m/s，出現(xiàn)在擬建港池口門附近，流向與口門相切，與擬建航道垂直，形成較大的橫跨航道水流，可能會影響船舶的航行。

3）東營港附近海域底質(zhì)以黏土質(zhì)粉砂為主，中值粒徑在0.005 1～0.067 8 mm之間，屬于粉砂質(zhì)海岸類型。根據(jù)劉家駒波浪作用下的泥沙起動公式計算，當(dāng)較大波浪發(fā)生時港區(qū)附近海域底床泥沙被掀起，并在較強潮流作用下發(fā)生輸移，一旦在該海域開挖航道可能會引起航道泥沙回淤，應(yīng)當(dāng)引起港口規(guī)劃建設(shè)部門的重視。

[1]陳兆林，李衛(wèi)國，劉銳，等.東營港海區(qū)懸沙特征及沖淤分析[J].海洋工程，2009，27（2）：110-114.

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ZHUO Yu-sheng.The report of hydrologic survey and bottom sampling in Dongying Harbor 100 000-ton waterway engineering[R]. Tianjin:CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.,2015.

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[6]劉家駒.海岸泥沙運動研究及應(yīng)用[M].北京：海洋出版社，2009.

LIU Jia-ju.Study and application on coastal sediment movement [M].Beijing:China Ocean Press,2009.

Hydrodynamic factors and sediment movement characteristics in Dongying Harbor

LI Dian1,XU Zhen-kun2,XIAO Li-min3,SUN Lin-yun3*
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China; 2.Construction Services Office of Dongying Harbor,Dongying,Shandong 257237,China; 3.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing,Jiangsu 210029,China）

Based on collection and arrangement of wave,tide,current and sediment measured data in Dongying Harbor,we have studied that the wave is dominated by northeast and northwest direction,the tidal type is regular diurnal and featured by reciprocating current parallel to the coast,the sea bed of the sea area is mainly composed of silty clay,which belongs to the sandy coast type.According to the formula of sediment incipient motion under wave created by LIU Jiaju,we calculated the relationship between sediment incipient wave height and the sediment grain size in different water depth near the harbor,which provides a reference for port planning and related research in Dongying Harbor.

Dongying Harbor;hydrology and sediment;hydrodynamic characteristics;sediment incipient motion

U652.3；P731.2

A

2095-7874（2017）06-0007-04

10.7640/zggwjs201706002

2017-02-24

2017-04-01

李典（1992—），男，安徽六安人，碩士研究生，主要從事

港口航道工程水動力數(shù)值模擬研究。

*通訊作者：孫林云，E-mail：linyunsun@sina.com