黄骅港综合港区深水航道水动力数值模拟研究

左志刚

(交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

黄骅港综合港区、散货港区现有防沙堤采用单堤布局，防沙堤位于航道北侧，堤头位于-8 m等深线(以黄骅港理论最低潮面为基准，下同)，为满足30万t油船(减载至21万t)乘潮进出港的要求，将航道等级提升至20万t级，航道拓宽至382 m，设计底标高-18.3 m。

图1 黄骅港位置示意图(2016-03卫星影像)Fig.1 Map of Huanghua port(Satellite image in March 2016)

黄骅港存在严重的泥沙回淤问题，要解决泥沙问题，前提是首先要了解和掌握黄骅港所在海域水动力基本特征。本研究利用数值模拟方法对扩建20万t级航道工程常态水动力情况进行研究，深入分析工程实施后最大流速、最大横流等，以掌握工程实施对周围海域的影响，也为其它相关研究提供支持。

1 地理区位

黄骅港位于河北省东南部，渤海湾西南岸(图1)，是环渤海经济圈的主要枢纽。

2 水动力数学模型的建立和验证[1-5]

2.1 模型介绍

潮流模型采用符合浅水和boussineq假设的不可压缩流体的N-S方程，来模拟由潮汐力、温度不均、密度不均和盐分不均引起的不稳定水流和传输。系统方程包括水平运动方程，连续性方程和输运守恒方程。水流由开边界处的潮流和自由表面处的风、有自由表面倾斜引起的压力梯度或密度梯度决定。控制方程中包含水源项和汇项。

潮流数模采用无结构三角形网格，三维潮流运动方程如下

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：u，v为水平方向流速；ω是垂向流速；w为垂直坐标系下的垂向流速；σ=(z-η)/D为地形相对坐标，其中σ=-1表示床面，σ=0表示自由表面；υt为垂向紊动粘性系数，可由k-ε紊流模型确定；ρ=ρ(T,s)为水体密度，其中T为温度;s为盐度；∂ρ/∂x表示密度梯度的斜压项，其中f代表科氏力系数；S，us，vs分别为点源流量和点源在水平方向的速度分量；ρ0是水体密度。

在控制方程的求解过程中使用有限体积法进行离散，采用三角形网格；时间积分采用显式欧拉格式；计算中采用干湿网格方法对浅滩进行考虑。

2.2 模型的建立

大、小模型采用三角形网格剖分计算域。大模型网格空间步长3 000 m，模型水深采用最新海图资料。小模型水深资料采用2012年最新版海图(1:150 000)、2011年最新版海图(1:35 000)和工程水域实测CAD水深图。模型相邻网格节点最大空间步长为3 000 m，在工程附近水域进行局部加密，最小空间步长为35 m。小模型计算区域及网格划分见图2。

2.3 模型验证

采用2014年水文全潮资料(3个潮位测站，11个潮流测站，图3)对模型进行验证。图4给出了上述全潮测量中3个测站的大中小潮验证情况，结果显示潮位、流速、流向与实测结果符合良好，满足《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》要求，可用于分析工程后流场情况。图5给出了上述全潮测量中3个测站的流速流向验证情况。

2-a 模型概化地形2-b 模型网格划分图3 水文全潮测站位置示意图图2 小模型计算范围及网格划分Fig.2 Model calculation range and grid partitionFig.3 Location of hydrological survey station

3 工程实施后流场特征分析

3.1 大范围流场特征

(1)黄骅港海域整体流场平顺，涨潮水体整体自东向西向岸运动，至近岸向西南方向发生偏转，落潮水体运动与涨潮呈相反运动趋势，海区涨、落潮流速介于0.3～0.8 m/s之间；近岸区流速在0.2 m/s以内。由于防沙堤很长，在一定程度上起到了导流作用。大范围流场特征如图6所示。

(2)从流速值看，综合港区航道内潜堤附近出现流速最大，在0.9 m/s左右；港池内流速最小，在0.05～0.3 m/s；潮流主流向与外航道走向有一定夹角，航道内存在一定程度横流，特别航道末端，由于突然向北转向，造成夹角变大，横流随之突然加大。

(3)综合港区航道提升对水流影响主要在航道内，且呈减小趋势。流速的变化幅度不大，在0.1 m/s以内。

图4 各站潮位验证Fig.4 Verification of tidal level

图5 部分测站流速流向验证Fig.5 Verification of velocity and direction

3.2 流速特征

6-a 涨急 6-b 落急图6 大范围流场特征Fig.6 Characteristics of flow field

(1)现状下，-6 m口门附近最大流速表层为1.02 m/s，垂向平均为0.96 m/s，航道内最大流速(垂向平均)介于0.26～1.02 m/s之间；航道提升后最大流速在-6 m口门附近出现最大值，为表层0.92 m/s左右、垂向平均0.86 m/s左右，全航道垂向平均最大值在0.25～0.86 m/s。航道内流速最大值及最大横流沿程分布如图7和图8所示。

(2)航道内最大横流位于航道向北转折段，由于外海流速较大，同时航道转角后与水流夹角变大，造成给航道段横流突然增大；另外-6 m口门附近由于，南横堤的导流作用，造成口门附近横流较大。

(3)全潮平均流速变化主要集中在堤头及航道开挖区，流速变化幅度在0.1 m/s左右；航道由于水深加大，流速有所减小；水流强度的降低有利于泥沙落淤。

(4)从流速增大影响范围看，工程实施后对周围海域水动力环境基本没影响，主要变化发生在工程附近海域。

图7 最大流速 图8 最大横流 Fig.7 Maximum flow velocity Fig.8 Maximum transverse flow velocity

4 结论

本文主要结论有：

(1)本研究所建模型计算与实测潮位、流速、流向结果符合良好，满足《规程》要求，能反映黄骅港海区的潮流运动，可用于分析工程后流场情况。

(2)方案的实施未改变大范围海域潮流运动规律，外海涨落潮潮流主向仍为东西向，至近岸转为与等深线基本垂直。

(3)变化发生在工程附近海域，堤头及航道开挖区，流速变化幅度都在0.1 m/s左右；航道由于水深加大，流速有所减小。

(4)现状下，-6 m口门附近最大流速表层为1.02 m/s，垂向平均为0.96 m/s，航道内最大流速(垂向平均)在0.26～1.02 m/s左右；航道提升后最大流速在-6 m口门附近出现最大值，为表层0.92 m/s左右、垂向平均0.86 m/s左右，全航道垂向平均最大值在0.25～0.86 m/s。

(5)航道内最大横流位于航道向北转折段，由于外海流速较大，同时航道转角后与水流夹角变大，造成给航道段横流突然增大；另外-6 m口门附近由于，南横堤的导流作用，造成口门附近横流较大。