瓯江口航道二期治理潜堤工程三维潮流数值模拟

许 婷，赵洪波

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

瓯江口被灵昆岛分为南口和北口，瓯江口外岛屿林立、浅滩密布、滩槽交错、水道纵横、地形复杂。瓯江口外有温州浅滩、三角沙、中沙、瓯飞浅滩、乐清浅滩等沙滩，有沙头水道、小门水道、大门水道、中水道、黄大岙水道、黄大峡水道、南水道、重山水道等水道；在龙湾和七里有温州港龙湾港区和七里港区，中水道—黄大岙水道是目前温州港的出海航道，连接灵昆岛和霓屿岛的灵霓大堤已经于 2006 年建成［1］。

瓯江口航道治理工程位于温州市瓯江口出海口。一期工程由4.0 km的北导堤和总长16.8 km、宽140 m、深6.0 m的单向航道组成（图1中的AB段），工程于2004年9月开工，于2006年4月通过验收。工程验收以后瓯江口一期工程经历了2006年强台风考验，航道治理效果得到初步体现。随着温州经济的发展，以及瓯江口内港口的建设，特别是七里和灵昆岛港口岸线的开发，目前迫切需要瓯江口航道进一步浚深和拓宽。航道二期工程拟将航道拓宽至260 m、浚深至-7 m（图1中的EFG段）；二期治理潜堤工程拟在一期整治工程的基础上建设潜堤方案［2］（堤顶高程+3.7 m，理论基面，见图1中的BCD段）。

1 模型的建立及验证

采用国际上较为流行的河口、陆架、海洋模式MIKE3［3-5］，其中水动力学模型是一种通用的数学模型系统，可以用来模拟河口、海湾以及海洋近岸区域中的水流情况。在对三维非恒定流进行模拟的同时，还充分考虑了密度变化、水下地形、潮汐变化以及气象等条件。

采用干湿网格法变动边界处理技术，建立瓯江口航道三维数学模型来分析瓯江口航道二期治理潜堤工程潮位和潮流的变化状况。

1.1 模型的建立

（1）研究范围。西边界至梅岙，东边界至121°35′经线，北边界至乐清湾顶，南边界至南麂岛南侧。计算域的东西距离约为100 km，南北距离约为120 km。

（2）地形资料。2005年浙江省水利河口研究院测绘分院测量的 1：10 000（瓯江口内）、1：25 000（瓯江口外）水深图和中国人民解放军海军司令部航海保证部的2004年版1：100 000“温州湾及附近”及 1999 年版 1：100 000“大北列岛至沙埕港”海图，温州浅滩采用2009年最新的水深测图。水深基面采用浙江吴淞基面。

（3）网格剖分。模型采用无结构的三角形网格系统，垂向分 6个 σ 层（表层、0.2 H、0.4 H、0.6 H、0.8 H、底层）。计算区域内共有三角形网格节点15 049个，三角形单元28 599个，最小网格步长为25 m，时间步长最小为0.3 s。由图2可以看出，三角形网格较好地概括了计算域内复杂的岛屿岸线和地形特征，对复杂岸线的拟合较为精确。

（4）边界条件。入海河道采用流量过程线Q=Q（t），外海开边界采用潮位过程线Z=Z（t），由中国潮汐预报程序China tide［6］提供，并根据实测水文资料进行调试。

（5）参数选取。模型计算中干水深为0.005 m，淹没水深为0.05 m，湿水深为0.1 m，底部摩擦力糙率高度为0.01～0.06 m，涡粘参数采用Smagorinsky公式，系数Cs取0.28。

1.2 模型的验证

采用2006年10月7～8日在工程海区进行的13个潮位站和14条垂线的水文大潮测量资料对模型进行了验证，对14个测站均进行了对应实测的各层的流速流向验证。从验证情况看，计算的潮位过程和各层的流速流向过程与实测资料吻合较好（图3～图5）。图6分别给出了工程实施前表层和底层的涨、落急流场图，由图6可以看出，工程海区从表层到底层基本呈现往复流特征，且从表层到底层流速逐渐减小。

2 潜堤工程模拟计算分析

由图7可见，工程海区从表层到底层基本呈现往复流特征，且从表层到底层流速逐渐减小。图7给出了潜堤工程实施后其表层、0.6 H层、底层的涨、落急流场图。从潜堤工程实施后的流场看，大范围的潮流特征没有发生改变，仅在拟建工程附近局部水域有所变化。其中涨潮过程，在航道北侧的高沙浅滩水流向航道区的运动大大减少，受其影响，沙头水道和航道区的水流也有所增强，水流更为平顺。落潮过程，本工程的拐角处起到了较好的分流作用，局部水流略有调整。

2.1 潜堤工程实施后对瓯江北口航道的影响

潜堤工程实施后，瓯江北口航道各层流速大小均以增加趋势为主，其中表层涨潮潮段平均流速变化为-0.02～0.06 m/s（“-”号表示流速减小，下同），表层落潮潮段平均流速变化为-0.01～0.09 m/s；0.6 H层涨潮潮段平均流速变化为-0.01～0.05 m/s，0.6 H层落潮潮段平均流速变化为-0.01～0.07 m/s，底层涨潮潮段平均流速变化为-0.02～0.05 m/s，底层落潮潮段平均流速变化为-0.01～0.06 m/s。瓯江北口航道各层流向与潜堤工程实施前相比，基本没变，最大变幅出现在表层，平均流向变化为0°～3°，且成归槽趋势。因此，潜堤工程的实施对航道轴线流场有积极作用。工程实施后，瓯江北口航道涨潮垂线平均流速为0.56～0.85 m/s，落潮垂线平均流速为0.90～1.09 m/s，较工程前流速变动百分比为-1.2%～6.9%。

2.2 潜堤工程实施后对瓯江南北口的影响

潜堤工程实施后，瓯江北口表层涨、落潮潮段平均流速变化为-0.02～0.00 m/s，0.6 H层和底层涨、落潮潮段平均流速变化为-0.01～0.00 m/s；瓯江南口表层涨潮潮段平均流速变化为0.00～0.02 m/s，表层落潮潮段平均流速变化为0.00～0.03 m/s，0.6 H层和底层涨、落潮潮段平均流速变化为0.00～0.02 m/s。可见潜堤工程实施后，瓯江北口涨落潮流速有所减小、南口流速有所增大，两口进出水量略有调整，但影响有限。

2.3 潜堤工程实施后对沙头水道和小门水道的影响

沙头水道和小门水道区域表层涨潮潮段平均流速变化为-0.04～0.11 m/s，表层落潮潮段平均流速变化为-0.10～0.07 m/s；0.6 H层涨潮潮段平均流速变化为-0.03～0.10 m/s，0.6 H层落潮潮段平均流速变化为-0.10～0.06 m/s，底层涨潮潮段平均流速变化为-0.02～0.08 m/s，底层落潮潮段平均流速变化为-0.08～0.06 m/s。各层流向变幅在 0°～13°。

2.4 潜堤工程实施后对大门岛和小门岛间水域的影响

大门岛和小门岛水域表层涨潮潮段平均流速变化为-0.09～0.04 m/s，表层落潮潮段平均流速变化为-0.22～-0.10 m/s；0.6 H层涨潮潮段平均流速变化为-0.07～0.04 m/s，0.6 H层落潮潮段平均流速变化为-0.20～-0.08 m/s，底层涨潮潮段平均流速变化为-0.07～0.03 m/s，底层落潮潮段平均流速变化为-0.17～-0.07 m/s。各层流向变幅在0°～10°。可见，潜堤工程实施后，大门岛和小门岛间水域的流速总体呈略有减小趋势。

2.5 潜堤工程实施后对乐清湾及进港航道的影响

潜堤工程实施后，在乐清湾及进港航道水域，各层流速与工程实施前相比变幅为0%，因此，潜堤工程对乐清湾及进港航道水域的流场没有影响。

2.6 潜堤工程实施后对黄大峡水道的影响

潜堤工程实施后，黄大峡水道区域各层涨潮潮段平均流速变幅为0.00～0.01 m/s，落潮潮段平均流速变幅为-0.01～0.00 m/s，涨落潮流速变动百分比在±1.5%以内，因此工程的实施对黄大峡水道基本没有影响。

2.7 潜堤工程实施后对重山水道和状元岙深水区的影响

潜堤工程实施后，在重山水道和状元岙深水区，各层涨潮潮段平均流速变幅为-0.01～0.00 m/s，落潮潮段平均流速变幅为0.00～0.01 m/s，涨落潮流速变动百分比在±2.5%以内。

2.8 潜堤工程实施后对瓯江口及附近海域潮位的影响

表1 潜堤工程实施前后大潮潮位变化Tab.1 Changes of spring tidal level before and after the submerged breakwater project m

为了解潜堤工程实施后对该海域潮位的影响，表1给出了潜堤工程实施前后黄华、乌仙头、洞头3个位置的潮位变化情况。由表1可知，潜堤工程实施后各站高低潮位变幅在0～2 cm。可见，潜堤工程对该海域的潮位变化影响较小。

3 结论

（1）本模型水平采用无结构的三角形网格系统，垂向采用σ坐标，较好地拟合了工程海域复杂的岛屿岸线和地形特征。（2）工程海区从表层到底层基本呈现往复流特征，且从表层到底层流速逐渐减小。（3）航道二期治理潜堤工程实施后，大范围的潮流特征没有发生改变，仅在拟建工程附近局部水域有所变化。拟建工程较好地阻隔了来自北侧滩面的涨潮流，这将对航道的进一步减淤起到一定作用。本工程实施后，瓯江北口航道、沙头水道、小门水道、大门岛和小门岛间水域流速略有变化，其他水域则基本不变。（4）拟建工程实施后，附近海区高低潮位变幅为0～2 cm。

综上，从对周围水动力影响角度考虑，本工程是可行的。

［1］李孟国，李文丹.温州港深水航道三维潮流数值模拟［J］.水运工程，2010（1）：86-87.LI M G，LI W D.Numerical simulation of 3D tidal current in deepwater channel at Wenzhou port［J］.Port&Waterway Engineering，2010（1）：86-87.

［2］赵洪波，许婷.瓯江口航道二期治理潜堤工程水沙条件及减淤效果研究［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2010.

［3］刘畅.MIKE3软件在水温结构模拟中的应用研究［D］.北京：中国水利水电科学研究院，2004.

［4］DHI.MIKE3 User Guider［M］.Denmark:DHI Water&Environment，2007.

［5］马腾，刘文洪.基于 MIKE3 的水库水温结构模拟研究［J］.电网与清洁能源，2009（2）：68-71.

MA T，LIU W H.Application of MIKE3 in Prediction Analysis of the Water Temperature of Reservoir［J］.Power System and Clean Energy，2009（2）：68-71.

［6］李孟国，郑敬云.中国海域潮汐预报软件 Chinatide 的应用［J］.水道港口，2007，28（1）：65-68.

LI M G，ZHENG J Y.Introduction to Chinatide software for tide prediction in China seas［J］.Journal of Waterway and Harbor，2007，28（1）：65-68.