梅山水道避风锚地潮流泥沙数值计算

范红霞,王建中,朱立俊

(南京水利科学研究院,江苏 南京 210029)

梅山水道避风锚地潮流泥沙数值计算

范红霞,王建中,朱立俊

(南京水利科学研究院,江苏 南京 210029)

在地形及水文测验资料收集整理的基础上,建立了梅山水道附近海域平面二维潮流泥沙数学模型,模型经水流泥沙运动相似验证后在典型大、小潮水文条件下进行了工程方案计算,分析研究了梅山水道潮汐通道封闭后其附近海域潮流动力及泥沙冲淤变化情况。研究结果表明,梅山水道潮汐通道涨、落潮量占周边其他水道比例较小,工程的实施未改变周边海域整体潮流场结构及海床冲淤基本平衡的格局,工程后拟建南、北两堤近堤附近海域海床因流速减小形成缓流、回流区,从而使泥沙产生累积性淤积,附近水利设施的运行将受到不同程度影响。

梅山水道;避风锚地工程;潮流泥沙;数值计算

宁波市北仑区梅山岛附近海域南临东海,易遭台风与风暴潮的侵袭。为了有效减少台风带来的灾害,提高抵御超级台风的能力,北仑区政府拟建设梅山水道抗超强台风渔业避风锚地工程[1-2]。工程附近海域隶属于舟山群岛岛链区,其间岛屿密布、水道纵横、口门众多,潮流泥沙运动十分复杂[3-8]。梅山水道系典型的潮汐通道,工程的建设将引起附近海域潮流场及泥沙场的响应。

本文在资料收集和水文测验的基础上建立了较大范围潮流泥沙数学模型,计算分析了工程前后附近海域潮流动力和泥沙冲淤变化,为设计及建设部门提供科学依据。

1 工程及水文泥沙概况

1.1 工程概况

梅山水道抗超强台风渔业避风锚地工程位于北仑区穿山半岛东南部的梅山水道,西邻春晓园区、北濒白峰上阳片、东靠梅山保税港区、南接象山港,工程区南北总长13.5 km。拟建工程方案为两头采用出水堤拦截梅山水道,配以船闸、水闸等水利水运设施,将原有的潮汐通道打造成封闭式避风锚地。

工程所在海域地处舟山群岛西南部,区内岛屿密布(主要有六横岛、梅山岛、虾峙岛、桃花岛等),水道纵横、口门众多(主要有象山港、螺头水道、梅山水道、佛渡水道、牛鼻山水道、条帚门、虾峙门等),水动力条件复杂。工程区附近海域及工程方案平面布置见图1。

图1 工程位置及方案平面布置Fig.1 Location and layout of the project

1.2 水文泥沙概况

(1)潮汐:东海潮波经舟山群岛各水道和口门传入本工程所在穿山半岛东南侧海域。根据2007年9月[9]及2010年4月[10]实测水文资料,工程所处海域属于正规半日潮,1天有2个高潮和2个低潮,且2次高潮和2次低潮的潮位高度比较接近;工程区平均潮差在3 m左右,且西南侧大于东北侧;工程区内东北侧海域平均涨潮历时小于落潮历时,西南侧平均涨落潮历时相差不大。

(2)潮流:实测资料表明,工程水域正规半日潮流占绝对优势,浅海分潮流不明显。在近岸、口门及梅山水道内,受地形及边界的制约,潮流呈现典型的往复流形式;在开敞海域,潮流的旋转特性比较明显。2010年4月实测大潮结果显示,梅山水道内平均涨潮流速为0.41～0.61 m/s,平均落潮流速为0.46～0.74 m/s;象山港口门平均涨潮流速为0.5 m/s,平均落潮流速约为0.90 m/s;牛鼻山水道内平均涨落潮流速为0.70～0.80 m/s;佛渡水道至峙头洋,平均涨落潮流速为0.67～1.07 m/s;条帚门水道内平均涨落潮流速约1.0 m/s。可见,本海区潮流动力较强。

(3)泥沙:工程区海域泥沙运动与潮流、波浪、地形边界、地理位置等因素密切相关,以悬沙运动为主,区内泥沙的主要来源应为长江口南下经杭州湾的泥沙。从季节上来看,冬春季的含沙量大于夏秋季;从空间分布来看,含沙量分布较均匀;大潮汛时含沙量为0.414～1.0 kg/m3。据有关资料统计,中潮时水体含沙量为大潮含沙量的75%～80%,小潮含沙量是大潮含沙量的(20～35)%。大潮汛悬沙中值粒径为0.003 0～0.004 2 mm,小潮汛时为0.002 2～0.003 0 mm;底质主要为黏土质粉砂,中值粒径约0.009 mm。

2 二维潮流泥沙数学模型的建立与验证

2.1 控制方程及求解方法

式中:x,y为直角坐标系坐标;t为时间;h为平均水深;ζ为相对于平均海平面的潮位;Ux,Uy分别为x,y方向上的垂线平均流速;ρ为水体密度;g为重力加速度;Nx,Ny分别为x,y方向的水平紊动黏性系数;f为科氏参数;τx,τy分别为水流床面剪切应力在x,y方向的分量;S为垂线平均含沙量;Dx,Dy分别为x,y方向的泥沙紊动扩散系数;Fs为泥沙冲淤函数;γd为床沙干密度;ηb为海床床面的竖向位移(即冲淤变化量)。

底部冲淤函数Fs与底部剪切应力及泥沙特征有关,由下式确定:

式中:τ为水流底部剪切应力;τd为泥沙不淤临界剪切应力;τe为泥沙起动临界剪切应力;α为淤积概率;M为冲刷系数。

边界条件可分为两类:开边界和闭边界。闭边界流体不可穿透岸壁;外海开边界,采用潮位过程;泥沙开边界分为入流和出流两种情况。由于计算工程区附近滩地复杂,潮滩淹没和露滩频繁,为了准确模拟计算区域潮流形态,模型闭边界采用干湿判别动边界处理技术。模型求解采用非结构网格中心网格有限体积法求解。

2.2 模型的建立与验证

2.2.1模拟范围及验证水文条件 根据研究需要,本模型[11]选取北边界为金塘水道的大榭岛、南边界为道人山～青山角的外海、西边包含整个象山港,计算区域东西长约96 km,南北长约56 km,其中包含金塘水道、螺头水道、佛渡水道、牛鼻山水道、条帚门以及虾峙门等工程区附近海域的各水道和口门(模型计算范围见图1,工程区局部网格见图2)。为保证计算精度及满足要求,选用无结构网格对计算区域进行剖分,整个计算区域布设节点28 002个,单元数52 972个,工程区最小网格尺寸约30 m。

本次模型共进行了2007年9月12—14日实测大潮一、2010年3月31日至4月1日实测大潮二及2010年4月7—8日实测小潮3个测次。水文测验资料包括潮位、流速、流向及含沙量过程线的验证(实测大潮一测次水文测验布置及流速矢量见图3),地形冲淤验证采用2007年及2010年实测地形资料。

图2 工程区局部网格Fig.2 Local grid around the project

图3 实测大潮一水文测验布置及流速矢量Fig.3 Layout of hydrometry and velocity vector of the 1st spring tide

2.2.2有关计算参数的选取 根据验证与率定计算,有关参数选取如下:床面阻力系数取0.012～0.015;根据实测资料率定紊动黏性系数为10;采用的时间步长Δt=15 s;根据实测泥沙资料,工程海域的泥沙属于细颗粒泥沙,计算沉速时必须考虑絮凝作用,ω取值为0.000 45 m/s[12];泥沙紊动扩散系数,实际计算中取紊动扩散系数与水流的涡动黏性系数一致;淤积物的干密度γ0=1 850×D0.18350。

2.2.3模型验证 经过反复调试和率定[11],模型的潮位、流速、流向、含沙量过程及工程区附近泥沙冲淤变化计算达到了较好的验证精度。图4为工程前大范围大潮涨、落急流场示意图;图5和6为代表测站及垂线潮位、流速、流向过程验证对比情况,图7为梅山岛周围2007—2010年3年来实测地形冲淤幅度及模型计算验证图(梅山岛东南部有工程施工,影响了局部冲淤验证的精度)。

图4 大潮涨、落急流场Fig.4 Flow field during max.flood and max.ebb tide

图5 实测大潮一潮位过程验证(郭巨,2007-09-12T16:00/09-14T17:00)Fig.5 Tide level verification against measured 1st spring tide

图6 实测大潮一潮位流速、流向过程验证(2007-09-12T16:00/09-14T17:00)Fig.6 Current velocity and direction verification of measured 1st spring tide

图7 梅山岛2007—2010年实测地形冲淤变化及模型计算验证Fig.7 Changes in measured topography and calculated values from 2007 to 2010 around Meishan island

3 工程前后潮流流场变化计算分析

模型验证后,选择实测大潮二及小潮为典型代表潮型,对工程方案实施前后的潮流场进行了计算。

3.1 工程前后流态变化

工程前大、小潮涨潮过程中梅山水道西南侧口门处有小范围短历时回流存在。工程实施后流态变化主要表现为:大潮涨、落潮及小潮落潮过程中,梅山水道西南侧拦水堤外出现较大范围回流;大潮涨潮过程中,东北侧口门附近亦存在小范围的回流。

3.2 工程前后各通道潮量变化

工程区口门、水道众多,模型计算分析了工程后各通道的潮量变化情况。表1为大、小潮工程前后各通道潮量变化情况。可见,工程实施前梅山水道进、出潮量分别为0.65和0.33亿m3,相对其他通道量值较小;工程实施后,梅山水道潮汐通道被截断,原通过梅山水道的潮量进行重新分配,除佛渡水道的进潮量变化超过1%外,其他通道进、出潮量变化值很小。这说明工程实施后,象山港、牛鼻山水道、条帚门和虾峙门的潮量基本没有变化,工程对整体海域的潮流场动力影响甚微。

表1 工程前后各通道潮量变化Tab.1 Tidal current changes around channels with and without the project 108m3

3.3 工程前后流速变化

工程实施后,截断了原为潮汐通道的梅山水道,随着潮量的重新分配,潮流流速场进行了相应的调整。工程后流速变化特征主要表现为:梅山水道两拦水堤间潮流动力消失;拟建北堤～东北侧口门留存的2 km长“盲肠”通道内潮流动力微弱,最大涨、落潮流速仅为0.10 m/s;拟建南堤以西近岸海域、拟建北堤以东近岸海域为流速减小区,流速减小0.05 m/s的最大影响范围分别为自南堤以西约5.0 km、东北侧口门以东北约7.0 km;七姓涂南大堤西端近堤海域、梅山岛东部近岸海域为流速增加区,流速增加的最大影响范围至七姓涂南大堤外5.0 km和青龙山以东3.5 km。而小潮条件下流速变化幅度较大潮小。图8为工程前后大潮涨、落急时刻流速差等值线分布情况。

图8 工程前后大潮涨、落急流速差等值线分布Fig.8 Distribution of velocity change contour during max.flood and max.ebb with and without the project

4 工程后泥沙冲淤变化计算分析

工程的实施将封堵梅山水道,在工程区附近海域的潮流流场发生相应调整的同时,附近海域的海床亦将做出相应的冲淤变形响应。

模型计算了工程后初期1年及达到准平衡状态3年时的泥沙冲淤情况。图9为工程后1年及3年海床冲淤变化情况。由图可见,工程后梅山岛东南部海床为冲刷区,但冲刷的深度不大,接近平衡时最大冲刷深度一般为0.4～0.6 m。拟建南、北两侧拦水堤外局部海域为泥沙累积性淤积区。南堤外侧接近冲淤平衡时的最大淤积厚度达3.5 m,最大淤积部位位于口门外深槽内,0.5 m淤积厚度的淤积影响将延伸至南堤以外约4.0 km;北堤外至东北侧口门之间的原梅山水道涨潮流出口段为累积性淤积区,其准平衡状态下的最大淤积厚度为1.5 m;东北侧口门外海域接近冲淤平衡状态时最大淤积厚度达3.5 m,最大淤积部位位于口门附近的航槽内,沿岸0.5 m厚淤积影响的最大范围至口门外4.0 km处。

图9 工程1年后和3年后泥沙冲淤分布Fig.9 Sediment erosion and deposition at the end of the 1st year and 3rd year after project completion

工程实施后,梅山岛东部保税港区码头前沿海域流速稍有增加,海床呈现轻微的冲刷状态,工程初期年冲刷幅度在0.1～0.2 m,达到准平衡状态时的冲刷幅度在0.3～0.5 m。总体来看,工程的兴建对码头前沿海床冲刷的影响较小,不会对该作业区码头的安全运行产生不利影响,而是更有利于码头前水深的维护。

除上述工程区附近的主要冲刷和淤积区以外,其他海域的海床冲淤变幅均在自然冲淤范围内,基本没有受到工程的冲淤影响。

5 结 语

通过潮流泥沙数学模型计算分析,得到梅山水道抗超强台风渔业避风锚地工程实施后的主要影响:

(1)虽然工程实施封闭了作为潮汐通道的梅山水道,但由于梅山水道的潮量占邻近佛渡水道等进出潮量的权重很小,象山港、牛鼻山水道、条帚门、虾峙门、螺头水道、佛渡岛及六横岛等周边海域的整体潮流动力基本没有改变,大范围海床冲淤趋势也没有发生明显变化,因此工程的实施不会改变该海域整体潮流场结构及海床自然冲淤的格局。

(2)七姓涂南大堤西端～梅山岛东部近岸海域为流速增加区,海床产生轻微冲刷,不影响梅山岛东部保税港区码头的正常运行。

(3)拟建南堤以西及北堤以东近岸海域,出现范围与历时不同的回流流态,处于流速减小区,该区域海床将发生淤积,口门外深槽内淤积幅度最大。处于该区的水闸、小型码头的正常运行需做好清淤疏浚措施。

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Tidal current and sediment numerical calculation for Meishan waterway

FAN Hong-xia,WANG Jian-zhong,ZHU Li-jun
(Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China)

A 2-D tidal current and sediment mathematical model for Meishan waterway sea area is established on the basis of analyzing the measured data.After flow and sediment motion verification,the model is applied to calculate and analyse the changes of the tidal current and the erosion-siltation variation caused by the anchorage shelter project under typical spring-neap tide conditions.The research results show that the flood and ebb tidal volume in the Meishan waterway constitutes a small percentage of those of the surrounding waterways,bringing no changes of the flow field and sediment balance in the large sea area.Cumulative deposition trend is shown in the recirculation and slow-flow region near the proposed two dikes at the south and north waterways because of velocity decreasing,which will give some impacts on the water conservancy facilities located in the adjacent areas. Therefore it is necessary to take protective measures to ensure safe operation of the small sluices and wharfs located in the sea area.The analysis research findings can provide a technical support for the project design and construction.

Meishan waterway;the anchorage shelter project;tidal current and sediment;numerical calculation

TV148

A

1009-640X(2014)06-0009-07

2014-05-17

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2012CB417001);国家“948”项目(201303)

范红霞(1981-),女,江苏阜宁人,工程师,硕士,主要从事港口航道及海岸工程水动力及泥沙研究工作。E-mail:hxfan@nhri.cn