洋口港区烂沙洋北水道航道开挖可行性研究

曲红玲，尤 薇，马洪亮(江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏省水运工程技术研究中心，江苏南京 211100)

南通港洋口港区位于如东县海岸外辐射沙洲潮汐通道黄沙洋主槽与烂沙洋深槽汇合处。近年来，洋口港区开发步伐明显加快，烂沙洋北水道一期工程已于2010 年底前建成，航道利用自然水深可满足10 万t级油轮减载后双向乘潮通航。随着洋口港区西太阳沙LNG接收站建成投产，众多大型能源、仓储、物流等项目拟落户洋口港区，大型LNG运输船到港频率日益增多。为满足洋口港区发展需求，应对船舶大型化趋势，满足到港LNG船“少乘潮以至不乘潮”的要求，根据港区总体规划急需开展烂沙洋北水道自然水深航道浚深的可行性研究。

图1 洋口港二期工程进港航道位置Fig.1 Approach channel location of the second phase of Yangkou port

1 自然条件

1.1 潮汐和潮流

辐射沙洲区是一特殊的潮汐环境，潮波和潮流分布对沙脊群的作用，一直为学者们所关注。20世纪80年代，一些研究者依据全国海岸带综合调查的水文资料，并结合部分潮波数值计算成果，认为南黄海两大潮波系统在琼港附近辐合，强潮流促使岸外沙脊发育是构成沙脊辐射状分布的重要因素[1-4]。

西太阳沙海域的潮汐属规则半日潮。据1996年10月至1997年10月实测资料统计，潮位特征值(当地理论基面)为：最高高潮位8.42 m，最低低潮位0.21 m，平均高潮位6.07 m，平均低潮位1.46 m，平均潮差4.61 m，最大潮差8.08 m，最小潮差1.79 m，平均海面3.93 m。

根据1992-08-22—1992-09-15和2003-04-19—2003-04-25现场实测大、中、小潮全潮资料分析，本海区潮流属规则半日潮流，前后两个半潮的涨落潮历时和涨落潮流速基本一致；潮流最大流速出现在半潮位附近，呈明显驻波性质；不同水域的测点，涨落潮流历时与强弱、余流的大小与方向、优势流、优势沙的方向等存在明显差异。西太阳沙北侧的烂沙洋深槽表现出落潮水道性质，而南水道在一定程度上表现出涨潮水道性质；黄沙洋与烂沙洋水道之间存在频繁的潮量交换。

1.2 波 浪

本海区常浪向为N向，次常浪向为NNW向，出现频率分别为19.60%和10.51%。强浪向为N，NNE，NE和ENE向，H13%≥1.3 m的波高出现频率分别为0.80%，0.63%，0.20%和0.24%，H13%≥1.6 m的波高出现频率分别为0.20%，0.16%，0.12%和0.20%。工程海域形成大浪的主要天气过程为寒潮和台风(含热带风暴，强热带风暴)。由于西太阳沙外围沙洲高潮时淹没、低潮时出露，工程区海域的波浪强度也随潮位高低而不同，高潮位时波浪较大，低潮位时外围沙洲掩护作用明显，波浪强度明显减弱，寒潮、台风期间的大浪过程更是如此。

1.3 悬 沙

根据2003年4月19至25日现场实测结果，本海区悬沙粒径为0.007～0.065 mm，悬沙平均中值粒径为0.016 mm；大、中、小潮含沙量的平面分布总体上表现为外海水体含沙量较小，自外向内呈递增变化。大、中、小潮涨潮潮段含沙量分别为0.339 ，0.277和0.094 kg/m3，落潮潮段含沙量分别为0.361，0.288和0.105 kg/m3，落潮潮段含沙量略大于涨潮潮段含沙量。

1.4 底 质

根据2003年现场399个底质取样资料分析，本海区底质主要以黏土质粉砂、粉砂、砂质粉砂、粉砂质砂、细砂和中砂组成。底质中值粒径约介于0.007～0.258 mm之间，其中粒径小于0.1 mm的泥沙主要分布在烂沙洋及黄沙洋的各个深槽内，太阳沙、西太阳沙及岸滩等水深较浅区域泥沙颗粒较粗，但在岸滩中潮位以上部分，底质泥沙均呈相对较细分布。

2 二维潮流泥沙数学模型

2.1 二维潮流运动基本方程

波浪作用下的二维浅水方程包括以下3个方程：

其中：uw，vw为波浪底质点速度，无浪时其值为零；B为波浪潮流相互影响系数，B=0.359；fw为波浪底部摩阻系数，取为：

其中：γ*为床面粗糙尺度，γ*=120d50；ab为床面附近水质点的振幅。

2.2 悬沙浓度控制方程

泥沙运动以悬移质为主时，采用考虑沉降和再悬浮的对流扩散方程：

(4)

泥沙沉降和再悬浮的公式如下：

其中：S为泥沙浓度，Sm为底边界泥沙通量；τb为瞬时床底剪切应力，τcd为淤积临界剪切应力，τce为侵蚀临界剪切应力；εt为泥沙扩散系数；E为控制侵蚀速度的比例因子；α为软底床的侵蚀系数；n为硬底床的侵蚀指数；ω为泥沙沉降速度；Sb为泥沙近底浓度。

2.3 悬移质引起的海床演变方程

已有研究表明，洋口港区地形冲淤变化主要由悬移质输移引起。由于流速引起的泥沙输移远大于泥沙自然扩散，因此在计算海床演变方程中，泥沙扩散系数εt项可以不考虑[7]，η为由悬沙造成河床淤积或冲刷的厚度，γs为泥沙的干密度。

2.4 定解条件

(1)初始条件 初始时刻给定水位为常数，流速场为零。

(2)边界条件 固边界条件：水流固壁边界的法向方向流速满足不可入边界条件，其法向流速为0；开边界条件：即水域边界条件，本次研究中开边界采用潮位控制，边界处潮位过程采用MIKE21自带的global软件生成后调试得到。

(3)动边界 模型中考虑了动边界内网格节点的干湿变化。采用hdry，hflood和hwet三个参数判定网格节点干湿状态，确定潮滩处网格单元是否露滩和是否参与计算；通常hdry

2.5 数值求解方法

采用有限体积法(Finite Volume Method)求解数学模型。从各个物理量在有限大小的控制体积中守恒的原理出发，其离散方程要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积都得到满足，自然对于整个计算区域也得到满足，这是有限体积法最大的优点[8]，其方程离散及求解过程请参考文献[9]。

模型计算网格为三角网格，采用显式格式离散方程。

3 潮流泥沙数学模型验证

3.1 潮流模型验证

为准确模拟工程区域水动力和泥沙运动，模型计算范围取东西长约105 km，南北宽约41 km，该计算域三面(南、北、东)为开边界，一面(西)为岸边界。数学模型计算网格采用三角形网格，节点数70 096个，三角单元个数139 729个，相邻网格节点最大间距800 m，最小间距50 m。采用2003年4月实测潮流、泥沙验证资料。各计算潮型的水文测验情况分别为(验潮站为洋口港站，北渔站和太阳沙南站)：2003-04-19 07:00—04-20 09:00，大潮；2003-04-21 09:00—04-22 10:00，中潮；2003-04-24 06:00—04-25 09:00，小潮。测点位置见图2。限于篇幅，文中仅给出部分测点小潮潮流验证结果(图3～4)，其余参见文献[10]。

图2 水文测站位置示意Fig.2 Location of hydrologic stations

(a) 太阳沙南站 (b) 北渔站 (c) 洋口站图3 小潮潮位验证Fig.3 Verification of tidal level during neap tide

(a) 1#测点流速 (b) 1#测点流向 (c) 2#测点流速

(d) 2#测点流向 (e) 3#测点流速 (f) 3#测点流向

(g) 4#测点流速 (h) 4#测点流向图4 小潮流速流向验证Fig.4 Verification of velocity and flow direction during neap tide

3.2 含沙量验证

在潮流场验证良好的基础上，对洋口港工程区域实测含沙量过程进行验证，泥沙参数主要取值如下：本海区悬沙平均中值粒径为0.016 mm，泥沙沉降速度为0.08 cm/s；按照沙玉清的经验公式计算临界淤积剪切应力，按照张瑞谨的经验公式计算临界冲刷切应力；港区的海床分为两层：上层为软底床，即泥沙最新落淤的床层。软泥的干密度为100～400 kg/m3，具体数值取决于各自的环境，同时和新淤积泥沙的湿重度也有密不可分的关系[11]，而硬泥则是由底质粒径按照公式γd=1 750×d0.183计算[12]；床层间的泥沙转换率取为0.01 kg/ (m2·s)。图5为部分测点小潮含沙量验证，经统计，一个潮周期内各测点平均含沙量计算值与实测值的误差基本满足《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》(JTS/T 231-2-2010)中误差小于30%的要求。

(a) 1#测点 (b) 2#测点 (c) 3#测点

(d) 4#测点 (e) 5#测点图5 小潮含沙量验证Fig.5 Verification of sediment concentration during neap tide

3.3 地形验证

采用2009年4月至2010年4月实测水下地形为模型验证地形。图6为洋口港区烂沙洋北水道航槽内实测和计算的对应一年内的淤积分布图，航槽内实测年淤积量为361.45万m3，年平均淤积厚度为0.34 m。模型计算的航槽内年淤积量约为312.2万m3，平均淤积厚度为0.3 m，计算平均冲淤厚度与实测值误差为13.6%，满足规程中计算与实测平均冲淤厚度偏差小于30%的要求。

(a) 实测地形变化

(b) 模拟计算地形变化图6 烂沙洋北水道地形变化验证Fig.6 Verification of topographic change of the northern Lanshayang tidal channel

4 航道方案工程前后潮流特性分析

二期航道需进行疏浚增深，工可阶段布置2个方案；为研究工程建设后航道附近流场变化，沿航道轴线布置36个采样点(图7)，各采样点涨落潮时最大横流流速见表1。

方案1(一期航道轴线的延伸)：航道口门A0点设置在20 m等深线附近(15万t级油轮开始乘潮进港处)。船舶由口门A0点，按一期工程航道延伸方向进港，船舶按航向274°航行32.6 km至A1点，转航向281°航行约 5.7 km至港池水域前沿的A2点。航道全长约38.2 km。

(a) 航道方案

方案2(轴线北偏，减少疏浚工程量)：考虑建设疏浚工程量、并与现有LNG内锚地保持一定安全距离要求布置航道平面。船舶由口门B0点，按276°航向航行21.6 km至太阳沙南侧B1点，转航向271°航行约12.3 km至B2点，转航向281°航行约4.4 km至港池及连接水域。航道全长38.2 km。航道最浅自然水深约11.5 m(当地理论最低潮面，下同)。航道与LNG内锚地保持350 m安全距离(1倍船长)，全长约38.9 km。

(b) 采样点布置图7 航道方案和采样点布置Fig.7 Layout of two schemes and their measuring points

12HD1-40.240.24HD2-40.240.25HD1-50.250.26HD2-50.250.27HD1-60.280.28HD2-60.280.29HD1-70.300.30HD2-70.300.30HD1-80.320.32HD2-80.320.32HD1-90.330.33HD2-90.380.30HD1-100.370.32HD2-100.380.31HD1-110.360.31HD2-110.380.31HD1-120.350.31HD2-120.370.30HD1-130.350.28HD2-130.370.2912HD1-140.370.29HD2-140.380.29HD1-150.400.31HD2-150.400.32HD1-160.410.32HD2-160.420.33HD1-170.420.33HD2-170.450.34HD1-180.430.33HD2-180.460.35HD1-190.440.34HD2-190.480.36HD1-200.420.33HD2-200.500.37HD1-210.410.31HD2-210.480.35HD1-220.390.29HD2-220.380.28

分析工程前后航道内流速及横流情况，可以得到以下主要结论：

(1)工程方案实施后，航道疏浚段内涨潮流速变化略有减小；落潮流速略有增加，其中，方案1落潮流平均流速最大增幅为0.05 m/s，方案2落潮平均流速最大增幅为0.03 m/s，体现了一定的落潮归流特点。

(2)工程方案实施后，2个方案港池内涨落潮平均流速呈减小趋势，且落潮平均流速减小幅度略大于涨潮平均流速的减小幅度，最大减幅均为0.03 m/s。

(3)方案1航道开挖段的最大横流流速为0.44 m/s(HD1-19)，方案2航道开挖段的最大横流流速为0.50 m/s(HD2-20)；由于外海旋转流特征明显，因此航道非开挖段测点的横流较大。

5 航道方案回淤计算分析

5.1 常风天泥沙回淤计算

采用2003年4月水文验证中的大潮、中潮和小潮组合潮型作为潮位边界，采用西太阳沙测波站-12 m等深线处平均潮位有效波高为0.41 m的波高验证推算相应的平均波浪场。为定量分析航道沿程的泥沙淤积情况，分别对航道方案1、2进行了分段统计分析，见图8和表2。

(a) 方案一

(b) 方案二图8 航道分段Fig.8 Channel sections

表2 航道疏浚段常年淤积强度及淤积量Tab.2 Annual siltation in dredging sections of two schemes

由表2可见，从各分段的疏浚深度及相应的回淤强度来看，疏浚深度越大，泥沙回淤强度也越大。

5.2 大风天泥沙回淤估算

采用水文验证中的大潮潮型作为潮位边界，波浪按照10年一遇不利风向的风速进行推算，其中9级风按SSE向风作用6 h、风速为22.73 m/s；10级风按NNE向风作用6 h、风速为26.48 m/s。

大风天气时水体紊动强烈，挟带泥沙粒径大于常风天悬沙平均粒径。实测资料显示，6级风作用下，水体底层悬沙中值粒径为0.09 mm左右，水体表层中值粒径为0.016 mm，因此本次计算中考虑泥沙的粒径分组，即采用0.016和0.090 mm两种中值粒径，泥沙沉速分别取为0.8 和4.0 mm/s，泥沙干密度分别为821 和1 126 kg/m3。计算结果表明，一场10级风作用下，航道分段最大回淤强度小于30 cm。

需要补充说明的是：由于本次研究缺少大风天泥沙实测资料，无法开展大风天泥沙回淤验证，模拟结果与实际是有区别的，泥沙物理过程的一些参数选取决定了淤积强度的大小。

6 结 语

本文采用洋口港区海域大范围二维潮流泥沙数学模型开展工程区域潮流场和航道回淤研究，计算结果表明：航道开挖方案实施后，海区内潮流场变化不大，航道内涨、落潮流速变化幅度小于0.05 m/s；方案1和2航道开挖段的最大横流流速分别为0.44和0.50 m/s；方案1实施后，航道疏浚段内回淤强度最大值为1.40 m/a，平均回淤强度为1.03 m/a，回淤总量为693.2 万m3/a；方案2实施后，航道内回淤强度最大值为1.26 m/a，平均回淤强度为0.94 m/a，回淤总量为570.4万m3/a；一次10级大风过程航道内分段最大淤积强度小于30 cm。因此，初步论证了烂沙洋北水道航道开挖是可行的，且方案2优于方案1。

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