基于三维数模对连云港港连云港区回淤强度的研究

2019-03-28赵张益庞启秀温春鹏张瑞波

水道港口 2019年1期

程达，赵张益，庞启秀，温春鹏，张瑞波

(1.连云港港口控股集团有限公司，连云港 222042；2.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

图1 连云港区水深示意图Fig.1 Sketch of water depth in Lianyungang port

淤泥质海岸环抱式港口的回淤强度与进港水体含沙量、港池开挖水深、港内浅滩水域面积以及工程建设等因素有关[1]。连云港区分为旗台、庙岭以及墟沟港区三大主要生产作业区，其中港池和泊位水深-8～-20 m，浅滩水深-2～-8 m，口门附近水深-12 m(详见图1)。伴随着连云港港连云港区工程的建设以及旗台防波堤的建成，连云港区已成为典型的淤泥质海岸环抱式港口，其布局和规划与早期有较大不同，港内泥沙环境也发生了较大改变。目前，连云港港区每季度进行一次全港的水深测量工作，从2015～2017年的测图可知，港区的月均淤强在0.03～0.06 m之间，最大为0.07 m，与早期研究成果“每月淤强10 cm”有较大差异。为了在不增加测量频次的基础上合理推算出各个时期，特别是每季度水深测量间隙港区回淤强度，科学、安全地为港口生产服务，本研究将基于三维数模方法对连云港港连云港区回淤强度进行研究。

1 三维数模的建立与验证

1.1 模型构成

根据连云港海域的自然条件及泥沙运动特点，采用下列数学模型。

1.1.1 三维水动力模型

三维潮流场计算采用FVCOM(Finite Volume Coastal Ocean Model)模型[2]，其控制方程如下

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：x，y和z为笛卡尔坐标系下的东西向、南北向以及垂向的坐标；u，v和w分别为x，y和z轴的速度分量；g为重力加速度；t为时间；ρ为密度；p为压力；f为科氏力参数；Km为垂向涡粘系数；Fu和Fv为水平动量扩散项；Kh为热力垂向涡粘系数。

垂向采用σ坐标变换

(5)

式中：ζ为自由表面；H为海床相对于基准面的距离。

水动力方程中的涡粘系数通过求解紊流模型获得。本研究选用目前三维水动力模式中应用广泛的Mellor-Yamada 2.5阶模式[3]，该模式考虑了紊动动能和混合长度局部变化率，紊流能量的水平和垂直输送以及紊流能量的垂直扩散。

当有大风或台风发生时，利用天气研究与预报模型WRF(Weather Research and Forcasting Model)[4]以及SWAN(Simulating Waves Neashore)模型[5]分别计算对应的风场和波浪场，并为水动力泥沙模型提供相应的动力参数，如风速、风向、波高、波向等。

1.1.2 三维泥沙运动模型

(1)控制方程。

① 控制方程

粘性泥沙运动以悬移质为主，控制方程为悬移质三维对流扩散方程

(6)

式中：AH和Kh分别为水平和垂向扩散系数；C为悬泥浓度；ws为泥沙沉速。

② 边界条件

自由水面要求含沙量的净通量为零，即在z=ζ时

(7)

底部边界条件表示为

(8)

式中：E和D分别为淤积率和冲刷率，其计算方法分别采用Ariathurai和Arulanandan[6]与Krone公式[7]。泥沙参数根据数模验证情况，冲刷系数取0.000 1～0.000 5；泥沙的临界冲刷应力在各区域采用不同的值，连云港以北区域0.2 N/m2，连云港以南区域取1.2 N/m2，泥沙沉积的临界应力取值同临界冲刷应力。

(2)泥沙沉降速度。

淤泥质河口海岸地区的粘性泥沙沉速受水体紊动、含沙量、温度、盐度等多种因素的影响。本研究采用Hwang的沉速公式[8]

(9)

式中：a，b，m，n为经验系数，分别取为1.05，0.58，2.37，4。上式考虑了含沙量对沉速的影响，且能够描述粘性泥沙的制约沉降过程。

(3)冲淤模型。

采用以下公式计算冲淤强度

(10)

式中：F为底床泥沙净通量；γs为泥沙干容重，取629 kg/m3；zb为计算时间T内的冲淤强度。

1.2 模型建立

2-a 大模型 2-b 小模型图2 二维模型计算网格Fig.2 2D model computing grid

采用三维大、小模型嵌套计算的方法进行计算，大范围模型主要为小范围模型提供合理的边界条件。

大模型(图2-a)区域囊括整个黄海和渤海，向南至浙江宁波(北纬29.5°)，大模型外海开边界西起浙江宁波(东经122°)，东至韩国(东经128°)，采用非结构化网格，在工程区附近局部加密，网格空间步长最大为2 000 m，最小为125 m，模型采用曲线开边界以较好地模拟开边界与岸线交界处的潮流情况。小模型(图2-b)范围北起35°25′N，南至34°26′N，东至120°07′E，同样采用局部加密的非结构化网格和曲线开边界，网格空间步长最大为1 500 m，最小为20 m。

图3 连云港港连云港区2016年11月大潮测站位置示意图Fig.3 Sketch of station location in Lianyungang port area(2016-11)

1.3 模型验证

采用2016年11月大潮水文资料(1个潮位测站，6个潮流和含沙量测站，图3)对正常天气下模型结果进行验证，其中图5～图7分别给出了潮位、流速、流向和含沙量验证情况。采用2007年9月“韦帕”台风期间的风、浪、泥沙回淤资料对台风天气下模型结果进行验证(测站位置如图4所示)，其中图8～图10分别给出-5 m等深线处测站的风速、风向、波高、泥沙回淤验证情况。限于篇幅，本文中只展示了1个测站的验证过程，其余测站验证过程，请参阅文献[9]。

可见，本次计算结果与实测结果吻合程度良好，工程水域内绝大部分测点验证结果符合交通运输部《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》的要求，所建模型比较全面地反映了研究海域的水动力和泥沙运动规律，可进一步分析港区流场及回淤情况。

图4 连云港港2007年9月测站位置示意图Fig.4 Sketch of station location in Lianyungang port (2007-09)图5 2016年11月潮位验证Fig.5 Tidal level verification(2016-11)

图6 2016年11月D2站大潮流速流向验证Fig.6 Current verification of station D2(2016-11)

图7 2016年11月D2站大潮含沙量验证Fig.7 Sediment concentration verification of station D2(2016-11)

图8 韦帕台风期间连云港测站点的风速风向验证结果Fig.8 Wind speed and direction validation of Typhoon Wipha in Lianyungang port

图9 韦帕台风期间连云港-5 m测站点的波高验证结果Fig.9 Wave height verification of Typhoon Wipha in Lianyungang port(-5 m)图10 韦帕台风期间航道淤强沿程分布验证Fig.10 Verification of channel siltation intensity of Typhoon Wipha

2 流场分析

从图11可知，连云港海域的流速分布，总体上由近岸水域向外海侧逐渐增大，靠近港区围堤及防波堤附近的水流受挑流作用，流速相对较大。涨潮流速大于落潮流速。

连云港区流速最大的区域位于港区口门附近，最大流速能达到1 m/s，越向港内，流速越小。连云港区口门附近出现较为明显的顺时针环流，主要发生在涨转落的时间段。港内除口门附近外，基本呈现往复流特性，流速整体都较小，而且越向港内，流速越小。墟沟、庙岭港区流速很小，仅靠自然流速，局部泥沙将难以起动，这些区域的淤积主要是涨潮流携带的泥沙造成。

11-a 涨急时刻 11-b 落急时刻图11 特征时刻流场Fig.11 Flow field of characteristic time

3 港区回淤强度

3.1 月度动力条件下计算结果

由于连云港地区水体含沙量季节性变化明显，其中，夏季风速小，且盛行离岸向的东南风，含沙量低；冬季风速大，以西北向向岸风为主，含沙量高。所以为偏安全考虑，采用2016年11月中旬～12月中旬的潮流及该时段的风况(期间发生了6级风)作为月度动力条件，利用经验证的数学模型，计算连云港区月淤积分布情况。港区回淤分布如图12。从图可知，港区淤积分布呈现口门附近较大，港池内部逐渐减小的分布趋势，而且航道淤厚普遍大于周边滩地。从淤积量值来看，墟沟港区淤厚在0.02～0.03 m之间；庙岭港区淤厚在0.03～0.04 m之间；旗台港区航道淤厚在0.05～0.08 m之间，港池淤厚在0.03～0.06 m之间。

3.2 台风条件下计算结果

为了合理确定极端天气条件下的港区回淤强度，利用经验证的数学模型，采用“韦帕”台风及有代表性潮动力(为了合理反映台风发展过程，计算时间为96 h)[10]，计算连云港区在台风条件下的淤积分布情况。港区回淤分布如图13。从图表可知，在台风作用下，港区淤积分布呈现口门附近较大，港池内部逐渐减小的分布趋势，而且航道淤厚普遍大于周边滩地，从淤积量值来看，在“韦帕”台风作用下，墟沟港区淤厚在0.03～0.05 m之间；庙岭港区淤厚在0.05～0.06 m之间；旗台港区航道淤厚在0.10～0.20 m之间，港池淤厚在0.05～0.11 m之间。需要指出，“韦帕”台风[11]虽然最大风力只有8级，但由于作用时间较长，导致港区的淤积厚度也较大。

图12 港区月度淤积分布图 Fig.12 Monthly siltation distribution 图13 港区韦帕台风后淤积分布图Fig.13 Siltation distribution after Typhoon Wipha

4 淤积原因分析

连云港区为环抱式港区，在潮汐作用下，口门外含沙水体随涨潮水流进入港内，由于流速从口门向港内逐渐较小，加上口门环流，进入港区的含沙水体中粒径较粗的泥沙将有大部分先落淤下来，较细颗粒的泥沙也逐渐落淤；落潮期间，由于落潮流速小于涨潮流速，港内水体中未落淤的泥沙仍沿程落淤。因此，涨落潮过程中引起的悬沙落淤是港内淤积的主要形态。在上述动力条件下，淤强沿港内纵断面呈现出口门附近的淤积厚度最大，口门以内淤积厚度向港内逐渐减小的分布趋势。

而在大风浪作用下，口门外大范围泥沙发生悬浮，同时由于泥沙较细，被掀起的泥沙在潮流作用下被输向外海或向近岸输移，其中向近岸输移的部分泥沙进入港区造成港区淤积。而且当波浪强度较小时，港区淤积较小；当波浪强度较大时，港区淤积增大，与实测资料吻合。

综上所述，港区的泥沙主要来源于近岸浅滩泥沙，造成港区泥沙淤积的主要动力因素是波浪和潮流的共同作用。