南通港東灶港作業(yè)區(qū)碼頭工程潮流數(shù)值模擬及泥沙回淤計算分析

戴 勇， 徐孟飄

(華設設計集團股份有限公司，南京 210014)

南通地處沿海經(jīng)濟帶與長江經(jīng)濟帶T型結構交匯點，“據(jù)江海之匯、扼南北之喉”，擁有獨特的地理區(qū)位優(yōu)勢和水運發(fā)展優(yōu)勢[1-2]。南通港呂四港區(qū)位于江蘇省黃海海域南側海岸線上，橫跨南通濱海園區(qū)、海門和啟東，濱江臨海，緊鄰上海。東灶港作業(yè)區(qū)是呂四港區(qū)的重要組成部分，位于海門市境內(nèi)，呂四港區(qū)西側海門東灶港至啟東大洋港海岸線上，主要在海堤外灘涂上回填和吹填形成，港口條件優(yōu)越。近年來，隨著臨港產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生的運輸需求，南通浩洋港口有限公司擬在南通港呂四港區(qū)東灶港作業(yè)區(qū)一港池建設海港碼頭泊位。

對于碼頭工程水動力及泥沙條件的研究手段多為物理模型研究和數(shù)學模型研究手段[3-8]，如齊越等[9]對蘇北沿海淤泥質建港進行了研究；佘小建等[10]研究了口門防波堤對港池回淤的影響。本文以數(shù)學模型研究為主要手段，在分析工程海域水動力及泥沙運動特點和海床沖淤演變特征的基礎上，建立二維潮流數(shù)學模型，對東灶港作業(yè)區(qū)一港池通用碼頭一期工程實施后的流場變化以及港池、泊位的潮流特征進行模擬分析，計算預測工程實施后泥沙回淤情況，為方案優(yōu)化比選提供技術支持[11]。

1 工程海域自然條件

1.1 潮汐

小廟洪海域潮汐性質屬正規(guī)半日潮。根據(jù)1969～2001年呂四海洋站實測資料統(tǒng)計，呂四港海域平均潮差3.53 m，最大潮差7.31 m，最小潮差0.32 m。

1.2 潮流

小廟洪水道的潮流為規(guī)則半日潮流，最大流速出現(xiàn)在半潮位附近，呈駐波性質，且流速較大；深槽區(qū)的潮流呈往復流，潮流流向與深槽軸線方向一致。小廟洪尾部深槽區(qū)的潮流也為往復流，流向與深槽軸線走向基本一致，大、小潮平均流速分別為0.97～1.54 m/s和0.35～0.63 m/s。自東灶港船閘下至蠣岈山潮流流速逐漸增大。

1.3 波浪

根據(jù)呂四海洋站1969～2001年波浪資料分析，本海區(qū)冬季以偏北方向波浪為主，夏季以偏東南向浪為主。工程海域平均波高0.48 m；常浪向為N、NE、NW向，強浪向為NE，實測最大波高為3.8 m；全年無浪天數(shù)(H4%<0.1 m)約占全年的50%。

1.4 泥沙

1.4.1 底質

東灶港船閘下、東灶中心漁港口門處及東灶港東側淺灘區(qū)的底質中值粒徑分別為0.017 mm、0.017 mm和0.059 mm。其中，東灶港東側淺灘區(qū)底質粒徑與呂四邊灘相近；而東灶港船閘下港道及蠣岈山西側港汊的底質明顯較細，粘粒(<0.005 mm)含量18%～19%，也高于淺灘區(qū)的6%～7%，體現(xiàn)蠣岈山西側港汊的泥沙淤積主要為水體懸沙落淤。

1.4.2 懸沙

小廟洪水道：懸沙平均中值粒徑0.007 mm，全年大、中、小潮平均含沙量為0.26 kg/m3。水體含沙量受風浪和潮流影響，具有風浪大水體含沙量高和流速大水體含沙量高的特點。水道內(nèi)漲落潮含沙量基本一致，但季節(jié)不同，含沙量有差異，冬季含沙量大于夏季，其中冬季漲落潮平均含沙量0.41 kg/m3，夏季為0.22 kg/m3。

蠣岈山海域：據(jù)2006年6月蠣岈山周邊海域水文泥沙測量，各測點大、小潮平均含沙量分別為0.43 kg/m3和0.23 kg/m3，與小廟洪水道整體含沙量水平較為接近。另外，蠣岈山西側港汊區(qū)流速與含沙量的變化過程存在明顯對應關系，表現(xiàn)為漲、落急時段的流速大，含沙量也大；憩流時段流速小，含沙量也相應較小，反映該海域的水體泥沙主要來源于當?shù)亍?/p>

1.5 海床演變特征

1.5.1 小廟洪尾部深槽

通州、東灶港作業(yè)區(qū)岸外存在兩處深槽，一是在蠣蚜山西側小廟洪水道尾部的-5 m深槽，另一是蠣蚜山前緣的-10 m深槽。

小廟洪尾部南通濱海園區(qū)岸外-5 m深槽處的斷面地形比較顯示(圖1，斷面位置在蠣岈山西側10 km)，20世紀60年代時，該處深槽具有南、北兩汊，其后北汊逐漸消失，南汊持續(xù)發(fā)展，1989年時該深槽已呈單汊形態(tài)，且深槽展寬并略有南偏，最深點水深也逐年增大。近十多年來小廟洪尾部-5 m深槽的平面變化表明，近期該深槽一直存在并持續(xù)擴展(圖2)。

圖1 小廟洪尾部斷面水深變化圖Fig.1 Water depth changes at the tail section of Xiaomiaohong圖2 小廟洪水道-5 m等深線變化圖Fig.2 -5 m isobath change map of Xiaomiaohong

1.5.2 蠣岈山西側港汊

在小廟洪尾部深槽南移受蠣岈山礁盤頂托的情況下，蠣岈山與岸相連的灘脊兩側分別發(fā)育了一定規(guī)模的港汊，與其他區(qū)段潮灘的潮溝相比較，這兩條港汊的位置和形態(tài)多年穩(wěn)定，規(guī)模相對較大，具有開發(fā)利用的前景，其中蠣岈山西側港汊數(shù)十年來一直是海門東灶漁港的進出通道。

2006年和2010年11月工程海域水下地形對比顯示，近岸匡圍對蠣岈山西側港汊的平面位置、槽形無明顯影響(圖3)，港汊沿程水深總體呈現(xiàn)沖刷趨勢，最大水深由-3 m沖刷至約-4.5 m(圖4)。據(jù)2010年11月實測，蠣岈山西側-4 m以深區(qū)域主要沿近岸匡圍區(qū)前沿呈E—W向分布，位于蠣岈山礁盤西側的港汊與小廟洪尾部深槽連接的進口段水深相對較淺。

圖3 蠣岈山西側港汊等深線圖Fig.3 Isobath map of the port branch on the west side of Liya Mountain圖4 蠣岈山西側港汊沿程水深變化圖Fig.4 Water depth change along the port branch on the west side of Liya Mountain

2 工程建設方案概況

目前，東灶港作業(yè)區(qū)陸域匡圍已經(jīng)完成，分別形成一突堤、二突堤、三突堤與相應的1#、2#與3#港池。一港池兩側突堤已建大堤中軸線距離寬約785 m，從港口口門至港池底部約2.1 km。港池中部以北水深較大，平均水深約10 m；中部以南水深較小，平均水深約5 m。通用碼頭一期工程擬在東灶作業(yè)區(qū)一港池內(nèi)共布置8個50 000 t級泊位，見圖5。其中，一港池西側由外向內(nèi)分別布置3個50 000 t級散貨泊位和4個50 000 t級雜貨泊位，泊位長度為1 761 m。一港池東側端部布置1個50 000 t級散貨泊位，泊位長度為273 m。

圖5 碼頭平面布置圖Fig.5 Wharf layout plan

3 數(shù)學模型的建立及驗證

3.1 控制方程

基于三維不可壓縮雷諾(Reynolds)平均Navier-Stokes淺水方程建立水動力模型，對連續(xù)方程和動量方程在h=η+d范圍內(nèi)進行積分后可得到下列二維深度平均淺水方程

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：A為水平渦動粘滯力系數(shù)。

3.2 模型建立

潮流數(shù)學模型計算范圍東西長144 km，南北寬87 km。模型采用三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺度為20～500 m，共有網(wǎng)格156 300個。本次數(shù)模計算河床糙率取0.013～0.022；渦粘系數(shù)取0.28 m2/s；模型計算時間步長取30 s。模型的計算范圍、地形及網(wǎng)格如圖6所示。

3.3 模型驗證

潮流數(shù)學模型對2015年5月18日～2015年5月26日期間大、小潮的潮位、流速和流向進行驗證，潮位和潮流測站位置詳見圖7。驗證結果表明：誤差均控制在10%以內(nèi)，能滿足相應規(guī)范的要求。限于篇幅，本文只給出部分測站的大潮驗證曲線，圖8為部分測站大潮潮位驗證圖，圖9為部分測站大潮潮流驗證圖。

圖6 工程區(qū)域網(wǎng)格Fig.6 Encrypted grid in project area圖7 潮位、潮流測站布置圖Fig.7 Tide level, tidal current station layout

8-a #28-b #3圖8 部分測點大潮潮位驗證圖Fig.8 Spring sea level validation

4 水動力分析

4.1 工程區(qū)域水流形態(tài)及特征分析

圖10為工程前漲、落潮流場圖。根據(jù)潮流場模擬結果，工程區(qū)域潮流總體特征為：小廟洪尾部深槽區(qū)及蠣岈山西側港汊水流漲落潮主流向與水道深槽走向一致，往復流特征明顯；三夾沙淺灘區(qū)域水流則主要呈現(xiàn)為漲潮漫灘和落潮歸槽的運動形式，漫灘與歸槽水流主要來自及匯入小廟洪尾部深槽。

9-a C4流速9-b C9流速

9-c C4流向9-d C9流向圖9 部分測點大潮潮流驗證圖Fig.9 Spring velocity and current direction validation

圖10 工程前漲急、落急流場圖Fig.10 Rapid flow field of tidal fluctuation before the implementation of engineering

圖11 工程前后漲、落急流場對比圖Fig.11 Comparison of rapid flow field of tidal fluctuation before and after the implementation of engineering

圖11為大潮期間工程前后局部漲急流場及落急流場對比圖。工程方案實施后，航道內(nèi)往復流特征明顯。漲潮時：(1)蠣岈山沙脊上的水流向北偏轉匯入小廟洪主流深槽，由于航道浚深，小廟洪尾部深槽水流流速略有減小，流向略向南偏轉；(2)三夾沙南支航道疏浚工程的實施，使得由小廟洪匯入三夾沙南支航道的水流相較于工程前明顯南偏，斷面流量增大，水流流速有所增大；(3)1#港池與三夾沙南支銜接處水流流向略有南偏，港池及口門處流速減小明顯，口門存在較明顯的回流區(qū)。落潮時：(1)小廟洪尾部深槽水流流速略有減小，流向略有北偏；(2)三夾沙南支航道內(nèi)水流流向明顯向北偏轉，基本呈與航道走向一致的往復流特征；(3)港池與航道銜接處水流流速減小，流向略有北偏；(4)港池口門附近流速減小明顯。

4.2 港池及碼頭前沿流速分析

(1)港池與航道過渡水域流速特征。

工程前，港池與航道過渡水域內(nèi)水流流速相對較大，最大流速為0.32～1.09 m/s，平均流速為0.13～0.52 m/s。工程方案實施后，由于過流斷面增加，流速大幅度減小，最大流速為0.13～0.72 m/s，平均流速為0.08～0.39 m/s。

(2)港池內(nèi)流速特征。

港池內(nèi)水流流速總體上呈現(xiàn)由口門向內(nèi)逐漸減小的趨勢。工程前，港池口門處由于地形束流作用，流速較大。工程方案實施后，由于海床挖深，港池內(nèi)流速有大幅度減小，港池內(nèi)最大流速小于0.2 m/s，平均流速小于0.1 m/s。

(3)碼頭前沿流速特征。

港池碼頭前沿泊位流速總體上由港池口門向港池內(nèi)部逐漸減小。工程前，西側碼頭前沿最大流速為0.05～0.34 m/s，平均流速為0.02～0.17 m/s；東側碼頭前沿泊位流速總體較小，最大流速及平均流速均小于0.1 m/s。工程方案實施后，西側碼頭前沿流速整體均有所減小，平均流速基本小于0.1 m/s，最大流速均小于0.28 m/s；東側碼頭前沿泊位最大流速及平均流速均小于0.02 m/s。

(4)碼頭前沿橫流特征。

碼頭前沿最大橫流值總體均較小，且基本上由口門處向港池內(nèi)部逐漸減小，西側泊位最大橫流值基本小于0.1 m/s，碼頭前沿東側泊位最大橫流值均小于0.02 m/s。

5 港池泥沙沖淤計算分析

5.1 港池泥沙計算公式

東灶港閘下港道的泥沙淤積形式主要為懸沙落淤，懸沙最大中值粒徑0.020 mm，最小中值粒徑0.005 mm，平均中值粒徑0.007 mm。對于懸沙造成的航道和港池泥沙淤積問題，泥沙中值粒徑小于0.03 mm的細顆粒物質，可采用已納入我國行業(yè)標準《海港水文規(guī)范》的劉家駒公式。

對于基本處于沖淤平衡狀態(tài)下的淤泥質淺灘水域中開挖的港池，其年淤積強度計算表達式為

(5)

對于大型的挖入式、環(huán)抱式港池，由于港池面積較大、港池及泊位較多，港池的淤積計算應分區(qū)進行。即按照潮流流路經(jīng)過的先后次序，將港池劃分為多個分區(qū)，分別確定各區(qū)的水下淺灘面積A和各區(qū)總面積A0，然后按照公式(5)計算淤積強度。這時，各個分區(qū)的水體含沙量應由下式計算

(6)

式中：△H為平均潮差，本次計算中取為3.56 m；N為淤積歷時t內(nèi)的潮數(shù)，本次計算中取為706。

5.2 風浪和潮流綜合作用下含沙量場的確定

本工程海域泥沙條件、潮流和波浪動力條件是決定當?shù)厮w含沙量的關鍵性因素。根據(jù)劉家駒的研究，淤泥質海岸淺灘上的含沙量，在沒有河口輸沙的條件下，主要取決于淺灘上風、波浪和潮流的綜合作用下的掀沙能力，在缺少大風天觀測資料的情況下，平均含沙量可以按照下列公式計算

(7)

式中：S1為水體垂線平均含沙量，kg/m3；V1=|Vb+VT|，為風吹流與潮流的合成流速,m/s；V2為波浪水質點的平均水平速度,m/s；γs為泥沙顆粒的容重，γs=2 650 kg/m3；γ為水的容重，γ=1 000 kg/m3；d1為淺灘的平均水深。

風吹流的時段平均流速Vb和波浪平均水平波動流速V2分別由下式確定

Vb=0.02W
V2=0.2C×H/d1

(8)

式中：W為時段平均風速；H、C分別為波高和波速。

5.3 港池泥沙回淤特征分析

計算時考慮兩種工況，工況一：碼頭前沿泥面設計高程-13.7 m，港池泥面設計高程為-11.7 m；工況二：碼頭前沿及港池泥面設計高程均為-11.7 m。

港池回淤計算結果表明，兩種工況下，港池內(nèi)淤積強度自口門處向港池內(nèi)部逐漸減小。同時，由于工況一相較于工況二碼頭前沿挖深更大，碼頭前沿淤積強度與港池內(nèi)部回淤總量也相較于工況二更大。

工況一條件下，港內(nèi)的泥沙回淤強度為0.32～1.36 m/a，年回淤總量為56.86萬m3/a。另外，相較于港池內(nèi)淤積，碼頭前沿由于挖深較大，淤強也較大，港池內(nèi)最大淤強為1.01 m/a，碼頭前沿最大淤強為1.36 m/a。工況二條件下，港池內(nèi)的泥沙回淤強度為0.26～1.12 m/a，泥沙年回淤總量為55.14萬 m3/a。

6 結論

通過建立工程區(qū)及其附近海域的二維潮流數(shù)學模型，分析工程實施后工程區(qū)域的流場變化，研究分析港池及泊位的特征流速，同時，計算分析不同工況下碼頭前沿及港池區(qū)域的回淤情況，主要結論有：

(1)小廟洪尾部深槽區(qū)及蠣岈山西側港汊水流漲落潮主流向與水道深槽走向一致，往復流特征明顯；三夾沙淺灘區(qū)域水流則主要呈現(xiàn)為漲潮漫灘和落潮歸槽的運動形式，漫灘與歸槽水流主要來自及匯入小廟洪尾部深槽。

(2)港池內(nèi)水流流速總體上呈現(xiàn)由口門向內(nèi)逐漸減小的趨勢，工程方案實施后，由于海床挖深，港池內(nèi)流速有大幅度減小，港池內(nèi)最大流速小于0.2 m/s，平均流速小于0.1 m/s。

(3)工程方案實施后，西側碼頭前沿平均流速基本小于0.1 m/s，最大流速均小于0.28 m/s；東側碼頭前沿泊位最大流速及平均流速均小于0.02 m/s。

(4)工程方案實施后，碼頭前沿最大橫流值總體均較小，西側泊位最大橫流值基本小于0.1 m/s，碼頭前沿東側泊位最大橫流值均小于0.02 m/s。

(5)港池內(nèi)泥沙淤積強度自口門處向港池內(nèi)部逐漸減小。工況一情況下，港內(nèi)的泥沙回淤強度為0.32～1.36 m/a，年回淤總量為56.86萬m3/a，碼頭前沿最大淤強為1.36 m/a。工況二情況下，港池內(nèi)的泥沙回淤強度為0.26～1.12 m/a，泥沙年回淤總量為55.14萬m3/a。