潮流与泥沙输运对黄骅港工程的响应分析

匡翠萍，钱从锐，姚凯华，2，顾 杰

（1.同济大学 土木工程学院，上海200092；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州310020；3.上海海洋大学 海洋科学学院，上海201306）

黄骅港位于河北省与山东省交界处、距沧州市区以东约90km的渤海之滨，由煤炭、综合和河口3个港区组成（图1）.作为国务院批准建设的我国第二大型煤炭外运码头，也作为河北沧州的大宗进出口货物的中转站，黄骅港扮演着重要的纽带作用，带动了河北省经济的发展.

航道淤积是港口工程界关心的问题之一.国外L.K.Ghosh等［1］在分析了波浪、风等环境数据的基础上，研究了港口航道泥沙的沉降特性.国内Shi Changxing学者［2］则解释了降低黄河水位会使河道泥沙连续沉降的原因.泥沙输运特性以及海床演变对港口航道的建设有着非常重要的指导意义，相关学者已做过一定的研究［3-5］.

黄骅港属于粉砂淤泥质海岸，一期工程建设以来，在外航道疏浚施工过程中，曾发生多次较为严重的回淤现象［6］.由于黄骅港处于废弃的黄河河口，该区域坡度平缓，海滩淤积的粉砂淤泥极易被风浪掀起再经水流携带进入港池.粉砂质海岸水域的含沙量大小与风浪有密切的关系，风平浪静时，水体清澈，含沙量很小，有风浪时，水体含沙量增大，外航道淤积也随之增大［7］.正如杨华［8］所述，影响航道泥沙淤积的主要泥沙来源是当地泥沙的侵蚀-搬运-沉积作用.

自2000年外航道全面施工后，2000年12月中旬至2001年2月底两个半月期间，外航道回淤了628万m3，与建港前的预测年回淤量200～300万m3相差甚远，且回淤物质由港池和内航道开挖时的黏土变为了粉土.张庆河等［9-10］研究表明，造成黄骅港骤淤的主要原因是风浪引起的泥沙悬扬，而港口建筑物周围的水流运动对航道局部淤积也起着十分重要的作用.

随着黄骅港2011年工程的完成，有必要研究潮流场和泥沙输运对工程的响应，从而为后一阶段治理黄骅港提供科学依据.图1显示了工程的平面布置、港区分布以及验潮点和观测点位置.本文运用MIKE 21软件下的潮流和泥沙模块建立了相应的数学模型，通过2011年9月27日8：00到次日9：00的26个时刻的实测数据验证了模型的合理性，并且分析了一个潮周期的潮流场和泥沙输运场对2011年工程的响应关系.

图1 验潮点及观测点位置Fig.1 Location of tidal gauge and observation stations

1 二维潮流、泥沙数学模型简介

MIKE 21是丹麦水力学研究所（danish hydraulic institute，DHI）研发的通用数值模拟系统，主要模拟河流、湖泊、河口、海洋及海岸的水流、波浪、泥沙及环境变化，为工程应用、海岸管理及规划提供了完备、有效的设计环境.MIKE 21Flow Model FM子模块属二维潮流、泥沙数学模型，根据Boussinesq假设、静水压力假设、浅水条件和适定边界条件，通过控制体积法求解由不可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程概化的浅水方程［11-12］.

水动力模块可以模拟由于各种作用力的作用而产生的水位及水流变化.MIKE 21潮流模块的基本方程为连续方程和动量方程.MIKE 21中泥沙模块为水深平均的二维泥沙数学模型，可对波流共同作用下多组粒径、多层底床的泥沙输运、沉积过程进行数值模拟，包括絮凝、干扰沉降和底床固结过程，以及泥沙运移引起的航道冲淤变化.泥沙模型中源项分为冲刷项SE=E（τb/τce-1）n和沉降项sd=wscbpd.式中参数分别为：海床侵蚀度E，剪应力τb，冲刷剪应力τce，冲刷度n，泥沙沉降速度ws，近河床泥沙含量cd，以及沉降概率pd.数学模型中其他方程和公式参考文献［12］.

2 数学模型的建立与验证

2.1 数值解法

MIKE 21FM子模块在空间上采用有限体积法进行离散，在时间上采用显性欧拉法进行离散.模块有低阶算法（一阶显式欧拉法）和高阶算法（二阶龙格-库塔法）两种算法可供选择.本文在保证计算精度的情况下，选择快速的一阶显式欧拉法［12］.

2.2 计算范围及网格

模型计算范围：边界向黄骅港西北延伸约12.2 km，向东南延伸约14.3km，向外海延伸10.9～19.6km，海向开边界长24.7km，面积约376.3 km2.计算节点数为21 859，网格数为42 793；为提高计算精度，对模型中港口附近区域的网格进行了加密，网格空间最小步长约为14m；为提高计算效率，远离港口的外海网格比较稀疏，网格单元面积较大，其空间步长达870m.

2.3 边界条件、初始条件及参数选取

2.3.1 边界条件

该数学模型总共有四条边界：开边界分别为东北边界、西北边界和东南边界，闭边界为陆域边界.水动力边界一般包括四种类型：陆域边界、水位边界、流速边界和流量边界.本文选择了比较易行的水位边界条件.海域开边界采用潮位过程来控制，侧向固边界采用流速为零的不可滑移条件.为了获取计算区域的开边界条件，本次研究首先建立一个包含该区域的渤海潮流模型，开边界为烟台至大连，由潮位过程控制［13］.渤海湾大模型经验证后为黄骅港小模型提供潮位边界条件.

3）当污水流速为0.15 m/s，堵塞换热系数约685 W/m2·K，当污水流速增大到0.2 m/s，换热系数约850 W/m2·K，增大了约24%.而污水速度增大到0.25 m/s时，堵塞换热系数仅提高7%.

2.3.2 初始条件

本数学模型的初始条件主要包括潮位条件、流速条件和含沙量条件.潮位取计算开始时刻的各边界潮位平均值，初始流速为零，初始含沙量为0.02 kg·m-3.

2.3.3 相关参数的选取

计算时间步长为30s，曼宁系数变化范围0.011～0.016，滩地采用干湿边界控制滩地涨落潮期间的出露和淹没，分别取值为hdry=0.005m，hflood=0.05 m和hwet=0.1m，当网格的计算水深小于hdry表示干单元，当网格的计算水深介于hflood与hwet之间表示半干单元，当网格的计算水深大于hwet表示湿单元.由于不同中值粒径的黄骅港泥沙呈现明显差异的沉降特性［14］，根据文献资料取泥沙平均沉降速度为0.000 5m·s-1；经过计算和率定调整，临界冲刷切应力取值范围为0.42～1.55N·m-2，临界淤积切应力取临界冲刷应力值的4/9［15］.

2.4 模型的率定和验证

潮位验证点的位置见图1，潮位验证资料采用2011年9月27日8：00至9月28日9：00实测夏季大潮潮位过程［16］，从大潮潮位验证图（图2）可以看出模拟的潮位和实测的潮位变化趋势基本一致.潮位过程也显示黄骅港海域属于不规则半日潮，涨潮过程持续6h左右，落潮过程持续约7h.

图2 黄骅港夏季大潮潮位过程验证Fig.2 Tidal verification during a summer spring tide of Huanghua Port

潮流、泥沙验证资料采用2011年9月27日8：00至9月28日9：00时在黄骅港区域布测的5个站点（HH0，HH1，HH2，HH3，HH4）的同步实测过程［16］，测站点如图1所示.图3为两个典型站点（HH1，HH3）的大潮流速、流向和泥沙二维验证过程，结果显示数学模型模拟的潮流过程与实测的潮流过程比较吻合，涨、落潮流的流速大小和流向均得到了较好的验证，同时也说明计算泥沙浓度与实测过程较一致.

3 潮流场对工程的响应分析

图4为当前工程下大潮一个潮周期间整个黄骅港模拟区域的涨落急时刻和涨落憩时刻的流场图，图中横纵坐标轴采用大地坐标系.根据流场图可以得出以下分析结论：

落憩时刻（图4a），煤码头防波堤南侧的水流向西北方向流动，落潮转涨潮后受到南防波堤的阻挡作用，水流绕过南防波堤，在堤南侧向海流动形成的沿堤流，在口门处形成横流.这一绕流作用使得港口南侧泥沙的离岸搬运时间延长.

涨憩时刻（图4c），综合港区北侧的水流从涨潮转向落潮向东南方向流动，水流受到了综合港北防波堤的阻挡作用绕过该堤，在堤北侧呈现海向沿堤流，到达口门处形成横流，因此，港口北侧泥沙的离岸搬运时间由于绕流作用被延长.

涨急时刻（图4b）和落急时刻（图4d），不管是综合码头、煤码头还是滨州港，从流场矢量图上可以明显地看到：由于防波堤的作用，近工程区潮流呈现沿堤流特性，流向几乎垂直于岸线.涨急时刻防波堤内侧流向沿着航道向岸线，但是外海域的流向基本没变，遵循大致涨潮向西的规律；落急时刻防波堤内侧流向外海，外海域流向遵循大致落潮向东的规律.

表1为大潮期间实测与模拟平均涨落潮流流速的对比，涨潮平均流速在0.32～0.49m·s-1，落潮平均流速在0.39～0.56m·s-1.可以看出最大平均流速误差为0.12m·s-1（HH3落潮），最大平均流向误差为-12°（HH3落潮），这是由于HH3测站点在双导堤前端，处于深水航道附近，水流流态为复杂的旋转流，总体来说各点的涨落潮流速相差不大.黄骅港涨潮平均流向在243°～269°之间变化，平均为256°，落潮平均流向在58°～87°之间变化，平均为75°，基本上遵循涨潮向西，落潮向东的往复运动.

4 泥沙输运场对工程的响应分析

图3 夏季大潮流速、流向、含沙量二维验证Fig.3 Two-dimensional verification of velocity magnitudes，directions and sediment concentration during a summer spring tide

表1 大潮期间涨、落潮平均流速、流向比较Tab.1 The comparison of average velocity magnitudes and directions between flood and ebb period during a summer spring tide

图5和图6分别为黄骅港2011年工程在无波浪和有常浪情况下的涨急和落急含沙量场，根据7号平台（5m等深线附近）13年实测数据［6］分析，黄骅港港区东北偏东向18°波浪的出现频率为41.2%，特征波高Hsig=0.73m，对应波周期3.4s，以此作为常浪情况.从图5a和图6a可以看到，在没有加波浪的情况下，黄骅港港区周围泥沙含量变化不明显，最大含沙量在0.24kg·m-3左右，港区近岸侧的含沙量比外海大.潮流掀沙的能力有限，底部的泥沙不能大量悬扬.计算区域增加常浪以后（图5b和6b），整个区域的泥沙含量迅速增加，特别是在波浪破碎带附近，底部泥沙大量悬扬，最大含沙量达3kg·m-3左右，潮流携带着底部高含沙水体沿防波堤输运，在口门横流的作用下泥沙易于在口门附近淤积；同时高含沙水体跨过外航道时也会淤积，这将加大航道整治难度.

图4 夏季大潮典型时刻流场Fig.4 Flow fields during a summer spring tide

图5 涨急含沙量场Fig.5 Sediment concentration distributions at the moment of maximum flood flow

图6 落急含沙量场Fig.6 Sediment concentration distributions at the momment of maximum ebb flood flow

5 结论

黄骅港地理位置和泥沙的特性决定了港区泥沙输运的复杂性，本文利用MIKE 21FM软件对黄骅港工程和邻近海域建立了平面二维潮流、泥沙数学模型，通过实测潮位、潮流和流向以及泥沙浓度对模型进行了率定和验证，该数学模型较好地模拟了整个工程区域的流场变化和含沙量的分布.2011年工况下黄骅港海域潮流场的变化以及携沙水流对航道的影响分析表明：

（1）流场大体上遵循涨潮向西，落潮向东的往复流动，且涨落潮平均流速接近，工程对远区的流场影响小，工程近区的流场变化大.

（2）防波堤能明显改变水流的流向，形成绕流，靠近防波堤侧的水流较多为沿堤流，并在防波堤口门处形成横流，同时把堤两侧分割成相对独立的区域.

（3）在无波浪的情况下，港区海域底床的泥沙很难启动，水体中含沙量低，潮流输沙量少.

（4）有波浪时，港区海域底部泥沙大量悬扬，在近岸及破波带附近最为明显，底部高含沙水体沿堤随水体向海侧输运，易在口门和外航道淤积.

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