天津港大沽口港区三维潮流数值模拟

肖立敏，孙林云，孙 波，韩 信，刘建军

(1. 南京水利科学研究院河流海岸研究所，江苏 南京 210029；2. 河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；3. 港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，江苏 南京 210024)

天津港大沽口港区位于渤海湾西北侧的海河口南侧，见图1。港区现已建成10万吨级大沽沙航道，底宽375 m、底高程-14.5 m(当地理论基面)。口门防波堤东、北堤分别建至C、G点，形成喇叭状，口门位于航道里程16+000附近，宽度1 360 m。现状布置条件下，港内波浪掩护效果较差。为改善泊稳条件，结合港区规划，拟延伸口门东、北防波堤。延伸段防波堤走向与航道平行，东防波堤延伸1 500 m至D点，为出水堤，堤顶高程5.0 m；北防波堤延伸2 350 m至I点，其中1 500 m为出水堤(GH段)，850 m为潜堤(HI段，堤顶高程为2.5 m)。延伸方案见图2。

图1 港区平面布置及大潮分层流速矢量图

图2 港区平面布置方案

水流条件是港区口门防波堤建设需要重点考虑的问题之一。一些学者针对渤海湾内的潮流特性开展了研究，如张越美等[1]基于河口、陆架和海洋模型(ECOM)建立了渤海湾三维变动边界潮流模型；孙长青等[2]、陈昌波等[3]分别模拟了渤海湾二维和三维潮流分布；吴相忠等[4]模拟了黄骅港三维潮流流场；肖立敏等[5]建立平面二维潮流数学模型，研究了天津港大港港区口门潮流特性。以往研究主要针对渤海湾大范围潮波系统或港口工程的二维水流特性。鉴于潜堤等复杂建筑物，为了更好地模拟，建立三维潮流数学模型，分析大沽口港区防波堤延伸布置下的潮流分布，从水流条件角度，为口门布置提供依据。

1 潮汐潮流概况

工程海域潮汐类型属不规则半日潮，日潮不等现象明显，涨潮历时约为5.5 h，落潮历时约为7 h。历年平均高、低潮位为3.77和1.34 m，平均潮差2.43 m。

2013年10月在工程区附近共布置了5条垂线(V1～V5)。大潮分层流速矢量图见图1，口门附近V5点的分层流速流向过程对比见图3。从流速平面分布来看，港区附近海域，潮流以往复流运动为主。港区所在海域为潮流分流点，涨潮时，部分水流向北侧的天津港方向偏转，部分水流向南偏转。落潮时，则反之。从流速大小来看，V2～V5水深均在5.5 m左右，涨潮最大流速在0.57～0.66 ms，落潮最大流速为0.49～0.60 ms。港区内的V1处水深在18 m左右，流速相对较小，涨落潮最大流速为0.27 ms。从流速垂线分布来看，表层流速要略大于0.6h水深处流速，底层流速明显较小。以V1点为例，表层、0.6h水深和底层最大流速分别为0.27、0.23和0.14 ms。从流向上看，各层分布较为一致，V1处上述3层涨急时刻流向分别为297°、298°和282°。

图3 实测大潮V5处分层流速和流向过程对比

2 三维潮流数学模型建立及验证

2.1 控制方程

数学模型采用正交曲线坐标(ξ，η)，在垂直方向上采用σ坐标。连续方程为[6-7]：

(1)

ξ和η方向的动量方程为：

(2)

(3)

2.2 模型建立与验证

模型范围涵盖整个渤海湾。模型网格步长约800 m，在工程区附近加密至100 m，局部区域加密至20 m，见图4。沿水深方向分为12层，其中最上面两层和最下面两层占水深的比例均为5%，其余8层占水深的比例均为10%[8]。采用2013年10月现场大潮全潮水文测验资料，对模型进行验证。测验内容包括2个临时潮位站的潮位以及5条垂线的分层流速、流向。

图4 模型网格

模拟的渤海湾海域大潮涨急垂线平均流场见图5。大沽口港区附近海域涨、落急时刻表层和底层流速的分布对比见图6。从平面分布来看，涨潮期间，外海水流基本沿着垂直于岸线方向朝近岸运动，水流进入港区，受已建东、北防波堤影响，在口门附近流速较大，且主流基本沿着平行于北防波堤出水堤方向运动，并形成逆时针回流区域。落潮流态与涨潮流态大致相反，口门附近水流与航道夹角较大。从分层流速分布来看，底部流速明显要小于表层流速。两层流速的流向基本一致。流速平面分布以及垂线分层分布及其变化趋势与实测结果较为一致。

图5 模拟的渤海湾垂线平均涨急流场分布

图6 现状方案口门附近涨落急分层流速分布

实测大潮时段计算的潮位过程与实测值的对比见图7，计算的潮位与实测吻合较好，高、低潮潮位、相位均比较吻合。V5处表层、0.6h水深以及底层的流速、流向计算值与实测值的对比见图8，计算值与实测值均吻合较好。上述验证结果表明，建立的三维模型能较好地模拟工程区海域潮汐潮流动力特性。

图7 潮位过程验证曲线

图8 V5处分层流速和流向过程验证曲线

3 计算结果分析

3.1 水流流态

东、北防波堤延伸方案大沽口港区附近海域涨、落急时刻0.6h水深处流场分布见图9。可以看出，涨潮期间，由于受到平行于航道的东、北防波堤延伸段的作用，在该束窄段流速相对较大，流向基本上与航道平行，水流进入港区后流速逐渐减小，且口门区回流基本消失。落潮时，水流流态较为平顺，与航道夹角较现状方案明显减小。东、北防波堤延伸段形成后，港区口门附近水流流态有明显改善，有利于船舶航行。

图9 东、北防波堤延伸方案涨落急垂线平均流速分布

3.2 水流流速

涨、落潮期间，东、北防波堤延伸方案沿航道中心轴线表层、0.6h水深和底层的最大流速沿程分布见图10。0.6h水深沿程流速分布较表层略小，底层流速明显要小。涨潮期间，上述3层最大流速依次为0.64、0.60和0.44 ms，出现在航道里程16+500处，即延伸段起点附近；落潮期间，最大流速依次为0.53、0.51和0.37 ms，出现在航道里程17+000处，即东堤、北堤延伸段出水堤堤头附近。各层涨潮流速均强于落潮流速。

注：+为涨潮，-为落潮。

统计分析东北防波堤延伸方案实施前后表层和0.6h水深处最大横流沿程分布，见图11。相同口门布置条件下，表层和0.6h水深处横流沿程分布基本相同，主要是在航道里程15+000～18+000处，前者略大于后者。现状条件下，涨、落潮期间，由于口门内水流较强，且与航道夹角较大，横流也相对较大，0.6h水深处最大横流速度分别为0.33和0.23ms，分别位于航道里程14+000和13+000附近。东、北防波堤延伸段工程实施后，横流较现状方案明显减小，0.6h水深处涨、落潮最大横流流速分别为0.15和0.12 ms左右，出现位置均在航道里程14+000处。计算结果表明，防波堤延伸方案实施后，航道口门附近水流更为平顺，横流进一步减小。

注：+为涨潮，-为落潮。

4 结论

1)实测和潮流数学模型结果均表明，天津港大沽口港区附近表层与0.6h水深处流速大小较为接近，底层流速明显较小。上述3层流向基本一致。

2)大沽口港区现有口门防波堤呈喇叭状，涨潮期间，口门附近流速较大，且口门区有回流；落潮时水流与航道夹角较大。口门航道处横流相对较大。

3)大沽口港区口门东、北防波堤延伸工程实施后，口门航道附近水流流态明显改善，横流流速也进一步减小，有利于船舶通行。

4)从水流条件考虑，大沽口港区东、北防波堤延伸走向与航道平行，并分别延伸1 500和2 350 m，是较为适宜的。口门延伸布置方案综合考虑波浪泊稳和泥沙淤积予以确定。