唐山港曹妃甸港区纳潮河开通对流场影响研究

张 娜，赵雪夫，韩志远，陈 纯

(1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；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；3.中国人民解放军91053部队，北京 100070)

曹妃甸港区位于渤海湾的-30 m深槽水域，具有天然优良的水深条件。2003年3月，曹妃甸通岛公路开始建设，标志着曹妃甸大港建设正式拉开序幕[1]。同时，通道公路的建设也阻断了浅滩潮道(纳潮河)[2]。随后的10年间，曹妃甸开始大规模建港行动，吹填形成了大量陆域，并形成五个港池，分别为中区一港池、中区二港池、东区一港池、东区二港池和东区三港池。截止到2015年，中区一、二港池内已有部分码头建成，港池内除最内端保持自然水深外，大部分水域已疏浚至设计水深。2016年8月在对纳潮河大桥桥下进行挖掘以及潮流自然的冲蚀下切下纳潮河开通[2]。

很多学者都对曹妃甸围海造陆不同阶段流场进行了数模预测，但关注的主要是围海造陆对周边海域的影响。比如，戚健文[3]采用三维潮流数学模型对曹妃甸2009～2012和远期规划条件下流场进行模拟，分析不同阶段港池和甸头流速变化；王斌[4]应用SMS软件建立渤海二维潮流数学模型对曹妃甸围海工程前、近远期方案下水动力情况进行了模拟；陆永军[5]应用波流共同作用下二维泥沙数学模型研究了曹妃甸前岛后陆的港区围垦方案对水动力环境的影响问题, 包括该工程引起的曹妃甸甸头以南深槽、老龙沟深槽及各港池的流速变化及底床的冲淤变形等。孙钦帮[6]利用有限差分ADI 方法建立曹妃甸海域平面二维水动力数学模型，对曹妃甸工业区围填海工程前后曹妃甸海域的潮流场进行了模拟，分析了围填海工程对曹妃甸海域的影响范围及程度。

2014年后，曹妃甸围海造陆工作基本完成，各港池、码头泊位主要实施疏浚工作。2016年纳潮河开通一过水通道，现场实测资料显示，纳潮河的开通会对港池间流态产生一定的影响，因此本文在现场实测资料基础上，采用二维潮流数学模型，对纳潮河开通后流场进行了模拟，并对变化情况进行分析，为今后纳潮河不断拓宽，港内码头安全运营提供参考依据。

1 潮汐特征

图1 曹妃甸港区平面布置示意图Fig.1 Plane layout of Caofeidian port area

(1)根据2000年10月～2001年10月现场实测潮汐资料，曹妃甸海区潮汐形态数(HO1+HK1)/HM2=0.81，属于不规则半日潮。该海域的潮位特征值如下(基准面为当地理论最低潮面)。

年最高高潮位： 3.38 m 年平均低潮位： 1.07 m

年最低低潮位： 0.14 m 年平均高潮位： 2.47 m

年平均海平面： 1.77 m 年平均潮差： 1.40 m

(2)2015年6月28日～8月5日、2017年2月23日～3月9日布设T1(中区一港池口门内侧)、T2(中区二港池顶部)和T3(东区一港池)临时潮位站(站位见图1)进行潮位观测，潮位特征如下：

根据2015年6月28日至8月5日期间潮位统计可知：T1、T2、T3站平均潮差分别为1.65 m、1.80 m、1.56 m，平均高潮位分别为2.80 m、2.86 m、2.67 m，平均低潮位分别为1.14 m、1.05 m、1.12 m，平均潮位为1.97 m、1.96 m、1.94 m。3站的平均潮差和平均高潮位T2>T1>T3，平均低潮位T1>T3>T2，平均潮位为T1>T2>T3。

根据2017年2月23日至3月9日期间潮位统计可知：T1、T2、T3站平均潮差分别为1.54 m、1.65 m、1.51 m，平均高潮位分别为2.46 m、2.51 m、2.46 m，平均低潮位分别为0.91 m、0.85 m、0.93 m，平均潮位为1.69 m、1.69 m、1.73 m。3站的平均潮差T2>T1>T3，平均高潮位T2>T3=T1，平均低潮位T3>T1>T2，平均潮位为T3>T2=T1。与2015年数据相比，T3站与T2站的平均高潮位、潮差差值有所减小，这可能与观测期间东区港池和中区二港池已挖通有关。

2 现场潮流监测结果分析

2.1 纳潮河开通前流场特征

在曹妃甸港建设过程中分别于2005年3月、2006年3月、2006年7月、2007年7月以及2014年6月分别进行过全潮水文观测，多次监测结果显示：曹妃甸围垦陆域建设过程中，并没有改变该海域的整体潮流特征，水流依然呈现东西向往复流运动。涨潮时东侧来的涨潮水体一部分沿老龙沟航道向东区各港池填充，一部分向甸头方向流动，绕过甸头后分别进入中区一、二港池，直到填充到港池最内端。

落潮时水流基本呈反向流出，落潮水体从西侧而来，一部分分别进入中区二港池和一港池，一部分沿边界继续向东流动，经过甸头后继续向东，并于老龙沟航道下泄的落潮流汇合然后向湾外流出。在平面分布上，曹妃甸海域潮流流速具有甸头附近和东侧潮沟内流速较大，浅滩与外海流速稍弱的分布规律。由于岬角效应，甸头深槽为水流最强区，这也是深槽水深能够维持的主要动力因素。2014年6月现场实测流速矢量见图1中C1～C5。

2.2 纳潮河局部挖通后流场特征

2016年纳潮河开通一过水通道，过水通道在低潮位时宽度在45 m以内，实测水深小于4 m。2017年2月27～28日，在中区二港池和东区水域内布置了5个水文测站，对纳潮河局部开通后流态进行了监测，不同时刻流速矢量如图2所示。分析不同时刻流速情况可知：

C1～C4站基本为往复流，C2站涨潮主流向基本为SW向，落潮主流向基本为NE向，C4站则相反；C1站和C3站位于中区二港池中部，高潮位时为偏E向流，低潮位时为偏W向流。C5站位于中区二港池口门内侧，呈明显的环流特征。

C2、C4站涨、落潮平均流速为0.08～0.18m/s，垂线平均最大流速为0.21～0.40 m/s；C1站和C3站东、西向流的潮段平均流速为0.13～0.16 m/s，垂线平均最大流速介于0.22～0.31 m/s之间；C5站平均流速为0.07 m/s，最大流速为0.18 m/s。

实测潮流资料表明，纳潮河挖通后，受东西两侧传入潮波影响，中区二港池顶部潮波发生变形，呈现前进波的特征，高潮位时为偏E向流，低潮位时为偏W向流。

图2 二～三港池水域不同时刻潮流矢量(2017-02-28)Fig.2 Tidal current vectors at different times in harbour basin (2017-02-28)

3 数学模型建立及验证

3.1 模型建立及网格剖分

潮流计算采用Mike系列软件中的三角形网格水动力模块(FM模块)。该软件由丹麦水工所开发，可以应用于海洋、海岸、河口区域的二、三维水动力计算。FM模块采用三角形网格，在处理潮流动边界、复杂工程建筑物边界等方面具有强大的功能，在国内外许多工程项目研究中得到了广泛应用[7-10]。

图3 网格剖分示意图Fig.3 Sketch of grid mesh

为保证局部流场计算符合潮流场的整体物理特征，采用大、小两重模型以嵌套方式进行计算。大模型包含整个渤海海域。小模型范围包含了整个渤海湾，东西向最长约129 km，南北向最长约147 km。小模型开边界条件由大模型提供。计算域采用三角形网格剖分。大模型共9 030个网格节点，计算时间步长从0.01～60 s自动调节。小模型约52 400个网格节点，网格最大空间步长约5 000 m，最小空间步长约10 m，计算时间步长从0.01～5 s自动调节。小模型网格剖分如图3所示。

3.2 模型验证

采用2014年6月、2017年2月水文全潮资料对模型进行验证。部分验证曲线如图4所示。由实测与计算结果的比较可见，各测站的计算与实测潮位、流速、流向在连续的变化过程中都比较接近，基本满足现行《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》要求。总体上看，本报告所建立的潮流模型比较全面地反映了工程区附近海域的潮流运动规律，可对纳潮河开通后流场进行模拟，分析开通前后流场变化。

4-a 2014年6月

4-b 2017年2月图4 实测与计算潮位、流速、流向对比Fig.4 Comparisons between measured and calculated tidal level, current velocity and flow direction

4 纳潮河开通前后水流运动模拟

4.1 纳潮河开通前潮流特征

图5 工程前流场(左：涨潮；右：落潮)Fig.5 Flow field before engineering(Left: flood tide; Right: ebb tide)

纳潮河开通前，涨潮时东侧来的涨潮水体一部分沿老龙沟向东区港池填充，一部分向甸头方向流动，绕过甸头后分别进入中区一、二港池，受口门防波堤挑流，港内形成顺时针回流。落潮时，落潮水体从西侧而来，一部分分别进入中区二港池和一港池，一部分沿边界继续向东流动，经过甸头后继续向东，并与沿老龙沟下泄的落潮流汇合然后向湾外流出。纳潮河附近处于湾顶，中区二港池顶端，水流较弱。流场如图5所示。

4.2 纳潮河局部开通后潮流特征

图6 纳潮河开通后流场(左：涨潮；右：落潮)Fig.6 Flow field after the opening of the Nachao River (Left: flood tide; Right: ebb tide)

纳潮河开通后，涨潮时东侧来的涨潮水体一部分沿老龙沟向东区港池填充，一部分沿边界经甸头向东流动，然后经中区二港池口门进入向湾顶填充，在纳潮河西侧与东区涨潮水体汇合(图6)，涨急过后水体继续经过纳潮河向东运动，在纳潮河东侧与东区涨潮水体相汇；东区港池南侧水域水体始终保持向西运动趋势。落潮时，从西侧来的落潮流一部分进入中区二港池向内涌入，然后经纳潮河进入东区水域，待3 h后(落潮时刻，图6)，二港池内水流反向流动，由向北向里转为向南从口门流出，而三港池始终保持向东侧流出状态。由于中区一港池与其他港池没有联通，其涨潮呈现从口门向里，落潮呈现从口门向外流动趋势。中区一港池口门内5 km以内始终处于回流区。

纳潮河通道由于过水通道较窄，水深较浅，最大流速可达到1.7 m/s。中区一港池内流速较小，大部分在0.20 m/s以内。中区二港池流速呈口门外侧大，纳潮河通道处流速大，中间大部分流速在0.20 m/s以下。东区水域流速呈从西向东逐渐增大的趋势，流速基本在0.60 m/s以内。

4.3 规划实施后潮流特征

图7 规划实施后局部流速矢量图(左：涨潮；右：落潮)Fig.7 Vector map of flow velocity after the implementation of the plan (Left: flood tide; Right: ebb tide)

规划方案实施后，中区一、二和东区港池全部连通，并疏浚至设计水深，中区一港池设计水深-15 m，二港池分南北两部分，南侧设计水深-13 m、北侧设计水深-7 m，东区三个港池南侧水域设计水深-11 m。数模模拟得到(图7)，规划方案实施后，涨潮时东侧来的涨潮水体一部分沿老龙沟向东区港池填充，一部分沿边界经甸头向东流动，经三港池的涨潮水体会由纳潮河进入中区二港池，从二港池流出，并与口门外由东向西的涨潮流汇合。涨潮初期，中区一港池呈进流状态，口门处于回流区，待3 h后，受北部二港池水流影响，会有一小部分水体从北部涌入一港池，在一港池内形成两股水流的顶托，一港池内水体流向不断向南偏转，但口门5 km内始终处于回流区内。

落潮时，水流基本呈反向，西侧来的落潮水流一部分进入中区二港池后再经东区老龙沟航道流出，一部分沿边界向东流动，并与老龙沟下泄的落潮流汇合然后向湾外流出。待落急过后，从纳潮河东侧水体反向，中区二港池内水体向南转向从口门流出。东区港池南侧水体始终处于向东侧流出趋势。落潮初期，中区一港池北部水体进入二港池，南侧处于逆时针回流区，随落潮进行，一港池水体呈现向口门流出状态，待低潮位时呈现向里流动趋势。

从流速数值角度，规划实施后，外海流速分布基本没变，二港池内流速明显加大，纳潮河通道处最大流速接近0.8 m/s，从纳潮河向西流速基本呈减小趋势；一港池流速呈现两头大中间小趋势，口门和位于二港池相交的北端流速较大，但最大流速基本在0.30 m/s以内。

4.4 纳潮河开通影响分析

结合以上流场分析结果可知，纳潮河开通后，虽然没有改变大范围潮流运动特征，但是对中区一、二港池和东区航道北部水域水流运动会产生一定影响。开通前，纳潮河两侧为涨潮汇集点，但局部开通后，涨潮期间水流会从东区流向二港池，在二港池内与从口门而入的涨潮流汇合，落潮时东区大部分水体沿老龙沟向外海流出，而少量会通过二港池流出；待纳潮河全部开通并疏浚至设计水深，形成三港池连通后，涨潮时水体会经由三港池向二港池流动，而落潮时二港池内一部分经二港池口门流出外，部分水体经东区水域沿老龙沟航道流出，可见，随着纳潮河开通及浚深，曹妃甸港池内水流流动趋势发生了变化，且纳潮河开通后竣深，一、二港池及东区老龙沟航道水域均为流速增加，增加幅度在0.02～0.32 m/s，对船舶靠泊可能会带来一定的安全隐患，需要引起关注。

将纳潮河全部开通并疏浚至设计水深，形成三港池连通前后工程海域全潮平均流速对比可知，纳潮河开通后，中区一港池全潮平均流速增加，增幅在0.03～0.13 m/s之间；涨落潮最大流速为0.45 m/s，较工程前增加0.21 m/s，增幅93%。中区二港池涨落潮最大流速为0.44 m/s，较工程前减小了0.25 m/s，减幅37%；全潮平均流速有增有减，变化数值在-0.02～0.15 m/s之间。纳潮河通道内涨落潮最大流速为0.48 m/s，较工程前减小了0.21 m/s，减幅30.3%；全潮平均流速变化数值在-0.02～0.17 m/s之间。东区老龙沟航道内涨落潮最大流速为0.87 m/s，较工程前增加0.03 m/s，增幅4%；全潮平均流速增加0.01～0.12 m/s之间。

甸头附近流速略有变化。华能码头前流速以减小为主，最大流速最大减小数值为0.21 m/s，减小幅度为24%以内，平均流速减小数值在0.04～0.11 m/s，减小幅度在8%～24%之间。矿石码头前流速变化幅度较小，以略有减小为主，最大减幅在2%以内。原油码头前流速有增有减，最大流速变化数值为0.06 m/s，变幅为6%，全潮平均流速变幅4%以内。LNG码头前最大流速变化数值最大为0.06 m/s，变幅6%，平均流速变化数值最大为0.04 m/s，变幅为7%，呈减小趋势。

5 结语

本文采用现场实测和数值模拟两种手段对纳潮河开通前后流场进行了研究，结果表明随着纳潮河局部开通，港池内局部水流运动特征发生了变化：

(1)曹妃甸建港期间，纳潮河一直呈封堵状态，涨潮时涨潮水体分别从老龙沟航道和中区二港池涌入，填充至纳潮河封堵处，落潮时反向流出，即纳潮河封堵处为分流点。纳潮河局部开通后，纳潮河两侧涨落潮期间水流流态会发生变化。涨潮期间，水流会经过老龙沟航道进入二港池，而落潮期间，二港池北部一部分水流也会经东区老龙沟航道流出，表明纳潮河开通后，其分流点向二港池方向移动；

(2)总体规划实施，即中区和东区港池连通且疏浚至设计水深后，涨潮水体会经老龙沟航道进入二港池并从二港池口门流出的趋势，落潮期间，二港池一部分水体经二港池口门流出，一部分会经老龙沟航道流出，表明纳潮河的开通对港池局部流态产生了一定影响，但不会影响甸头及两侧大范围流场；

(3)纳潮河开通后，中区一、二港池及老龙沟航道水域均为流速增加，增加幅度在0.02～0.32 m/s，增加比率可达到150%以上，给船舶靠离泊可能会带来一定的安全隐患，需要引起关注，建议下一步开展通航安全论证研究。