鹽城濱海港遠期規(guī)劃對周邊水沙影響的數(shù)值模擬研究

朱思諭，盧 丹

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032)

濱海港區(qū)(圖1)位于江蘇省鹽城市廢黃河三角洲侵蝕性海岸最凸出岸段[1]，北有中山河口和灌河口，南有廢黃河口和扁擔(dān)河口，近岸波流動力較強，泥沙運動較為活躍，深水貼岸、水下地形復(fù)雜。2014年10月濱海港10萬t級通用碼頭開港通航，根據(jù)《江蘇省濱海港區(qū)總體發(fā)展規(guī)劃(2016—2030)》，濱海港區(qū)遠期30萬t級港口工程基于現(xiàn)有港區(qū)北防波堤西北側(cè)海域進行布置，而大規(guī)模建港對周邊進港航道和重要河口的水沙動力格局的影響程度尚不可知，工程實施后有可能出現(xiàn)海床侵蝕、航道淤積等問題。

圖1 濱海港區(qū)地理位置

因此，本文在研究工程海域潮流動力及泥沙現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了平面二維波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，深入研究了遠期方案建設(shè)對潮流場、泥沙場的影響，剖析了正常天氣和大浪天氣下航道的回淤特征和淤積原因，該研究成果可為濱海港建設(shè)決策提供參考性建議。

1 工程區(qū)海域動力泥沙環(huán)境特征

濱海海域多以風(fēng)浪為主，外無掩護，波浪長驅(qū)直入，近岸淺灘波浪作用較強，近海區(qū)強浪向為NE向，最大波高H1/10為2.3 m，多年平均波高H1/10為0.61 m，次強浪向為ENE、E向；常浪向為ENE向，最大波高H1/10為2.0 m，多年平均波高H1/10為0.52 m，出現(xiàn)頻率為27.01%；次常浪向為E、NE向，出現(xiàn)頻率分別為18.52%、16.55%。

濱海海域漲潮流以東南流為主，落潮流以西北流為主，近岸潮流受岸邊界和水下地形的影響，流向與岸線方向基本一致，呈明顯的往復(fù)流形態(tài)。工程前2007年6月水文測驗(測站位置見圖2)結(jié)果見表1：離岸較近點的垂線平均流速小于離岸較遠點；各測點均以落潮流為優(yōu)勢流，大潮落潮平均流速略大于漲潮，小潮落潮平均流速明顯大于漲潮；落潮歷時比漲潮歷時長2～3 h。

圖2 濱海港區(qū)附近水深圖及測站位置

表1 工程前水文測點垂線平均流速 單位：m/s

濱海海域無外來泥沙，泥沙主要來源為近岸沖刷，泥沙向廢黃河三角洲海岸兩側(cè)及深水區(qū)擴散。根據(jù)2007年6月實測資料統(tǒng)計，各測點大潮垂線平均含沙量為1.24～1.42 kg/m3，小潮為0.73～1.20 kg/m3，表2中分別列出了工程前-5、-10 m等深線附近點位大、小潮期間的平均含沙量，垂向分布具有表層最低、中至底層較高的特點，落潮平均含沙量大于漲潮平均含沙量。

表2 工程前水文測點平均含沙量 單位：kg/m3

濱海地處江蘇侵蝕性淤泥質(zhì)海岸[1-2]，懸沙以0.016 mm以下的黏土組分為主，占懸沙總量的85%以上；底質(zhì)沉積物粒徑分布具有一定的分帶性[3]：-5 m等深線以內(nèi)波浪作用較強，表層沉積物以局部侵蝕殘留粗化的細(xì)砂分布為主，中值粒徑為0.10～0.16 mm；-5～-15 m間水域以粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂和粉砂為主，中值粒徑為0.01～0.10 mm；-15 m以深水域以黏土質(zhì)粉砂為主，中值粒徑在0.01 mm內(nèi)。

圖2是根據(jù)中國海事局2016年3月出版的《濱海港及附近》(系2015年測量)海圖資料插值得到濱海港區(qū)附近水深圖。圖中-5、-10、-15 m等深線至海岸最近處距離分別約為0.9、1.9、3.8 km，與文獻[4]結(jié)果一致，這為濱海深水港區(qū)建設(shè)提供了良好的深水近岸條件。

2 波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型的建立與驗證

江蘇濱海海域平面二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型控制方程和離散方法見文獻[5]，計算范圍東西長約90 km，南北寬約60 km，北至灌河河口，南至射陽河口，外海東邊界在-20 m水深附近，外海開邊界潮位由江蘇沿海平面二維潮流數(shù)學(xué)模型[6]提供。模型采用正交曲線網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為40～500 m，在工程區(qū)附近進行局部加密，計算時間步長為0.5 min。參考前人研究成果[7-10]，潮流泥沙模型中的主要參數(shù)取值如下：曼寧系數(shù)取0.018；為保證模型中懸沙始終處于沉降狀態(tài)，有充分的泥沙供給，泥沙的臨界淤積切應(yīng)力取理想值1 000 N/m2；臨界沖刷切應(yīng)力取0.2～0.3 N/m2，沖刷系數(shù)取4～5×10-5kg/(m2·s)。外海-20 m水深處含沙量不足0.1 kg/m3，因此模型中東邊界初始含沙量設(shè)為0，南、北側(cè)邊界含沙量從陸側(cè)1 kg/m3向外海東邊界作線性插值。

波浪模型采用第三代SWAN淺水波浪數(shù)值模型[11-12]，計算區(qū)域和網(wǎng)格劃分與潮流泥沙模型一致，計算時間步長為60 min。頻譜離散方式采用頻率對數(shù)分布法；方向譜采用360°離散法，離散方向數(shù)為36。譜型采用JONSWAP譜，底部摩阻系數(shù)經(jīng)實測波浪資料驗證調(diào)試后取0.01，波浪淺水破碎指標(biāo)取默認(rèn)值0.73，同時考慮波浪非線性的影響以及波浪折射、繞射和反射情況。本文考慮常浪向多年平均波高與潮流的共同造床作用，東邊界采用恒定波浪參數(shù)邊界，利用外海波要素作為波浪邊界條件，南、北邊界設(shè)置為自由出入邊界。

限于篇幅，本文僅給出了部分驗證結(jié)果(圖3、4)。由圖3可以看出，工程區(qū)域流速、流向過程的計算值與實測值驗證較好，基本能反映出江蘇濱海海域的潮波傳播與變形。

圖3 工程區(qū)域大、小潮期間流速、流向驗證

圖4為波流共同作用下大、小潮期間含沙量的驗證結(jié)果，含沙量計算值與實測值基本一致，但含沙量與流速之間的關(guān)系不明顯，可能是因為風(fēng)浪導(dǎo)致泥沙再懸浮、含沙量較高減弱了含沙量與流速間的相關(guān)性。含沙量變化主要受到波高控制，當(dāng)波高增大，波浪掀沙能力較強，含沙量隨之增大；當(dāng)波高減小，含沙量隨之變低，但沒有波高減小的明顯，因為懸沙的沉積還會受到懸沙粒徑、沉降相對滯后等因素的制約。

3 計算結(jié)果分析

3.1 工程方案布置

圖5所示，濱海港區(qū)工程前平面方案布置主要包括：已建的南北2條防波堤、原10萬t級進港航道和北部物流園工程。圍填工程方案布置即為圖5中位于物流園西北側(cè)的遠景預(yù)留區(qū)，主要包括：液體化工及成品油泊位區(qū)、集裝箱泊位作業(yè)區(qū)、遠期規(guī)劃防波堤和遠期30萬t級航道工程等。

圖5 圍填工程方案布置

3.2 對周邊水沙動力影響分析

為了更直觀、方便地研究圍填工程建設(shè)對周邊流場的影響，本文給出了濱海港區(qū)工程實施前、后大潮漲急時刻的流場(圖6、7)。

圖6 工程前大潮流場(漲急時刻)

濱海港附近海域受北部潮波控制，近岸以往復(fù)流為主，隨離岸距離增加，旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)逐漸增強，但有明顯的主流向。大潮漲潮時，潮流由西北向東南推進；落潮時，基本沿漲潮的相反方向退出。圍填工程建設(shè)對北防波堤外側(cè)的西北流和東南流均存在阻水、挑流的影響，對原濱海港10萬t級航道及口門、南防波堤南側(cè)的流態(tài)影響較小，不改變工程海域整體宏觀流態(tài)。

圖7 工程后大潮流場(漲急時刻)

為了量化研究工程前后的流速、含沙量變化，繪制了全潮平均流速、含沙量變化等值線(圖8、9)，計算結(jié)果顯示：圍填區(qū)西北和東南側(cè)4 km左右范圍內(nèi)的平均流速減小在0.1～0.4 m/s左右，圍填區(qū)前沿2 km范圍內(nèi)平均流速增大0.1～0.2 m/s左右，對原防波堤南側(cè)、原10萬t級航道及口門、翻身河閘、廢黃河口、扁擔(dān)河口和中山河口的水動力基本沒有影響。圍填工程攔截了由西北向東南的高濃度含沙水體的泥沙輸運，同時，圍填工程實施后當(dāng)?shù)厣吃垂┙o減少，導(dǎo)致整個濱海港區(qū)附近的含沙量明顯減少：濱海港區(qū)周邊2～3 km范圍內(nèi)，含沙量減少0.2 kg/m3以上；原北防波堤北側(cè)含沙量減少0.2～0.3 kg/m3，南堤南側(cè)、翻身河閘、廢黃河口的含沙量減少0.1～0.2 kg/m3；離圍填區(qū)域較遠的外海區(qū)域含沙量基本無變化，對扁擔(dān)河口、中山河口的含沙量也基本無影響。

圖8 工程實施后全潮平均流速變化等值線

圖9 工程實施后全潮平均含沙量變化等值線

3.3 航道建設(shè)后的淤積泥沙來源及淤積原因分析

模型根據(jù)2007年6月完整的一個月大、中、小潮的數(shù)值計算，利用地貌加速技術(shù)，模擬了正常天氣工況下濱海港區(qū)工程后1年的床面沖淤變化(圖10，正值代表淤積，負(fù)值代表沖刷)。

圖10 工程后模擬地形沖淤變化

模擬結(jié)果顯示：原防波堤口門處年淤積厚度約1.1 m，港內(nèi)航道的近口門段淤積強度較大，與前人研究成果一致[4，10]，可用于分析工程實施后的地形變化。30萬t級圍填工程前沿、防波堤堤頭外側(cè)、進港航道兩側(cè)的海床均受到不同程度的沖刷，口門外航道北側(cè)形成明顯的沖刷坑。

圖11為工程實施后正常天氣下新建30萬t級進港航道沿程的年淤積強度、平均含沙量。濱海港30萬t級航道正常天氣下沿程回淤分布規(guī)律分析如下。

圖11 正常天氣下航道沿程淤積厚度、平均含沙量

a)從圖11可知，航道沿程含沙量變化趨勢與航道淤積厚度變化基本一致，航道內(nèi)含沙量是影響回淤強度的控制因素。正常天氣下外海含沙量0.2～0.3 kg/m3，口門外尤其破波帶附近含沙量顯著增加，基本0.8 kg/m3以上，口門內(nèi)含沙量沿程迅速降低。

b)口門內(nèi)航道沿程淤積厚度迅速降低，港池內(nèi)部年淤積厚度小于0.1 m。外海泥沙進入口門后，港池內(nèi)水流流速較小，水流挾沙能力大大降低，泥沙沿程迅速落淤在口門內(nèi)2 km范圍，港池內(nèi)部含沙量較低。因此，漲落潮流挾帶泥沙、沿程快速落淤是口門內(nèi)進港航道淤積的主要原因。

c)靠近口門處外航道段淤積厚度較大。新建防波堤口門處原灘面水深7 m，波浪自外海向陸傳播過程中，由于外海水深，波浪在靠近口門外的航道兩側(cè)淺灘上才開始破碎，波浪對灘面泥沙的擾動陡然增強，位于破波帶附近航道兩側(cè)的淺灘進一步受到?jīng)_刷，口門外高濃度的含沙水體隨漲、落潮流進入航道內(nèi)?？陂T外淺灘水深小、新挖航道灘槽高差較大以及漲、落急時刻航道處的流向與航道軸線基本垂直等，都會導(dǎo)致含沙水體跨越航道時淤積概率較高[13]，口門外形成一個以含沙量峰值為中心、直徑約2～3 km的泥沙淤積體，最大淤強0.008 m/d。

d)向外海航道沿程淤積厚度逐漸降低，年淤積厚度約0.1 m。主要因為向外海含沙量逐漸變小，也與水深較深造成波浪對海床作用較弱、新挖航道挖深比降低、漲落潮平均流速相對較大等因素有關(guān)。

鄰近工程實踐[8]及模型計算結(jié)果表明：隨著淤積過程的深入和地形向適應(yīng)工程后動力環(huán)境方向的調(diào)整，航道工程實施2～3年后淤積速率顯著降低，即可達到?jīng)_淤平衡。

3.4 大浪作用下30萬t級航道驟淤研究

大風(fēng)浪作用下航道驟淤是遠期深水航道建設(shè)的關(guān)鍵問題之一。中國港口工程界認(rèn)為底質(zhì)泥沙粒徑分布較廣的粉沙質(zhì)海岸易發(fā)生驟淤[14-15]，淤泥質(zhì)海岸泥沙粒徑分布相對單一，較少出現(xiàn)驟淤。濱海港地處江蘇侵蝕性淤泥質(zhì)海岸[1-2]，底質(zhì)沉積物粒徑分布具有一定的分帶性。20世紀(jì)70年代采用護岸工程后，廢黃河三角洲海岸侵蝕速度明顯趨緩，但是淺灘和水下岸坡的侵蝕仍在繼續(xù)。由此導(dǎo)致的海岸組成物質(zhì)粗化、岸灘坡度陡化等現(xiàn)象反映了海岸性質(zhì)存在由淤泥質(zhì)海岸向沙質(zhì)海岸變異的趨勢[2]。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，10萬t級航道自2014年10月通航后未出現(xiàn)驟淤問題。

本文在研究濱海港區(qū)新建30萬t級航道在大浪作用下驟淤情況時，不計風(fēng)力作用，利用文獻[4]推算的-外海20 m等深線處不同重現(xiàn)期波要素作為大浪天氣工況的波浪邊界條件，該工況的潮流和泥沙條件與前述正常天氣工況相同。

圖11給出了正常天氣下30萬t級進港航道平均每日最大淤強為0.008 m/d，圖12給出了不同重現(xiàn)期大浪作用后30萬t級進港航道沿程的淤積厚度、最大淤積強度(口門位于6 km處)。由圖12可知，在重現(xiàn)期為2、5 a的波浪作用下，最大淤積強度約為正常天的2～4倍，而在10、25和50年一遇的大浪作用下，最大淤強能達到正常天的8～24倍，但也小于0.2 m/d，因此不會產(chǎn)生驟淤礙航問題。最大淤積厚度均出現(xiàn)在口門外側(cè)2 km附近，不同重現(xiàn)期下的波浪越大，口門束窄導(dǎo)致口門外流速增大越明顯，水體的挾沙能力大大加強，降低了泥沙的淤積概率，因此自最大淤積部位向口門處的淤積厚度減少越快；港內(nèi)航道平均淤積強度均小于0.01 m/d。自最大淤積部位向外海航道的淤積厚度也逐漸降低，由于外海航道水深較深，波浪切應(yīng)力小，大浪作用對航道底部的擾動作用有限；而大浪作用下潮流切應(yīng)力強，航道底層的流速大大增加[16]，導(dǎo)致底床的細(xì)顆粒泥沙大量起動，高含沙水體隨著漲、落潮流進入外海航道內(nèi)，在航道內(nèi)大量堆積，外海航道比正常天氣下淤積明顯。

圖12 不同重現(xiàn)期大浪天氣后航道沿程淤積厚度

4 結(jié)語

a)圍填工程實施后不會大范圍改變?yōu)I海海域的水沙動力特征，工程影響僅限于圍填區(qū)附近3～4 km范圍，對扁擔(dān)河口和中山河口的水動力、含沙量基本沒有影響。

b)位于破波帶附近航道兩側(cè)淺灘上的泥沙是口門外航道淤積的重要沙源。航道開挖后，正常天氣下沿程普遍淤積，在口門外航道段形成一個以含沙量峰值為中心的泥沙淤積體，自最大淤積部位向口門內(nèi)、向外海航道淤積厚度逐漸降低。

c)大浪作用下外海含沙量明顯增加，最大淤強能達到正常天的8～24倍，但也小于0.2 m/d；最大淤厚均出現(xiàn)在口門外側(cè)2 km附近，港內(nèi)航道平均淤強均小于0.01 m/d。