黃驊港綜合港區(qū)深水航道水動(dòng)力數(shù)值模擬研究

左志剛

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

黃驊港綜合港區(qū)、散貨港區(qū)現(xiàn)有防沙堤采用單堤布局，防沙堤位于航道北側(cè)，堤頭位于-8 m等深線(以黃驊港理論最低潮面為基準(zhǔn)，下同)，為滿足30萬(wàn)t油船(減載至21萬(wàn)t)乘潮進(jìn)出港的要求，將航道等級(jí)提升至20萬(wàn)t級(jí)，航道拓寬至382 m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高-18.3 m。

圖1 黃驊港位置示意圖(2016-03衛(wèi)星影像)Fig.1 Map of Huanghua port(Satellite image in March 2016)

黃驊港存在嚴(yán)重的泥沙回淤問(wèn)題，要解決泥沙問(wèn)題，前提是首先要了解和掌握黃驊港所在海域水動(dòng)力基本特征。本研究利用數(shù)值模擬方法對(duì)擴(kuò)建20萬(wàn)t級(jí)航道工程常態(tài)水動(dòng)力情況進(jìn)行研究，深入分析工程實(shí)施后最大流速、最大橫流等，以掌握工程實(shí)施對(duì)周圍海域的影響，也為其它相關(guān)研究提供支持。

1 地理區(qū)位

黃驊港位于河北省東南部，渤海灣西南岸(圖1)，是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的主要樞紐。

2 水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的建立和驗(yàn)證[1-5]

2.1 模型介紹

潮流模型采用符合淺水和boussineq假設(shè)的不可壓縮流體的N-S方程，來(lái)模擬由潮汐力、溫度不均、密度不均和鹽分不均引起的不穩(wěn)定水流和傳輸。系統(tǒng)方程包括水平運(yùn)動(dòng)方程，連續(xù)性方程和輸運(yùn)守恒方程。水流由開(kāi)邊界處的潮流和自由表面處的風(fēng)、有自由表面傾斜引起的壓力梯度或密度梯度決定。控制方程中包含水源項(xiàng)和匯項(xiàng)。

潮流數(shù)模采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，三維潮流運(yùn)動(dòng)方程如下

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：u，v為水平方向流速；ω是垂向流速；w為垂直坐標(biāo)系下的垂向流速；σ=(z-η)/D為地形相對(duì)坐標(biāo)，其中σ=-1表示床面，σ=0表示自由表面；υt為垂向紊動(dòng)粘性系數(shù)，可由k-ε紊流模型確定；ρ=ρ(T,s)為水體密度，其中T為溫度;s為鹽度；?ρ/?x表示密度梯度的斜壓項(xiàng)，其中f代表科氏力系數(shù)；S，us，vs分別為點(diǎn)源流量和點(diǎn)源在水平方向的速度分量；ρ0是水體密度。

在控制方程的求解過(guò)程中使用有限體積法進(jìn)行離散，采用三角形網(wǎng)格；時(shí)間積分采用顯式歐拉格式；計(jì)算中采用干濕網(wǎng)格方法對(duì)淺灘進(jìn)行考慮。

2.2 模型的建立

大、小模型采用三角形網(wǎng)格剖分計(jì)算域。大模型網(wǎng)格空間步長(zhǎng)3 000 m，模型水深采用最新海圖資料。小模型水深資料采用2012年最新版海圖(1:150 000)、2011年最新版海圖(1:35 000)和工程水域?qū)崪y(cè)CAD水深圖。模型相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)最大空間步長(zhǎng)為3 000 m，在工程附近水域進(jìn)行局部加密，最小空間步長(zhǎng)為35 m。小模型計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

2.3 模型驗(yàn)證

采用2014年水文全潮資料(3個(gè)潮位測(cè)站，11個(gè)潮流測(cè)站，圖3)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。圖4給出了上述全潮測(cè)量中3個(gè)測(cè)站的大中小潮驗(yàn)證情況，結(jié)果顯示潮位、流速、流向與實(shí)測(cè)結(jié)果符合良好，滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》要求，可用于分析工程后流場(chǎng)情況。圖5給出了上述全潮測(cè)量中3個(gè)測(cè)站的流速流向驗(yàn)證情況。

2-a 模型概化地形2-b 模型網(wǎng)格劃分圖3 水文全潮測(cè)站位置示意圖圖2 小模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分Fig.2 Model calculation range and grid partitionFig.3 Location of hydrological survey station

3 工程實(shí)施后流場(chǎng)特征分析

3.1 大范圍流場(chǎng)特征

(1)黃驊港海域整體流場(chǎng)平順，漲潮水體整體自東向西向岸運(yùn)動(dòng)，至近岸向西南方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，落潮水體運(yùn)動(dòng)與漲潮呈相反運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，海區(qū)漲、落潮流速介于0.3～0.8 m/s之間；近岸區(qū)流速在0.2 m/s以內(nèi)。由于防沙堤很長(zhǎng)，在一定程度上起到了導(dǎo)流作用。大范圍流場(chǎng)特征如圖6所示。

(2)從流速值看，綜合港區(qū)航道內(nèi)潛堤附近出現(xiàn)流速最大，在0.9 m/s左右；港池內(nèi)流速最小，在0.05～0.3 m/s；潮流主流向與外航道走向有一定夾角，航道內(nèi)存在一定程度橫流，特別航道末端，由于突然向北轉(zhuǎn)向，造成夾角變大，橫流隨之突然加大。

(3)綜合港區(qū)航道提升對(duì)水流影響主要在航道內(nèi)，且呈減小趨勢(shì)。流速的變化幅度不大，在0.1 m/s以內(nèi)。

圖4 各站潮位驗(yàn)證Fig.4 Verification of tidal level

圖5 部分測(cè)站流速流向驗(yàn)證Fig.5 Verification of velocity and direction

3.2 流速特征

6-a 漲急 6-b 落急圖6 大范圍流場(chǎng)特征Fig.6 Characteristics of flow field

(1)現(xiàn)狀下，-6 m口門附近最大流速表層為1.02 m/s，垂向平均為0.96 m/s，航道內(nèi)最大流速(垂向平均)介于0.26～1.02 m/s之間；航道提升后最大流速在-6 m口門附近出現(xiàn)最大值，為表層0.92 m/s左右、垂向平均0.86 m/s左右，全航道垂向平均最大值在0.25～0.86 m/s。航道內(nèi)流速最大值及最大橫流沿程分布如圖7和圖8所示。

(2)航道內(nèi)最大橫流位于航道向北轉(zhuǎn)折段，由于外海流速較大，同時(shí)航道轉(zhuǎn)角后與水流夾角變大，造成給航道段橫流突然增大；另外-6 m口門附近由于，南橫堤的導(dǎo)流作用，造成口門附近橫流較大。

(3)全潮平均流速變化主要集中在堤頭及航道開(kāi)挖區(qū)，流速變化幅度在0.1 m/s左右；航道由于水深加大，流速有所減??；水流強(qiáng)度的降低有利于泥沙落淤。

(4)從流速增大影響范圍看，工程實(shí)施后對(duì)周圍海域水動(dòng)力環(huán)境基本沒(méi)影響，主要變化發(fā)生在工程附近海域。

圖7 最大流速 圖8 最大橫流 Fig.7 Maximum flow velocity Fig.8 Maximum transverse flow velocity

4 結(jié)論

本文主要結(jié)論有：

(1)本研究所建模型計(jì)算與實(shí)測(cè)潮位、流速、流向結(jié)果符合良好，滿足《規(guī)程》要求，能反映黃驊港海區(qū)的潮流運(yùn)動(dòng)，可用于分析工程后流場(chǎng)情況。

(2)方案的實(shí)施未改變大范圍海域潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，外海漲落潮潮流主向仍為東西向，至近岸轉(zhuǎn)為與等深線基本垂直。

(3)變化發(fā)生在工程附近海域，堤頭及航道開(kāi)挖區(qū)，流速變化幅度都在0.1 m/s左右；航道由于水深加大，流速有所減小。

(4)現(xiàn)狀下，-6 m口門附近最大流速表層為1.02 m/s，垂向平均為0.96 m/s，航道內(nèi)最大流速(垂向平均)在0.26～1.02 m/s左右；航道提升后最大流速在-6 m口門附近出現(xiàn)最大值，為表層0.92 m/s左右、垂向平均0.86 m/s左右，全航道垂向平均最大值在0.25～0.86 m/s。

(5)航道內(nèi)最大橫流位于航道向北轉(zhuǎn)折段，由于外海流速較大，同時(shí)航道轉(zhuǎn)角后與水流夾角變大，造成給航道段橫流突然增大；另外-6 m口門附近由于，南橫堤的導(dǎo)流作用，造成口門附近橫流較大。