南通港东灶港作业区码头工程潮流数值模拟及泥沙回淤计算分析

2021-05-12徐孟飘

水道港口 2021年1期

戴勇，徐孟飘

(华设设计集团股份有限公司，南京 210014)

南通地处沿海经济带与长江经济带T型结构交汇点，“据江海之汇、扼南北之喉”，拥有独特的地理区位优势和水运发展优势[1-2]。南通港吕四港区位于江苏省黄海海域南侧海岸线上，横跨南通滨海园区、海门和启东，滨江临海，紧邻上海。东灶港作业区是吕四港区的重要组成部分，位于海门市境内，吕四港区西侧海门东灶港至启东大洋港海岸线上，主要在海堤外滩涂上回填和吹填形成，港口条件优越。近年来，随着临港产业发展产生的运输需求，南通浩洋港口有限公司拟在南通港吕四港区东灶港作业区一港池建设海港码头泊位。

对于码头工程水动力及泥沙条件的研究手段多为物理模型研究和数学模型研究手段[3-8]，如齐越等[9]对苏北沿海淤泥质建港进行了研究；佘小建等[10]研究了口门防波堤对港池回淤的影响。本文以数学模型研究为主要手段，在分析工程海域水动力及泥沙运动特点和海床冲淤演变特征的基础上，建立二维潮流数学模型，对东灶港作业区一港池通用码头一期工程实施后的流场变化以及港池、泊位的潮流特征进行模拟分析，计算预测工程实施后泥沙回淤情况，为方案优化比选提供技术支持[11]。

1 工程海域自然条件

1.1 潮汐

小庙洪海域潮汐性质属正规半日潮。根据1969～2001年吕四海洋站实测资料统计，吕四港海域平均潮差3.53 m，最大潮差7.31 m，最小潮差0.32 m。

1.2 潮流

小庙洪水道的潮流为规则半日潮流，最大流速出现在半潮位附近，呈驻波性质，且流速较大；深槽区的潮流呈往复流，潮流流向与深槽轴线方向一致。小庙洪尾部深槽区的潮流也为往复流，流向与深槽轴线走向基本一致，大、小潮平均流速分别为0.97～1.54 m/s和0.35～0.63 m/s。自东灶港船闸下至蛎岈山潮流流速逐渐增大。

1.3 波浪

根据吕四海洋站1969～2001年波浪资料分析，本海区冬季以偏北方向波浪为主，夏季以偏东南向浪为主。工程海域平均波高0.48 m；常浪向为N、NE、NW向，强浪向为NE，实测最大波高为3.8 m；全年无浪天数(H4%<0.1 m)约占全年的50%。

1.4 泥沙

1.4.1 底质

东灶港船闸下、东灶中心渔港口门处及东灶港东侧浅滩区的底质中值粒径分别为0.017 mm、0.017 mm和0.059 mm。其中，东灶港东侧浅滩区底质粒径与吕四边滩相近；而东灶港船闸下港道及蛎岈山西侧港汊的底质明显较细，粘粒(<0.005 mm)含量18%～19%，也高于浅滩区的6%～7%，体现蛎岈山西侧港汊的泥沙淤积主要为水体悬沙落淤。

1.4.2 悬沙

小庙洪水道：悬沙平均中值粒径0.007 mm，全年大、中、小潮平均含沙量为0.26 kg/m3。水体含沙量受风浪和潮流影响，具有风浪大水体含沙量高和流速大水体含沙量高的特点。水道内涨落潮含沙量基本一致，但季节不同，含沙量有差异，冬季含沙量大于夏季，其中冬季涨落潮平均含沙量0.41 kg/m3，夏季为0.22 kg/m3。

蛎岈山海域：据2006年6月蛎岈山周边海域水文泥沙测量，各测点大、小潮平均含沙量分别为0.43 kg/m3和0.23 kg/m3，与小庙洪水道整体含沙量水平较为接近。另外，蛎岈山西侧港汊区流速与含沙量的变化过程存在明显对应关系，表现为涨、落急时段的流速大，含沙量也大；憩流时段流速小，含沙量也相应较小，反映该海域的水体泥沙主要来源于当地。

1.5 海床演变特征

1.5.1 小庙洪尾部深槽

通州、东灶港作业区岸外存在两处深槽，一是在蛎蚜山西侧小庙洪水道尾部的-5 m深槽，另一是蛎蚜山前缘的-10 m深槽。

小庙洪尾部南通滨海园区岸外-5 m深槽处的断面地形比较显示(图1，断面位置在蛎岈山西侧10 km)，20世纪60年代时，该处深槽具有南、北两汊，其后北汊逐渐消失，南汊持续发展，1989年时该深槽已呈单汊形态，且深槽展宽并略有南偏，最深点水深也逐年增大。近十多年来小庙洪尾部-5 m深槽的平面变化表明，近期该深槽一直存在并持续扩展(图2)。

图1 小庙洪尾部断面水深变化图Fig.1 Water depth changes at the tail section of Xiaomiaohong图2 小庙洪水道-5 m等深线变化图Fig.2 -5 m isobath change map of Xiaomiaohong

1.5.2 蛎岈山西侧港汊

在小庙洪尾部深槽南移受蛎岈山礁盘顶托的情况下，蛎岈山与岸相连的滩脊两侧分别发育了一定规模的港汊，与其他区段潮滩的潮沟相比较，这两条港汊的位置和形态多年稳定，规模相对较大，具有开发利用的前景，其中蛎岈山西侧港汊数十年来一直是海门东灶渔港的进出通道。

2006年和2010年11月工程海域水下地形对比显示，近岸匡围对蛎岈山西侧港汊的平面位置、槽形无明显影响(图3)，港汊沿程水深总体呈现冲刷趋势，最大水深由-3 m冲刷至约-4.5 m(图4)。据2010年11月实测，蛎岈山西侧-4 m以深区域主要沿近岸匡围区前沿呈E—W向分布，位于蛎岈山礁盘西侧的港汊与小庙洪尾部深槽连接的进口段水深相对较浅。

图3 蛎岈山西侧港汊等深线图Fig.3 Isobath map of the port branch on the west side of Liya Mountain图4 蛎岈山西侧港汊沿程水深变化图Fig.4 Water depth change along the port branch on the west side of Liya Mountain

2 工程建设方案概况

目前，东灶港作业区陆域匡围已经完成，分别形成一突堤、二突堤、三突堤与相应的1#、2#与3#港池。一港池两侧突堤已建大堤中轴线距离宽约785 m，从港口口门至港池底部约2.1 km。港池中部以北水深较大，平均水深约10 m；中部以南水深较小，平均水深约5 m。通用码头一期工程拟在东灶作业区一港池内共布置8个50 000 t级泊位，见图5。其中，一港池西侧由外向内分别布置3个50 000 t级散货泊位和4个50 000 t级杂货泊位，泊位长度为1 761 m。一港池东侧端部布置1个50 000 t级散货泊位，泊位长度为273 m。

图5 码头平面布置图Fig.5 Wharf layout plan

3 数学模型的建立及验证

3.1 控制方程

基于三维不可压缩雷诺(Reynolds)平均Navier-Stokes浅水方程建立水动力模型，对连续方程和动量方程在h=η+d范围内进行积分后可得到下列二维深度平均浅水方程

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：A为水平涡动粘滞力系数。

3.2 模型建立

潮流数学模型计算范围东西长144 km，南北宽87 km。模型采用三角形网格，网格尺度为20～500 m，共有网格156 300个。本次数模计算河床糙率取0.013～0.022；涡粘系数取0.28 m2/s；模型计算时间步长取30 s。模型的计算范围、地形及网格如图6所示。

3.3 模型验证

潮流数学模型对2015年5月18日～2015年5月26日期间大、小潮的潮位、流速和流向进行验证，潮位和潮流测站位置详见图7。验证结果表明：误差均控制在10%以内，能满足相应规范的要求。限于篇幅，本文只给出部分测站的大潮验证曲线，图8为部分测站大潮潮位验证图，图9为部分测站大潮潮流验证图。

图6 工程区域网格Fig.6 Encrypted grid in project area图7 潮位、潮流测站布置图Fig.7 Tide level, tidal current station layout

8-a #28-b #3图8 部分测点大潮潮位验证图Fig.8 Spring sea level validation

4 水动力分析

4.1 工程区域水流形态及特征分析

图10为工程前涨、落潮流场图。根据潮流场模拟结果，工程区域潮流总体特征为：小庙洪尾部深槽区及蛎岈山西侧港汊水流涨落潮主流向与水道深槽走向一致，往复流特征明显；三夹沙浅滩区域水流则主要呈现为涨潮漫滩和落潮归槽的运动形式，漫滩与归槽水流主要来自及汇入小庙洪尾部深槽。

9-a C4流速9-b C9流速

9-c C4流向9-d C9流向图9 部分测点大潮潮流验证图Fig.9 Spring velocity and current direction validation

图10 工程前涨急、落急流场图Fig.10 Rapid flow field of tidal fluctuation before the implementation of engineering

图11 工程前后涨、落急流场对比图Fig.11 Comparison of rapid flow field of tidal fluctuation before and after the implementation of engineering

图11为大潮期间工程前后局部涨急流场及落急流场对比图。工程方案实施后，航道内往复流特征明显。涨潮时：(1)蛎岈山沙脊上的水流向北偏转汇入小庙洪主流深槽，由于航道浚深，小庙洪尾部深槽水流流速略有减小，流向略向南偏转；(2)三夹沙南支航道疏浚工程的实施，使得由小庙洪汇入三夹沙南支航道的水流相较于工程前明显南偏，断面流量增大，水流流速有所增大；(3)1#港池与三夹沙南支衔接处水流流向略有南偏，港池及口门处流速减小明显，口门存在较明显的回流区。落潮时：(1)小庙洪尾部深槽水流流速略有减小，流向略有北偏；(2)三夹沙南支航道内水流流向明显向北偏转，基本呈与航道走向一致的往复流特征；(3)港池与航道衔接处水流流速减小，流向略有北偏；(4)港池口门附近流速减小明显。

4.2 港池及码头前沿流速分析

(1)港池与航道过渡水域流速特征。

工程前，港池与航道过渡水域内水流流速相对较大，最大流速为0.32～1.09 m/s，平均流速为0.13～0.52 m/s。工程方案实施后，由于过流断面增加，流速大幅度减小，最大流速为0.13～0.72 m/s，平均流速为0.08～0.39 m/s。

(2)港池内流速特征。

港池内水流流速总体上呈现由口门向内逐渐减小的趋势。工程前，港池口门处由于地形束流作用，流速较大。工程方案实施后，由于海床挖深，港池内流速有大幅度减小，港池内最大流速小于0.2 m/s，平均流速小于0.1 m/s。

(3)码头前沿流速特征。

港池码头前沿泊位流速总体上由港池口门向港池内部逐渐减小。工程前，西侧码头前沿最大流速为0.05～0.34 m/s，平均流速为0.02～0.17 m/s；东侧码头前沿泊位流速总体较小，最大流速及平均流速均小于0.1 m/s。工程方案实施后，西侧码头前沿流速整体均有所减小，平均流速基本小于0.1 m/s，最大流速均小于0.28 m/s；东侧码头前沿泊位最大流速及平均流速均小于0.02 m/s。

(4)码头前沿横流特征。

码头前沿最大横流值总体均较小，且基本上由口门处向港池内部逐渐减小，西侧泊位最大横流值基本小于0.1 m/s，码头前沿东侧泊位最大横流值均小于0.02 m/s。

5 港池泥沙冲淤计算分析

5.1 港池泥沙计算公式

东灶港闸下港道的泥沙淤积形式主要为悬沙落淤，悬沙最大中值粒径0.020 mm，最小中值粒径0.005 mm，平均中值粒径0.007 mm。对于悬沙造成的航道和港池泥沙淤积问题，泥沙中值粒径小于0.03 mm的细颗粒物质，可采用已纳入我国行业标准《海港水文规范》的刘家驹公式。

对于基本处于冲淤平衡状态下的淤泥质浅滩水域中开挖的港池，其年淤积强度计算表达式为

(5)

对于大型的挖入式、环抱式港池，由于港池面积较大、港池及泊位较多，港池的淤积计算应分区进行。即按照潮流流路经过的先后次序，将港池划分为多个分区，分别确定各区的水下浅滩面积A和各区总面积A0，然后按照公式(5)计算淤积强度。这时，各个分区的水体含沙量应由下式计算

(6)

式中：△H为平均潮差，本次计算中取为3.56 m；N为淤积历时t内的潮数，本次计算中取为706。

5.2 风浪和潮流综合作用下含沙量场的确定

本工程海域泥沙条件、潮流和波浪动力条件是决定当地水体含沙量的关键性因素。根据刘家驹的研究，淤泥质海岸浅滩上的含沙量，在没有河口输沙的条件下，主要取决于浅滩上风、波浪和潮流的综合作用下的掀沙能力，在缺少大风天观测资料的情况下，平均含沙量可以按照下列公式计算

(7)

式中：S1为水体垂线平均含沙量，kg/m3；V1=|Vb+VT|，为风吹流与潮流的合成流速,m/s；V2为波浪水质点的平均水平速度,m/s；γs为泥沙颗粒的容重，γs=2 650 kg/m3；γ为水的容重，γ=1 000 kg/m3；d1为浅滩的平均水深。

风吹流的时段平均流速Vb和波浪平均水平波动流速V2分别由下式确定

Vb=0.02W
V2=0.2C×H/d1

(8)

式中：W为时段平均风速；H、C分别为波高和波速。

5.3 港池泥沙回淤特征分析

计算时考虑两种工况，工况一：码头前沿泥面设计高程-13.7 m，港池泥面设计高程为-11.7 m；工况二：码头前沿及港池泥面设计高程均为-11.7 m。

港池回淤计算结果表明，两种工况下，港池内淤积强度自口门处向港池内部逐渐减小。同时，由于工况一相较于工况二码头前沿挖深更大，码头前沿淤积强度与港池内部回淤总量也相较于工况二更大。

工况一条件下，港内的泥沙回淤强度为0.32～1.36 m/a，年回淤总量为56.86万m3/a。另外，相较于港池内淤积，码头前沿由于挖深较大，淤强也较大，港池内最大淤强为1.01 m/a，码头前沿最大淤强为1.36 m/a。工况二条件下，港池内的泥沙回淤强度为0.26～1.12 m/a，泥沙年回淤总量为55.14万 m3/a。