连云港埒子口海域潮动力特征及其变化

2020-12-30邹春蕾王志力

海岸工程 2020年4期

邹春蕾,王志力,甄峰,徐欢

(1.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司,江苏南京210029;2.南京水利科学研究院河流海岸研究所,江苏南京210024)

埒子口位于江苏省连云港市徐圩新区灌云县境内,是沂沭泗流域沂北地区主要入海外排口门之一,是烧香河(含烧香支河)、古泊善后河、车轴河、东门五图河和牛墩界圩河五条河道的共用出口处。沂北地区位于江苏省东北部,是江苏省17个水利分区之一。该区南至新沂河,西、北至总沭河和苏鲁省界,东临黄海,行政区包含连云港市区、赣榆区、东海县、灌云县的全部和新沂市、沭阳县的一部分。20世纪50年代,在埒子口陆续兴建了烧香河闸、善后河闸、车轴河闸、五图闸和图西闸,沂北地区涝水从埒子口排出[1]。挡潮闸多年运行之后,由于埒子口闸下港道过长,涨潮流携带的泥沙在闸下逐渐淤积,导致埒子口排水不畅,进而造成沂北地区洪涝灾害频繁发生。近年来,随着连云港30万吨级航道建设,徐圩港城港区和灌河口导流堤建设,埒子口所在海域从开放式海岸变成半封闭式海岸,埒子口海域的潮流动力也随之改变。因此,研究埒子口海域潮流动力特征及其对周边海岸工程(徐圩港防波堤和灌河口导堤)的响应,对治理埒子口闸下淤积和解决沂北地区排水不畅问题具有重要意义。

连云港港口是我国海运的重要组成部分,自20世纪70年代以来,众多学者对连云港的潮波动力特征、沉积物和沉积环境特征以及海岸演变机制等做了大量的研究[2-6]。在数值模拟方面,林岩等[7]模拟了连云港旗台防波堤建成前后港区的潮流特性变化;张玮等[8]建立了潮流数学模型分析环抱式防波堤对潮汐的影响,指出连云港外海潮流以旋转流为主,环抱式防波堤对潮流流矢基本无影响,环抱式防波堤附近的流矢从旋转流到往复流的过渡变成沿防波堤的往复流;丁军华等[9]从港池平面形态、航道横流和口门流速等方面研究了徐圩港工程不同的布置形式对航道的影响;谢军等[10]建立了三维潮流数学模型模拟台风“韦帕”作用下的潮流场,研究大风天对潮流的影响。

前人的数值模拟研究主要针对工程布设对自身的影响,极少关注工程对其附近海域的影响,所以,本文将建立基于有限体积法离散二维浅水方程的数值模型,进一步模拟研究埒子口的潮流动力特征及其对徐圩港防波堤和灌河口导堤工程的响应,以期为治理埒子口闸下淤积问题提供参考。

1 水动力模型简介

利用由Wang等[11]开发的二维水动力模型,该模型控制方程为基于水深平均的浅水方程:

式中,t为时间;x,y为空间平面方向;h为水深;u,v分别为x,y方向的流速;Pa为水面大气压力;ρ为水的密度;zb为床底高程;g为重力加速度;τax,τay为风载的作用力;τbx,τby为床面切应力;f为科氏力系数,其中为地球自转角速度,是当地纬度。

2 计算区域与模型设置

2.1 计算区域

建立了埒子口及口外海区的水动力模型,计算区域如图1所示。模型以北至青岛市黄岛区、南至江苏省射阳县的岸线为闭边界,开边界设置在外海40 m 等深线附近,向南北延伸与闭边界相交。计算区域沿岸方向距离251 km,离岸方向距离157 km,计算区域面积22 505 km2。

图1 计算区域Fig.1 Computational domain

模型计算网格采用非结构网格系统,非结构网格系统可以处理复杂边界并可对局部计算区域加密。外海网格较为稀疏,埒子口及其附近区域网格加密,网格共有65 344个单元、57 947个节点,最深处40.56 m,最浅处4.54 m,最大边长3 143.6 m,最短边长9.8 m,网格布置如图2所示。坐标系统采用“北京54坐标系”(X和Y坐标为“北京54坐标系”平面坐标值,单位为m),高程系统采用“1985国家高程系统”。

2.2 模型设置

大范围的近海模型通常采用水位控制开边界,因为水位沿横断面的变化较小,潮波传播到研究区域时与实际情况相符。对小范围模型而言,如果仅用潮位控制开边界,外海潮波的重力势能得到体现,但潮波的传播动能没有被反映,研究区域潮波的计算流速与实际流速不符,因此小范围近海模型采用水位和流速共同控制开边界[12]。本文首先建立了渤、黄海大范围潮流数学模型,开边界数据采用潮汐预报系统NAO.99b的计算结果。用实测水文资料验证渤、黄海模型的准确性后,从其模拟结果中提取埒子口模型开边界位置对应的水位和流速数据,作为埒子口开边界的控制条件。

水深数据来自潮连岛到射阳河口海图。时间步长取为60 s,实际计算中,根据方程稳定性条件,时间步长自适应。

图2 埒子口及其附近海域网格分布Fig.2 Grids in the Liezikou and its adjacent sea areas

3 结果与分析

3.1 模型验证

验证资料为2006年1月长江下游水文水资源勘测局在连云港南北港区进行的冬季同步全潮水文测验成果[13],验潮站有6个,流速测验点有12个(图3)。

由埒子口潮动力模型的潮位验证(图4)和流速流向验证(图5)结果可知,该海域高潮位约为3 m,低潮位约为-3 m,潮差小于6 m(图4);外海以旋转流为主(图5d～图5j),近岸以往复流为主(图5a和图5k),潮流流速一般不大于1 m/s(图5a～图5j);其中11#点流速较大,主要是因为11#点在灌河深槽位置,受灌河径流影响较大。模型计算所得潮位过程、流速流向过程在相位和数值上与实测值吻合较好,也与实际情况符合,这说明模型能够反映埒子口海域的潮流动力特性。

图3 水文测验测点布置Fig.3 Layout of hydrographic survey points

图4 6个验潮站潮位验证Fig.4 Verification of tide level at 6 tidal stations

图5 12个测验点流速流向验证Fig.5 Verification of current velocity and direction at 12 measuring points

3.2 埒子口海域潮流特性

埒子口海域为正规半日潮,一个太阴日内出现两次高(低)潮。由于潮波的浅水变形,涨潮历时与落潮历时不等,涨潮平均历时5 h 30 min,落潮平均历时6 h 48 min,平均潮差约3.4 m。涨潮流速大于落潮流速。潮位与流速的相位在南、北部有明显差异,最大流速出现在高、底平潮阶段,涨、落潮过程中最大流速值出现在中潮位附近。

由埒子口海域未修建徐圩港防波堤和灌河口导堤时的涨、落急流场图(图6)可以看出:连云港外海深水区为逆时针旋转流,近海为沿岸往复流;涨潮时潮流由沿岸(SE 向)的涨潮流和外海的向岸方向(SW向)涨潮流组成,埒子口以SE向涨潮流为主;落潮时水流由近岸的NW 向逐渐转为N 向直至外海的NE向。流速分布方面,从外海至近岸流速逐渐减小,外海流速一般不大于1 m/s,近岸垂线平均流速低于0.5 m/s,涨急时刻流速略大于落急时刻流速。由余流的计算结果表明,埒子口海域余流方向为SE 向,近似与岸平行,灌河口沙嘴处余流受地形影响向东偏转,余流流速表现出“外海小,近岸大”的分布特点,余流最大流速约为0.12 m/s。

图6 工程前涨、落急时刻流场Fig.6 Maximum flood and ebb flow fields before the projects

3.3 徐圩防波堤和灌河口导堤对潮动力的影响

3.3.1 工程概况

徐圩港区由东、西防波堤形成环抱型港湾,两条防波堤之间海岸线总长约13 km,口门离岸距离9.5 km,口门位于5 m 等深线附近。东、西防波堤从现有海堤至港区口门一次形成,防波堤总长约为22.0 km。港内最终可形成约34.6 km 码头岸线,形成后方陆域约48.71 km2。于2012 年10 月开工建设,2017年6月建成。

灌河口为灌河入海口,海域海岸线大致为NW-SE 走向。灌河口海域水下地形平坦,5 m 等深线离岸约12 km 左右,10 m 等深线离岸约19 km,近岸水深小,低潮位时近岸露出大片滩涂。2012年灌河口建成双导流堤。

3.3.2 潮流动力变化

在海岸线和徐圩港东防波堤附近,潮流为沿堤岸的往复流,随着向外海推移,潮流的旋转性质逐渐凸显。受工程建筑物的影响,涨潮时潮流从外海的SE向在徐圩港东防波堤附近为沿堤向(S向),东防波堤与灌河口导堤之间海域的涨潮流以SE向涨潮流为主。埒子口口门处涨潮流由SE向转至S向,与灌河口之间的近岸处以SE向沿岸流为主(图7)。相比于未修建工程时,外海涨潮流速基本不变,徐圩港防波堤和灌河口导堤建筑物内流速普遍减小,埒子口口内流速也减小。

当落潮时,水流由近岸的NW 向逐渐转为N 向直至转为外海的NE向。外海落潮流速略小于涨潮流速,且小于未修建工程时的落潮流速;徐圩港防波堤口门处和灌河口导堤堤头处流速大幅增大,最大流速可达1.9 m/s。余流除在徐圩港东防波堤附近为沿堤向(S向)外,仍以SE 向为主,余流流速基本不变。

徐圩港防波堤和灌河导堤工程建设后,埒子口潮流的平均流速发生变化(图8)。受工程影响,埒子口海域的涨、落潮平均流速都减小。涨潮时,徐圩港防波堤附近平均流速减小0.1～0.2 m/s,灌河口西导堤附近平均流速减小可达0.3 m/s,埒子河的平均流速减小0.1 m/s以上。落潮时,河道内流速略微增加,埒子口区域平均流速减小0.1～0.2 m/s,灌河口西导堤附近平均流速最大减小幅度可达40%。

在埒子口内选取9个取样点(位置见图9),比较工程前后最大涨潮流速、最大落潮流速变化(表1)可知,修建徐圩港防波堤工程和灌河口导堤工程后,埒子口最大涨潮流速和最大落潮流速的变化都呈减小的趋势。可以看到,工程对涨潮流速的影响更大,大多数点(除1#、3#、5#外)的最大涨潮流速变化值大于最大落潮流速的变化值;越靠近工程区域,流速受影响越大,7#点最大涨潮流速减小0.1 m/s,远大于其他点的变化幅度。

图7 工程后涨、落急时刻流场Fig.7 Maximum flood and ebb flow fields after the projects

图8 工程后埒子口平均涨、落潮流速变化Fig.8 Changes in the average current velocity of flood and ebb tides in the Liezikou area after the projects

表1 修建工程后埒子口最大涨潮流速和落潮流速变化值Table 1 Variations of the maximum flow velocities of the flood and ebb tides after the projects

图9 埒子口内9个取样点的位置Fig.9 Location of the 9 sampling points in the Liezikou area

徐圩港防波堤和灌河导堤工程实施后,对埒子口区域产生较大影响。防波堤与导堤之间形成了遮蔽区,平均流速减小,流速减小范围从近岸至外海,而防波堤堤头的南侧受到堤头的挑流作用,流速略有增加。埒子口口内涨、落潮平均流速均降低,埒子河流速减小10%以上。由于外海潮流特性基本不变,挟沙能力不发生改变,而埒子口潮流动力减弱,外海潮流携带的大量泥沙进入埒子口后流速减小,泥沙沿程淤积,挡潮闸闸下淤积将影响埒子口的排水能力,降低沂北地区的防洪排涝标准。因此,相关航运和河闸管理部门应采取措施及时疏浚河道,治理淤积泥沙,保证埒子口排水通畅。