连云港外航道沿程含沙量计算研究

张 玮，刘 杰，肖天葆，孙宏杰，杨 松

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.广东茂名滨海新区管理委员会，茂名525000）

连云港外航道沿程含沙量计算研究

张 玮1，刘 杰1，肖天葆2，孙宏杰1，杨 松1

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.广东茂名滨海新区管理委员会，茂名525000）

在淤泥质海岸，含沙量是影响航道回淤的关键因素，而外海含沙量资料往往难以获得。针对连云港海域外海含沙量资料缺乏的现状，根据已有的7万t级、15万t级和25万t级航道回淤实测资料，利用潮流数学模型，结合规范推荐的两种淤泥质海岸航道回淤预测公式，反算了外航道沿程含沙量，并对计算结果进行了对比分析。结果表明，根据航道回淤资料反算的含沙量大小与分布较为合理，且不同航道等级条件下反算的含沙量结果较为接近，说明这种计算方法可靠、计算结果稳定；该方法仅适用于海床冲淤平衡条件下外航道含沙量的推算；刘家驹公式与曹祖德公式计算的含沙量结果均能满足精度要求。

淤泥质海岸；航道；含沙量；经验公式；数学模型

在淤泥质海岸建港，港池和航道的泥沙淤积是工程技术人员面临的首要问题。对于淤泥质海岸，泥沙回淤以悬沙落淤为主，沿航道的含沙量是预测航道回淤量的关键。受条件限制，海洋水文观测站大多位于近岸，外海水域含沙量长期实测资料通常较少。

目前，外海含沙量推算主要有两种方法。第一，经验公式法。孙连成［1］根据风与含沙量的相关关系，提出了利用风力计算含沙量的经验计算式。章卫胜［2］在波浪、潮流数学模型中，利用刘家驹浅滩含沙量公式推算了连云港海域平均含沙量场。第二，遥感图像法。杨华［3］利用卫星遥感图片对洋山海域悬沙分布规律及运动趋势进行了分析。廖迎娣［4］利用海洋水色卫星SeaStar/SeaWiFS数据，建立了中国东部沿海悬浮泥沙浓度定量模式。刘红［5］根据定点水文实测资料，建立表层水体年平均含沙量与月平均含沙量的关系，以及垂线平均含沙量与表层水体含沙量的关系，从而根据遥感资料反演年垂线平均含沙量。

以往，在进行航道回淤预测时，需要首先确定工程水域含沙量，然后再利用经验公式计算航道回淤。不过，对于已建港口，在进行扩建时，往往可以预先获得前期航道的回淤实测资料，此时，应充分利用这些资料所包含的宝贵信息。为此，文献［6］提出了利用航道回淤实测资料，结合潮流数值模拟和航道回淤计算经验公式［7-9］，反算外航道含沙量的方法，但受资料所限，仅针对连云港7万t级进港航道进行了初步应用，方法的可靠性和稳定性还有待进一步验证。

本文将利用连云港15万t级、25万t级进港航道的回淤实测资料，结合潮流数学模型和航道回淤经验公式，计算外航道沿程含沙量，并与7万t级进港航道回淤资料的计算结果进行对比，藉此分析这种含沙量反算方法的可靠性和稳定性。此外，还将使用不同的航道回淤经验公式反算含沙量，并加以对比分析。

图1 连云港港区平面布置及航道沿里程分段Fig.1 Planar layout of Lianyungang Port area and channel sections by mileage

1 基本概况

连云港位于江苏苏北沿海，潮汐运动受南黄海驻波系统控制，为正规半日潮。外海潮流为逆时针旋转流，近岸受地形影响，潮流逐渐向往复流过渡，流向大致与岸线平行［7］。海区波浪以风浪为主，常浪向为偏东北向，强浪向为偏北向。连云港海域近岸水体多年平均含沙量一般在0.21～0.24 kg/m3，滩坡平缓（1/1 000～1/2 000），泥沙中值粒径为0.002～0.004 mm，属淤泥质。岸滩泥沙输移方式主要为“波浪掀沙，潮流输沙”，近几十年来，连云港海域基本处于冲淤平衡、局部略有冲刷状态［10］。

连云港主港区平面布置及航道里程分段见图1。主港区进港航道主要分为三段：内段走向为292°～112°，对应航道里程为0～1.5 km；转弯段走向为267°～87°，对应航道里程为1.5～4.5 km；外段走向为243°～63°，对应航道里程为4.5～16.5 km。近年来，连云港主港区进港航道逐步拓宽浚深，2002年底由3.5万t级扩建至7万t级（-11.5 m，理论深度基面，下同），2008年扩建至15万t级（-16.5 m），2012年25万t级航道（-19.8 m）建成通航。

连云港主港区进港航道历次疏浚完工后，均进行了航道回淤观测，航道回淤强度统计以年为单位，回淤观测不足一年或超过一年的均折算成一年。连云港进港航道由7万t级浚深至15万t级时，仅仅改变了航道的尺度；而浚深至25万t级时，不仅改变了航道尺度，还修建了环抱式防波堤，这将改变港区水域的水动力条件，影响海床的冲淤平衡［11］。航道沿程回淤强度实测结果详见图2、表1，由此可知：（1）7万t级、15万t级进港航道回淤强度由近岸到外海均是先增加后减小，回淤峰值区段位于口门附近（航道里程2～7 km），口门以外航道回淤强度逐渐减小；（2）15万t级航道回淤强度大于7万t级，主要与航道深度有关，航道浚深后，航槽内流速减小，挟沙水流经过航道时更易落淤；（3）25万t级航道回淤强度小于15万t级航道回淤强度，这主要由环抱式防波堤的修建所导致［12］。

图2 7万t级、15万t级和25万t级航道回淤强度Fig.2 Siltation intensity in channel of 70 000 DWT，150 000 DWT and 250 000 DWT

2 潮流数学模型

2.1 基本方程

（1）水流连续方程

（2）水流动量方程

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为x、y方向的水平紊动粘性系数；f为科氏参数（f=2ωsinφ，ω为地球旋转角速度，φ为纬度）；τx、τy为床面切应力在x、y方向的分量。

2.2 模型的建立和求解

2.2.1 模型范围

根据研究内容的要求，模型范围西自现有岸线，南起废黄河口（34°17′00″N，120°17′E），东至（35°22′30″N，120°17′E），北接日照（35°22′30″N，119°33′E），东西宽约100 km，南北长约120 km，模型范围内水域面积约8 648 km2。

2.2.2 外海边界条件

连云港海域泥沙数学模型的西边界、南边界为闭边界（陆边界），北边界、东边界和灌河为开边界（水边界）。对于开边界，由东中国海模型提供潮位过程；对于闭边界，根据不可入原理，取法向速度为0。

2.2.3 求解方法

采用ADI算法数值求解上述方程组，也就是把每一个时间步长分成两步进行，前半步隐式计算x方向流速分量及潮位，显式计算y方向流速分量；后半步隐式计算y方向流速分量及潮位，显式计算x方向流速分量。此外，采用干湿判别技术进行动边界处理。

表1 7万t级、15万t级和25万t级航道沿程浅滩水深及回淤强度Tab.1 Shoal water depth and siltation intensity along channel of 70 000 DWT，150 000 DWT and 250 000 DWT

3 外航道沿程含沙量的推算

3.1 航道回淤计算公式

连云港海域为淤泥质海岸，根据《海港水文规范》［10］，在海床基本处于冲淤平衡状态下的淤泥质海岸开挖航道，其淤积强度可采用刘家驹公式（式（4））或曹祖德公式（式（5））计算

式中：P1为航道底部单位面积的淤积强度，m/a；ω为细颗粒泥沙的絮凝沉降速度，m/s，文中取为0.000 54 m/s；S1为相应于平均水深d1的浅滩水域的平均含沙量，kg/m3；t为淤积历时，s；γ0为淤积物的干容重，kg/m3，文中取为640 kg/m3；K1、K2分别为横流和顺流淤积系数，文中K1取为0.35，K2取为0.13；d1、d2分别代表浅滩平均水深和航道开挖后的水深，m；θ为航道走向与水流流向之间的夹角，（°）；α为经验系数，文中取为0.45。

3.2 外航道沿程含沙量计算结果

根据7万t级、15万t级和25万t级航道回淤实测资料，结合潮流数学模型计算结果，分别采用刘家驹公式、曹祖德公式反算7万t级、15万t级和25万t级外航道沿程含沙量，结果见图3、表2。

计算结果表明，对于7万t级进港航道，沿程含沙量由近岸到外海先增加后减小，最高含沙量0.24～0.26 kg/m3，位于航道里程6.0～6.5 km处，航道里程14.0 km以外含沙量小于0.1 kg/m3。该结果与金镠［13-14］等得到的连云港海域含沙量横向分布相近，表明公式反算的含沙量结果较为合理。

对于15万t级进港航道，沿程含沙量由近岸到外海也是先增加后减小，最高含沙量0.23～0.26 kg/m3，位于航道里程6.0～7.5 km处，与7万t级时的结果基本一致，表明这种反算含沙量的计算方法所得结果较为稳定。至于航道里程13.0 km以外部分海域，15万t级时的含沙量与7万t级时的结果有一定差异，可能与该段航道附近海域设置抛泥区有关。

图3 航道沿程含沙量Fig.3 Sediment concentration along channel

对于25万t级进港航道，航道里程10.0 km以内，沿程含沙量小于7万t级、15万t级较多，而航道里程10.0 km以外，沿程含沙量与7万t级、15万t级时较为接近。经分析，环抱式防波堤修建后，口门附近水动力发生显著变化，海床冲淤平衡状态遭到破坏，式（4）、式（5）不再适用，因此其计算的口门附近含沙量偏差较大；而外海区域由于基本不受工程影响，海床仍基本处于冲淤平衡状态，故公式计算的航道含沙量结果与7万t级、15万t级时基本相同。

3.3 公式的选取对计算结果的影响

对比不同航道等级下，刘家驹公式与曹祖德公式计算含沙量的结果（详见图3和表2），两种公式计算的各航道等级下含沙量的大小与趋势基本一致。7万t级时，两种公式计算沿程含沙量的相对误差最大为9%，15万t级、25万t级时，两种公式计算沿程含沙量的相对误差最大为11%。由此可见，尽管两种公式的形式不同，但是计算含沙量结果的精度基本相同，公式的选取基本不会对计算结果产生影响。

表2 7万t级、15万t级和25万t级外航道沿程含沙量的计算结果Tab.2 Calculation results of sediment concentration along outer channel of 70 000 DWT，150 000 DWT and 250 000 DWT

4 结论

（1）鉴于根据航道实测回淤资料推算含沙量的方法缺乏验证的情况，利用连云港15万t级、25万t级进港航道的回淤实测资料，计算了外航道沿程含沙量，并与7万t级时的外航道沿程含沙量进行了对比。结果表明，该计算方法较为可靠，计算结果较为稳定。

（2）根据计算，7万t级时，连云港进港航道沿程含沙量由近岸到外海先增加后减小，最高含沙量为0.24～0.26 kg/m3，位于航道里程6.0～6.5 km处，航道里程14.0 km以外含沙量小于0.1 kg/m3；15万t级时，沿程含沙量变化趋势也是先增加后减小，最高含沙量为0.23～0.26 kg/m3，位于航道里程6.0～7.5 km处，与7万t级时的结果基本一致。

（3）该方法仅适用于海床冲淤平衡状态下外航道含沙量的反算。25万t级时，航道里程10.0 km以外含沙量与7万t级、15万t级时基本相同，而航道里程10.0 km以内含沙量则相差较大。

（4）刘家驹公式与曹祖德公式计算的含沙量结果本质上没有区别。7万t级时，两种公式计算含沙量的结果相对误差最大为9%，15万t级和25万t级时，两种公式计算含沙量的结果相对误差最大均为11%。

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Calculation of sediment concentration along approach channel to Lianyungang Port

ZHANG Wei1,LIU Jie1,XIAO Tian⁃bao2,SUN Hong⁃jie1,YANG Song1
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Administration Committee of Guangdong Maoming Binhai New Area,Maoming 525000,China）

The suspended sediment concentration(SSC),a key factor in predicting the siltation intensity in ap⁃proach channels of muddy coast,is very difficult to be measured in open seas.Due to the limited data of SSC in Li⁃anyungang sea area,according to the observed silting data in approach channels of 70 000 DWT,150 000 DWT and 250 000 DWT,a mathematic model of tidal current and two formulas recommended by the Code of Hydrology for Sea Harbor for predicting the siltation intensity were used to calculate the SSC along the approach channel,and then the computation results were compared.The research shows that the size and distribution of the SSC calculated by the observed silting data are reasonable and the SSC of different levels are very close,which prove that the calcu⁃lation method is reliable and the computation results are stable.This method is only suitable for the prediction of SSC along the outer channel on the seabed in the balance of erosion and deposition.The calculation results by Liu Jiajv formula and Cao Zude formula all meet the accuracy requirements.

muddy coast;channel;SSC;empirical formula;mathematical model

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2017）02-0115-05

2016-07-22；

2016-11-10

国家高技术研究发展计划（2012AA112509）

张玮（1958-），男，山东青岛人，教授，博导，主要从事港口航道工程研究。

Biography：ZHANG Wei（1958-），male，professor.