道人山渔业码头对水动力泥沙环境的影响研究

2021-06-20范从军郑文炳朱训杨

港工技术 2021年3期

范从军，郑文炳，朱训杨

(1.南通港集团建设投资有限公司，江苏南通 226500；2.宁波市盛甬海洋技术有限公司，浙江宁波 315000；3.宁波市海洋与渔业研究院，浙江宁波 315000)

引言

浙江省宁波市象山县海洋渔业生产历史悠久，改革开放以来，全县渔业经济一直保持着快速的发展势头，创造了辉煌业绩。但近年来随着近岸滩涂围垦的实施以及台风的袭击，渔业基础设施被拆除或者破坏，渔业生产形势严峻。本项目是改善渔业基础设施的重要工程，位于道人山围涂工程北堤外侧，围垦区内为渔业生产配套的修理厂、晾晒场等。建设内容包括码头和防波堤，码头结构形式选用浙江沿海近岸小型渔业码头常见的斜坡式，该形式建设速度快，投资少，对潮位变化适应性强，满足不同潮位下渔船的停靠。工程建设可能对周边海域水动力、地形冲淤产生一定的影响。本文通过二维潮流数学模型对工程区域进行潮流模拟，采用实测水文泥沙资料对挟沙公式进行率定分析，结合半理论半经验的冲淤公式，预测工程建成后水动力和淤积变化。

1 工程概述

1.1 工程内容

码头布置在港池中部，设计船型为100 t 渔船。总长度60 m，其中斜坡段长50 m，水平段10 m，宽12 m。码头方位角为N116°37′11″～296°37′11″。码头面标高-0.50 m～+3.0 m。码头前沿回旋水域按圆形布置，回旋圆半径为32 m。

防波堤布置在港区的东侧，为离岸式防波堤，南距道人山岸边约60 m，堤基处泥面高程-3.0 m～-3.44 m。防波堤堤线为折线型，折角为150 度，南段堤线呈沿北偏西30º 方向（SSE～NNW 走向），北段呈沿北偏西60º方向（SSE～NNW 走向），堤顶宽6 m，堤身断面总宽40 m，全长150 m。

图1 工程平面布置图

1.2 潮流潮汐

1）潮汐

虽然工程附近海域（HK1+HO1）／HM2的比值为0.39，属正规半日潮，但是工程水域浅海分潮的振幅较大，其中HM4/HM2为0.03，因此工程海域为非正规半日浅海潮港类型。工程海域的最高、最低潮位分别为2.75 m 和-1.97 m，平均高、低潮位分别为1.66 m 和-0.97 m，月平均潮位为0.31 m；平均涨潮历时5 小时54 分，落潮历时6 小时30 分。

2）潮流

工程附近海域受岸边地形及周边岛屿影响，呈现往复流，流向177°～332°之间，涨落潮憩流一般发生在高低潮前后，涨潮流速大于落潮流速。据2015 年水文测验成果显示，各观测站点的最大流速在0.53～1.09 m/s 之间（见图4），垂线最大涨落潮流速均存在一定的偏角，涨落潮流向与码头走向基本一致。

3）风浪

工程区域波浪直接受风浪和涌浪影响，为混合型波浪。根据工程附近的大目涂水文站1981～1996年资料：工程海域常浪向为NE；涌浪常浪向为E；强浪向为E 和ESE，大浪集中在秋季的台风和冬季的寒潮期，实测最大波高为2.3 m（波向E，1983年9 月），各月平均波高0.2～0.5 m，平均周期为6.8～7.5 s。

2 二维潮流模型

象山东部海域波浪强度与频率均不大，潮流为水动力的主要控制因素。因此选取潮位为控制条件的二维潮流模型对工程实施后的水动力影响进行分析。

2.1 潮流基本控制方程

采用基于Boussinesq 和静压假定的二维平面不可压缩雷诺（Reynolds）平均N-S 浅水方程求解流速、流向以及水位信息。模型采用的潮流控制方程为垂向的平均连续方程和运动方程：

式中：t为时间；η为潮面高程；d为静水面一下深度；h=η+d为总水深；u、v为深度平均流速在x、y方向的分量；f为科氏力系数；g为重力加速度；ρ为水密度；ρ0为基准水密度；τij为水质点侧向应力，包括粘滞摩擦力、紊流摩擦力、对流力等，在模型中采用一个涡旋粘滞系数，根据垂向平流速梯度场对上述几种力进行综合估值，可按下式计算：

式中：

υt为水平涡动粘滞力系数，通过求解k-ε模型得到；

τsx，τsy为水面风摩阻x、y方向分量（本项目中均为0）；

τbx，τby为水底摩阻x，y方向分量。

求解时网格采用非结构三角网格，水平空间离散采用标准Galerkin 有限元法，在时间上，采用显式迎风差分格式，空间上采用ADI 离散动量方程与连续方程。

2.2 泥沙控制方程

象山县东部海域为淤泥质海岸[1]，以悬移沙为主，根据窦国仁理论[2]，潮汐水流悬沙运动微分方程可写为：

式中t为时间，为l水平坐标，S为含沙量浓度(kg/m3)，q为单宽流量（m3/s），h为水深（m），ω为悬沙沉降速度（m/s），本文取ω=0.0004m/s，α为泥沙沉降几率，本文取0.6，S*为水流挟沙能。

对式（5）在一个潮周期内积分，可近似得到一年的淤积强度[3]：

S*的准确计算是冲淤强度计算的关键。本海域不同于一般的河口，为无径流的近岸海区，根据黄承力对舟山钓梁围垦工程的淤积分析[3]，波浪对冲淤影响比例在0.76%～17.5%之间，本工程海域与舟山海域海况类似，因此选用刘家驹考虑风浪流作用下的挟沙公式[4]，同时考虑非水力因子的影响，即背景含沙量[5]，利用工程海域实测水文泥沙资料对公式参数进行回归分析，具体公式如下：

式中：

A、B、m为待求参数；U为风浪流合成速度；Vbt为风吹流和潮流的合成速度即，风吹流流速，Vb=0.0205W，Vt为实测潮流流速，W为风速，Vw为波流，有限水深下c为波速，H为波高。

当接近冲淤平衡时，即年冲淤量为p=0，带入式（6）并结合式（7），令q1=h1U1，q2=h2U2可得则冲淤平衡时冲淤积量[6-7]为：

式中：q1、q2为工程前后的单宽流量，h1、h2为工程前和淤积平衡后的水深，上述公式中的水深均采用修正后的全潮平均水深[7]。

2.3 挟沙公式参数

根据2015 年象山县东部海域4 月份实测波浪统计资料，有效波高H=0.27m，有效周期T=3.17s，计算得到波速为c=4.84m/s，结合实测悬浮沙、潮流和风速实测资料，回归分析得到A=8.23、m=1.29、B=0.25。

图2 挟沙公式参数回归分析

3 模型建立

3.1 模型设置

本模型中，斜坡式码头通过改变地形水深进行模拟，防波堤则以护坦块石为界线，设置为陆域边界。数学模型的计算范围上边界位于梅山水道，东边界至外海南韭山岛，涵盖整个象山港。水动力模型采用无结构的三角形网格，模型空间步长5～ 200 m，共有网格节点数为24 101，单元数为46 061，时间步长为10 s。开边界潮位由宁波舟山近海三维潮汐模型给出[8]。

图3 水文站点位置

3.2 模型验证

模型潮位的验证选用2015 年3 月份在拟建工程附近海域设置的T1#、T2#临时验潮站和S1#、S2#、S3#潮流站的水文监测资料。根据模型计算潮位流速与实测潮位流速的对比验证情况，计算值与实测值在相位和幅值方面吻合较好，除个别时刻的流速验证值存有稍大偏差外，实测与计算潮位总体误差小于10 %。总体看来，流场模拟验证符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》，区域内流场模拟计算结果基本反映了该海域潮流和潮波的实际变化。

4 工程后水动力环境影响

4.1 潮流影响

工程海域基本属于往复流，涨潮主流方向为NW，落潮主流方向为SE。涨急时港池内形成环流，但环流较弱；落急时，从防波堤与道人山的口门处回落，潮流有所加强。整体来看工程实施后受防波堤档流作用，流场形态变化局限于防波堤工程附近范围内。工程实施前后涨、落急流速变化如图4。整体来看，工程实施后涨、落急最大流速的减幅在0.1 m/s以内，受防波堤阻挡，港池内流速减小，最大影响区域位于防波堤工程内拐角处，防波堤南北两端堤脚流速局部增大。防波堤内侧流速减小0.07～ 0.08 m/s，斜坡码头前沿由于水深较小，流速变化只有0.02～0.03 m，远小于防波堤处。港内落急流速影响大于涨急流速，涨急时近岸港池形成环流，但环流速度变化较小，小于0.01 m/s，防波堤内侧流速变化0.01～0.03 m/s，防波堤外侧拐角处由于挑流，局部流速增大0.02～0.03 m/s，流向变化0.11°～152.33°之间；落急时港池内流速变化0.01～0.1 m/s，防波堤西北角处部分水流外挑至东侧，形成了小范围流速增大区域，增大0.05～0.06 m/s，流向变化1.01°～62.06°之间。防波堤建成后，港池内流向平顺，有利于渔船的停靠。

图4 项目实施后工程海域流速变化

4.2 泥沙淤积

根据图5可以看出，冲刷区域主要位于防波堤南北堤头附近区域，淤积区域主要位于防波堤两侧及码头前沿，工程200 m范围以外海域冲淤变化基本小于0.10 m，其它区域海床未受到明显的影响。工程完成后，工程海域年冲淤速率在-0.2～0.3 m之间，港池内泥沙在防波堤处落淤，防波堤内侧拐角处淤积最大，港池及码头前沿淤积在0.10～0.30 m之间。达到淤积平衡时，防波堤内侧港池淤积在0.5～0.8 m之间，越靠近防波堤淤积越大，防波堤西北角和东南角受挑流和过水断面变窄影响最大冲刷为0.5～0.6 m之间，码头前沿最终淤积0.2～ 0.4 m。