通州湾建港工程对辐射沙洲海域潮流泥沙条件的影响

谢灵运，王 勇，白玉川（.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 30007；.南通滨海园区港口发展有限公司，江苏 南通 6333）



通州湾建港工程对辐射沙洲海域潮流泥沙条件的影响

谢灵运1，王 勇2，白玉川1
（1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.南通滨海园区港口发展有限公司，江苏 南通 226333）

本文借助南通市通州湾造港工程规划构建二维潮流泥沙模型，进行水流泥沙数值模拟，对工程前后水动力及泥沙冲淤情况进行对比分析，以期得出造港工程对周围水动力环境以及辐射沙脊群整体潮流场的影响，预测工程实施后水道深槽冲淤情况，从而验证通州湾造港工程的实际可行性。数模计算结果可见建港工程对局部区域内水动力条件影响明显，对大范围潮流场影响甚微，港区规划内预测泥沙淤积量在接受范围以内。

辐射沙洲；围填造港；潮流泥沙；数值模拟

引　言

南黄海辐射沙脊群位于南黄海海域江苏苏北沿岸水深30m以浅区域，是中国沿海最具特色的近岸潮流沉积体系。辐射沙脊群以江苏弶港为顶点，南北跨越200多公里，东西跨越150多公里。辐射沙脊群由线状沙脊及沟槽组成，整体呈扇形向外海辐散［1，2］。潮流是控制南黄海辐射沙脊群形成发展的主要因素，辐射沙脊海域由两种潮波系统控制。两股潮波系统在弶港附近辐合形成了以弶港为中心的涨落潮辐聚、辐散的独特潮流现象［3～6］。

通州湾位于江苏省南通市东部沿海，存在冷家沙及腰沙两条主要浅滩沙脊，面积300多平方公里。借助这两处浅滩沙脊进行围填，同时对小庙洪以及三沙洪水道进行航道疏浚成为在通州湾海域建成深水港的理想方案。

图1　通州湾湾造港规以及水道分布示意

工程区域位于苏北辐射沙脊群南部边缘处，在辐射沙脊群辐聚中心弶港以南，以腰沙、冷家沙为分界线，北面为两大潮波系统辐合的烂沙洋海域，南面为太平洋前进潮波控制的小庙洪水道，整片海域属规则的半日潮，潮流流速最大时刻出现于中潮位的附近。小庙洪及三沙洪水道内深槽处潮流椭圆椭圆率小，潮流呈现往复流特征，水道出口深槽外潮流椭圆率较大，潮流呈现旋转流特征［4～5］。随着规划的深水大港的建成，这一区域的潮流泥沙环境会受此影响，建港工程对于通州湾区域局部的潮流环境影响、对于苏北海域整个辐聚辐散潮流场的影响以及工程建成后的港区冲淤情况将是本文数值模拟的重点。

1　二维潮流泥沙模型设置及验证

1.1控制方程

数学模型包含两部分，二维水流数学模型和二维泥沙数学模型。

水流连续方程：

x方向的水流运动方程：

y方向的水流运动方程：

悬沙输移方程：

推移质输沙方程：

河床变形方程：

式中：f为 Coriolis系数；Cs为谢才系数；Ci为第i组悬移质的含沙量；Pi为第i组悬移泥沙的起悬量；Di为第i组悬移泥沙的沉降量；qbi为第i组推移质输沙率；di为第i组推移质泥沙的代表粒径；Uic为第i组推移质的起动流速；ξ为紊动影响系数；Psi为第i组悬移泥沙的组份；Pbi为第i组推移泥沙的组份；Cm为浑水保持流体特性的最高含沙量。

泥沙起悬量方程：

式中：tcci=tci/（2c*2）0.5，c*表示一比例系数，可以取0.27，tci=ωi/u*；Ioi为沉速等于ωi的泥沙在床面泥沙中的份数，Ioi=σ*iCb，σ*i表示沉速等于ωi的泥沙颗粒在床面泥沙Cb中的有效含量，由床面泥沙级配可以求出，Cb是在水流的作用下，底部泥沙的活动量（相对体积比）。

泥沙沉降量方程：

式中：wi为泥沙沉速；k为卡门常数；C为悬沙浓度。

泥沙颗粒起动流速公式：

式中：d50为泥沙颗粒中值粒径；hc为水深。

泥沙悬扬流速公式：

式中：z1为泥沙悬浮指标；h为水深；n为糙率；k为夹沙水流的卡门常数。

1.2模型设置

本文采用大小模型嵌套的方式对区域潮流泥沙进行数值模拟，大模型进行潮流二维模拟为小模型提供开边界条件，小模型进行局部区域二维潮流泥沙数学模拟。

大模型为南黄海潮流数学模型。模型区域为东经119°～124.065°、北纬31°～36.135°，计算范围为南黄海，采用三角形网格进行离散，开边界条件为潮位条件，由九个主要分潮经潮汐调和分析得到。

小模型为江苏南通研究海域潮流泥沙数学模型，模型区域为东经120.8°～122.5°、北纬31.8°～33°，分为工程前与工程后两部分。工程后模型岸线参照南通市沿海地区城镇与港区发展规划图以及南通市海域规划。

大小模型区域以及地形分布如图2。

图2　模型计算区域

1.3模型验证

1）潮流条件验证

大模型取用 2012年黄、渤海海区《潮汐表》潮位值作为验证资料，验证时间自2012年2月16日至2月20日，测站取燕尾港、陈家坞，潮位验证情况如图3、图4。

图3　燕尾港潮位过程验证

图4　陈家坞潮位过程验证

从大模型潮位验证可看出大模型涨落潮过程以及分时潮位与验证资料基本符合，其运算结果可为小模型提供较为精确的开边界条件。

小模型选取2012年2月为配合南通通州湾冷家沙和腰沙围填布置规划及有关试验研究所布设的水文全潮观测站的大潮观测值进行潮位及流速、流向的验证。

吕四海洋站以及洋口海洋站潮位验证如图 5、图6。

图5　吕四海洋站潮位过程验证

图6　洋口海洋站潮位过程验证

选取4个测点（c1～c4）进行流速流向验证，验证点位置见图2。

从小模型潮位以及流速、流向验证情况来看，潮位模拟平均误差在10cm以内，验证点涨急、落憩流速平均误差在15%以内，流向平均误差在10°以内，流速、流向过程线基本一致。

2）悬沙浓度验证

本文根据前文所提实测资料进行小模型2012年2月大潮期间相关验证点（s1，s2）潮流含沙量验证，验证情况见图7。

图7　潮流含沙量过程验证

验证情况显示s1点含沙量与实测值平均相差13.9%，s2点含沙量与实测值平均相差18.4%，潮流携沙过程趋势基本符合。

2　潮流条件变化

本文将对工程区域内深槽水道在工程前后的潮流情况做出模拟与对比，水道与测点分布见图8。

图8　水道、测点分布示意

2.1大洋港深槽与小庙洪水道潮流变化

大洋港深槽位于整个苏北辐射沙洲区域最南翼边缘处，深槽东西走向，南靠陆域，北接腰沙浅滩，水深10～15m，最深处可达20m，由于该处处于往复潮流控制区域，深槽冲淤形势稳定，故而具有良好的通航条件。

小庙洪水道西接大洋港深槽，有南、中、北三处水道，经多年深槽以及水道的演变，小庙洪三处分水道分别呈现北水道逐渐淤塞，南、中水道加宽加深发展的趋势。

根据造港规划，经过模型计算后，各测试点流速流向对比，以及相应深槽水道流量变化对比分析如下：

1）大洋港深槽水动力条件减弱明显

由于腰沙上围填工程的实施以及港口南侧突堤和相应码头的建设，大洋港深槽北侧的纳潮面积骤减，流速损失十分明显，深槽靠近陆测测试点A工程前后大潮涨、落急流速损失将近50%，大洋港深槽与小庙洪水道相接处测试点B工程前后大潮流速损失也高达30%。

2）小庙洪水道潮流条件有相应减弱

西洋哲学-讲师为外山正一。使用贝恩(译者注：Alexander Bain)《心理学》、卡彭特(译者注：William Benjamin Carpenter)《精神生理学》、斯宾塞《哲学原理总论》等讲授心理学。

本文于小庙洪水道南、中、北三处水道各自设立流量测试断面，模型计算结果见表1。从中可以看出，工程后三处水道流量均有减少，其中以北水道流量减少最为明显，其涨落潮流量平均减少约22%，南水道涨落潮平均流量减少15%，中水道涨落潮平均流量减少13%。此三处水道工程前就已经呈现北水道淤积，南、中水道冲刷的趋势［10～11］。

表1　小庙洪水道各水道流量变化

2.2三沙洪水道潮流变化情况

三沙洪水道位于腰沙及冷家沙之间，呈东西走向，西接网仓洪水道入海。三沙洪水道水深约8～15m，具有一定的通航条件。

根据模型模拟，工程前后于三沙洪水道内布置的两个测试点（E、D）工程后呈现了不同程度的流速减弱，靠近内陆的测试点E流速减弱较大，涨急时刻平均流速减弱约21%，落急时刻平均流速减弱约45%；靠近口门处的测试点D减弱相对较缓，涨急时刻平均流速减弱17%，落急时刻平均流速减弱36%。通过口门处断面测得工程后涨落急某时刻口门处流量均较工程前较少了50%左右，为整个模型区域水动力减弱作为剧烈的区域。

表2　三沙洪水道断面流量变化

2.3冷家沙外侧附近水域潮流变化情况

本文于冷家沙外侧附近设立三处流速流向测试点（F、G、H），由于建港工程对纳潮量的削减，靠近冷家沙的G、F两点流速有较为明显的减弱，测试点F涨落急流速平均减弱9%，测试点G涨落急流速平均减弱13%。然而距离突堤稍远的测试点H处的流速流向受影响甚微，其流速改变约1%，流向改变约2%。

2.4建港区域以北烂沙洋水域潮流变化甚微

建港区域以北为烂沙洋水域，本文于该处水域设置两处流速流向测试点（I、J），根据工程前后测试点流速流向比对，这两种情况下其流速流向几近相等，工程前后三点流速误差不超过2%，流向误差不超过2%，并没有呈现出明显的变化趋势。由此可得出通州湾建港工程对烂沙洋及其以北地区潮流条件几乎不构成影响，工程所造成的潮流条件改变是局部的。

图9　烂沙洋海域

对比工程前后小模型区域涨落急时刻流场图可得出结论：

1）就围填建港局部区域而言，港口突堤都是顺沿浅滩沙脊走向所围填建造，借助沟槽水道形成航道。就模拟结果来看，工程的实施对深槽水道内的水流流向并未形成实质性地影响。

2）就小模型区域整体而言，顺应沙脊沟槽而建的港口工程并没有对整体潮流场形成实质性的改变，距离工程实施地越远，工程前后流场重合度越高，同时潮流场的辐聚辐散中心位置并没有发生改变，仍旧位于弶港附近。故建港工程对于整个辐射潮流场区域而言不会造成实质性的破坏。

图10　工程前后涨急流场对比

3　规划港区冲刷落淤模拟

本文模型对工程实施后区域进行泥沙冲淤模拟。通州湾港整体计划于 2030年建成，模型模拟港口工程建成一年后小模型区域冲淤情况：

1）大洋港深槽

槽内工程建成一年后主要呈现冲刷趋势，槽内最大冲刷量达42cm，深槽靠陆端由于潮流余流带来的泥沙而形成了一定的落淤，年淤积量最高可达36cm。

2）小庙洪水道

小庙洪水道南、中水道整体呈现冲刷趋势，南水道内最大冲刷量达8cm，中水道内最大冲刷量达16cm；北水道呈现淤积趋势，泥沙淤积主要集中在水道两侧，最大淤积量可达43cm。对比工程建设前同等水流条件下区域充裕情况，南、中水道冲刷程度略有减弱，北水道淤阻现象更加严重。

3）三沙洪水道

三沙洪水道两侧都有回填工程建设，水动力条件减弱较为明显，经过泥沙模型计算，工程建成后作为航道的三沙洪水道并未呈现较为严重的淤积，水道微淤，其中最大淤积量为20cm。

表3　水道淤积情况

图11　工程建成一年后冲淤情况

4　结　论

1）就工程局部区域而言，造港工程建设对其附近区域水动力有明显的削弱作用，相应深槽、水道由于工程区域围填海的影响致使纳潮面积减小，潮流涨落流速流量随之有显著的削减。

2）就工程影响范围而言，填海建港对于周围环境水动力的削弱作用仅仅只是局部的，对于工程区域以北20 km以外更靠近辐射沙脊群海域辐聚辐散潮流场中心弶港、烂沙洋一带海域来说，都未受造港工程的影响。此项工程规划并未对辐射沙脊群大区域的潮流涨落状况有所影响，对以潮流控制为主的辐射沙脊群主体的演化造成的影响也是微小的。

3）就工程区域冲淤趋势而言，小庙洪北水道为淤积最为迅速的地区，同时大洋港深槽近陆端淤积形势也较为严重，如需利用此段区域水道则需注重水道的疏浚；三沙洪水道于造港工程实施后整体呈现微淤状态；小庙洪水道南、中水道冲刷、发展的趋势在工程实施后并没有发生改变。工程区域在工程实施后整体的冲淤状况验证了造港工程的可实施性。

［1］王颖.黄海陆架辐射沙脊群［M］.北京：中国环境科学出版社，2002，12.

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［5］诸裕良，严以新，蔡鸿超.南黄海辐射沙洲形成发育水动力机制研究［J］.中国科学，1998，28（5）：403-410.

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［10］陈可锋，陆培东，王艳红，等.南黄海辐射沙洲趋势性演变的动力机制分析［J］.水科学进展，2010，21（2）：267-274.

［11］陈可锋，陆培东，喻国华.辐射沙脊小庙洪水道口门形态演变及其水动力机制研究［J］.中山大学学报（自然科学版），2012，2：101-106.

Impact of Tongzhou Gulf Port Project on Tidal Current and Sediment
Conditions of Radial Shoal Area

Xie Lingyun1，Wang Yong2，Bai Yuchuan1
（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Port Development Co.，Ltd.of Nantong Binhai Industrial Park，Nantong Jiangsu 226333，China）

Based on the planning of Nantong Tongzhou gulf port project，a 2D tidal current & sediment model has been establish to simulate the motion of current and sediment，compare and analyze the differences of hydrodynamic and sediment scour-and-fill conditions before and after the port construction.The above analysis results are used to estimate the effect of port construction on local hydrodynamic environment and the whole tidal current field of radial sand ridges as well as the scour-and-fill state of waterway deep-ditch after the construction.Furthermore，the feasibility of Tongzhou gulf port project is verified.Numerical simulation results show that port project will definitely affect local hydrodynamic condition，but merely affect large-scale tidal current filed.The sediment deposit estimated in harbor planning is acceptable.

radial shoal； reclamation and port construction； tidal current and sediment； numerical simulation

TV148

A

1004-9592（2016）04-0001-06

10.16403/j.cnki.ggjs20160401

2015-11-30

国家自然科学基金项目（41576039）

谢灵运（1990-），男，硕士研究生，主要从事港口、近海潮流泥沙数值模拟研究。