苏北大丰港海域航道临时抛泥区悬沙扩散影响研究

罗小峰，路川藤，张功瑾，丁 伟

(1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029; 2. 河海大学，江苏 南京 210098)

大丰港位于盐城市南部，港口东侧有小阴沙、飘儿沙掩护，南侧有苏北辐射沙洲，受此特殊地理条件的影响，大丰港的长栈桥式码头为苏北淤泥质海岸建港提供了示范作用。目前码头三期工程已完成(如图1所示)，同时，15万吨级航道工程亦在建设。码头或航道在维护建设中，常常涉及疏浚土的处理问题，当前疏浚土多被二次再利用，但仍有相当多的疏浚土以外抛方式重新进入海洋[1]。

图1 大丰港区工程现状Fig. 1 The engineering of Dafeng Port

疏浚船抛泥产生的悬浮泥沙，其扩散输移范围和浓度变化会对海洋环境产生不利影响，悬浮泥沙引起的水质环境改变对海洋生态系统和水生生物亦会产生不利影响。关于疏浚抛泥扩散的研究比较多，主要分为以下二个方向：一是根据实验资料或者实测资料，探究施工期间悬浮物的扩散与输移机理，分析和归纳其中的运动规律。孙连成[2]分别采用了现场水文测验、抛泥追测实验以及中子活化示踪等多种测试手段对珠江口伶仃洋抛泥区的泥沙运动规律及其对航道的影响进行了分析研究。冯俊[3]采用多固定断面法对长江口耙吸船作业过程的溢流疏浚土及北槽内贮泥坑、抛泥区的疏浚土扩散情况进行了观测，深化了对长江口疏浚土扩散特性的认识，并改进了疏浚溢流和疏浚土处理的时间控制措施。二是通过运用数值模拟技术，将实际情况概化到模型中去，计算并预测施工过程中产生的悬浮物影响范围。郭玉臣等[4]建立罗源湾倾倒区二维潮流和悬浮泥沙输移扩散数学模型，预测倾倒区疏浚泥倾倒过程中含沙量增量及影响范围。丁琦等[5]认为拟设抛泥点的流向偏向航道一侧时进行抛泥作业，所产生的悬浮泥沙能较快地沿水流方向扩散，高含沙水体的存在时间及扩散距离均较短，对临近航道含沙量的影响很小。

由于现场试验条件的限制，关于悬浮泥沙扩散的研究目前以数学模型为主，部分学者对悬浮泥沙输移扩散的影响因子进行了量化和探讨。李思远等[6]通过研究，认为风对悬浮泥沙的运动轨迹、扩散速度和扩散范围非常敏感，实际计算中应考虑风场作用。陈翔等[7]研究了悬浮泥沙在不同本底含沙量和不同水深条件下的扩散状况，认为水深对悬浮泥沙扩散的影响更大。张世民等[8]通过三维数值模型研究，认为潮流和风场主要改变增量范围，抛泥点位置即水深会导致增量最大值出现较大的差异。

近年来，随着港口规模的发展，大丰港开展了15万吨级航道的工程建设，由于地理条件的特殊性以及节省抛泥成本的需要，航道疏浚土以外抛形式为主。这里以大丰港抛泥区抛泥为研究对象，探讨在苏北辐射沙洲海域的水动力条件下，抛泥区抛泥的悬沙输移扩散特征，为大丰港码头及航道的建设提供技术支撑。

1 大丰港海域水动力特征

大丰港水域离辐射沙洲顶点较近，处于潮差大的强潮区，潮汐性质属规则半日潮。大丰港海域为强海流区，主流向与岸线大致平行，近似呈南北向往复流，涨潮流向偏南，落潮流向偏北，向岸一侧的滩地潮流表现出与主流较大角度的漫滩归槽流，涨潮动力强于落潮，大潮动力大于小潮，如图2所示。据实测资料可知，最大流速靠近中潮位，属于驻波为主的混合波，如图3所示。

图2 垂线平均流速矢量图(2017年夏季水文测验，下同)Fig. 2 Vertical average velocity vector

图3 大丰港海域潮位与潮流相位关系Fig. 3 The relationship between tide level and current phase

2 数学模型

2.1 控制方程

在笛卡尔直角坐标系下，根据静压和势流假定，沿垂向平均的二维潮流泥沙控制方程可表述为：

(1)

(2)

(3)

(4)

采用有限体积法对水动力泥沙方程进行离散，其具体离散方法参考文献[9]。

2.2 模型范围与参数

数学模型北边界至射阳河口北约30 km，南边界至竹港南32 km，模型总长约150 km，总宽度约65 km。数学模型网格采用三角形网格，网格总数119 557个，最小网格边长53 m，最大边长约为2 820 m。时间步长取10 s，糙率取0.013+0.012/H，紊动黏性系数取k1HU*(k1=0.8，U*为摩阻流速)，动边界水深0.02 m，悬沙扩散系数取k2HU*(k2=2.0)。模型边界采用潮位控制，由潮汐预报软件Naotest模型提供，并通过数学模型验证对边界控制潮位进行修正。

2.3 水动力验证

采用2017年6—7月大潮和小潮资料对模型进行验证，验证点位置见图4。潮位验证的相似性良好，个别计算值偏差相对较大，大部分潮位误差小于0.1 m，见图5；潮流流速偏差基本在10%之内，流向实测值与计算值基本一致，见图6；含沙量计算值与实测值吻合较好，见图7。说明建立的数学模型能够反应苏北辐射沙洲海域的潮流泥沙运动特征。

图4 数学模型范围与网格示意Fig. 4 The range and grids of mathematical model

图5 潮位验证 Fig. 5 Tidal level verification

图6 潮流验证Fig. 6 Tidal current verification

图7 含沙量验证Fig. 7 Sediment concentration verification

3 抛泥区水质点运动轨迹分析

图8为临时抛泥区大潮涨落潮期间水质点24 h的运动轨迹图，水质点的运动轨迹代表了通量的输移方向，通过分析水质点运移路径，可增强对悬浮泥沙输移方向及范围的判断。水质点运动均为南北向运动，往复流特征明显。涨潮时，水质点轨迹较为集中，1个大潮过程水质点最远运动到4#锚地；而落潮时，水质点轨迹较为分散，且水质点轨迹逐渐向东偏移，1个大潮过程水质点最远运动到抛泥区北侧约18 km。图9为临时抛泥区小潮涨落潮期间水质点24 h的运动轨迹图。由图9可知，小潮期间水质点运动轨迹路径相对集中，相比大潮，运动范围明显较小。

图8 临时抛泥区大潮落初和涨初水质点运动轨迹(24 h)Fig. 8 Trajectory of water points in spring (24 h)

图9 临时抛泥区小潮落初和涨初水质点运动轨迹(24 h)Fig. 9 Trajectory of water points in neap (24 h)

4 抛泥区悬沙扩散影响研究

4.1 源强确定方法

单次抛泥悬沙增加浓度由下式计算：

式中：Sc为单次抛泥悬沙浓度增加值，kg/m3；Q为单次抛泥疏竣土方量，由年抛泥控制总量除年抛泥次数得到，本文疏浚船为万方大耙，Q取10 000方；γ0为泥沙干容重，kg/m3；P为疏竣泥沙产生的悬沙比例，按照经验，P取值10%，由于本次抛泥区处于开阔海域，参考长江口北槽疏浚船抛泥流失率，P值适当提高至15%[10]；Vc为抛泥时刻计算单元的水体体积。

经计算，万方大耙一次抛泥形成的单个计算单元源强约为5 kg/m3，考虑到航道或码头疏浚期间，抛泥区每天会有若干次抛泥，使抛泥区长时间保持高含沙浓度状态，因此假设整个抛泥区含沙量为5 kg/m3。

根据文献[7]的研究，在悬浮泥沙扩散的计算中，本底含沙量对泥沙增量大于0.05 kg/m3的包络线面积影响相对较小，因此，在悬浮泥沙扩散的计算中，不考虑本底含沙量，仅计算悬浮泥沙增量。

4.2 不同潮流时刻抛泥扩散影响

为模拟临时抛泥区抛泥悬沙扩散特征，计算潮型选取大—中—小和小—中—大两种，分别见图10和图11，连续计算7天。大—中—小潮型，抛泥时间分别选择涨憩(落初)、落急、落憩(涨初)、涨急四个时刻，如图10；小—中—大潮型，抛泥时间分别选取落憩和涨憩，见图11。

图10 大丰站大—中—小潮型Fig. 10 Spring-middle-neap tide

图11 大丰站小—中—大潮型Fig. 11 Neap-middle-spring tide

图12分别为大潮涨初、涨急、落初、落急7天后的泥沙输移扩散包络线范围。

图12 大潮型泥沙输移扩散范围包络线Fig. 12 Envelope of sediment transport and diffusion range in spring tide

大潮涨初抛泥后，高浓度含沙水体呈南北条状形态，轴线与航道基本平行，主要影响抛泥区南部水域。4#锚地北侧，含沙量有所增大，幅度小于1 kg/m3，1#、2#、3#锚地西侧含沙量增幅大于东侧，幅度超过1.5 kg/m3。一期码头东侧航道处，含沙量有所增大。大潮涨急抛泥后，高浓度含沙水体呈南北条状形态，轴线与航道存在一定的夹角，影响抛泥区南北侧水域，其中南侧影响范围大于北侧，基本不改变现有航道的含沙量，3#锚地中北侧，含沙量有所增大，幅度小于0.2 kg/m3，4#锚地含沙量不变。落初抛泥后，主要影响抛泥区北部水域，1#锚地，含沙量有所增大，幅度小于1 kg/m3，2#、3#、4#锚地含沙量基本不变，航道拐弯以北处，含沙量有所增大。落急抛泥后，含沙量增幅范围包括抛泥区南、北侧水域，高含沙水体主要聚集在抛泥区北侧，1#锚地，含沙量增加幅度超过1.5 kg/m3，2#、3#锚地，含沙量增幅约为0.2～0.5 kg/m3，4#锚地含沙量基本不变，现有航道处，含沙量基本不变。

通过不同时刻抛泥的包络线范围分析，涨憩时刻抛泥悬浮泥沙包络线范围最大，其次为涨急，落憩时最小。经统计，涨憩时泥沙增量大于1.5 kg/m3的包络线面积比落憩时大38%左右，增量大于0.3 kg/m3的包络线面积大46%左右。

图13为小潮涨初、落初时刻抛泥7天后的泥沙输移扩散包络线范围。

图13 小潮型泥沙输移扩散范围包络线Fig. 13 Envelope of sediment transport and diffusion range in neap tide

小潮涨初抛泥后，高浓度含沙水体呈南北条状形态，主要影响抛泥区南部水域。4#锚地北侧，含沙量有所增大，幅度小于1 kg/m3；1#、2#、3#锚地含沙量最大增幅超过1.5 kg/m3；一期至三期码头东侧航道处，含沙量有所增大，幅度小于0.3 kg/m3。落初抛泥后，主要影响抛泥区北部水域。1#锚地，含沙量有所增大，幅度小于0.5 kg/m3，现有航道处，含沙量基本不变。与大潮抛泥相比，小潮涨初泥沙增量大于1.5 kg/m3的包络线面积减小约3.5%，增量大于0.3 kg/m3的包络线面积减小约25%；小潮落初泥沙增量大于1.5 kg/m3的包络线面积减小约1.2%，增量大于0.3 kg/m3的包络线面积减小约31%。

5 结 语

建立苏北辐射沙洲大丰港海域二维潮流泥沙数学模型，研究了航道临时抛泥区抛泥对周边水域的影响，主要结论如下：

1) 临时抛泥区水质点轨迹呈明显的往复流形态，大潮涨落潮水质点流路存在一定分歧，小潮涨落潮流路分歧较小。

2) 抛泥区抛泥后，高浓度含沙水体呈南北条状形态，轴线与航道基本平行，主要影响抛泥区南、北侧水域。涨急和涨憩两个时刻抛泥，对航道略有影响，落急和落憩抛泥对现有锚地影响较大，对航道基本没有影响。

3) 抛泥区涨憩时刻抛泥，悬浮泥沙包络线范围最大，其次为涨急，落憩时最小。涨憩时泥沙增量大于1.5 kg/m3的包络线面积比落憩时大38%左右，增量大于0.3 kg/m3的包络线面积大46%左右。