盐城滨海港远期规划对周边水沙影响的数值模拟研究

2021-06-25朱思谕

人民珠江 2021年6期

朱思谕，卢丹

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

滨海港区(图1)位于江苏省盐城市废黄河三角洲侵蚀性海岸最凸出岸段[1]，北有中山河口和灌河口，南有废黄河口和扁担河口，近岸波流动力较强，泥沙运动较为活跃，深水贴岸、水下地形复杂。2014年10月滨海港10万t级通用码头开港通航，根据《江苏省滨海港区总体发展规划(2016—2030)》，滨海港区远期30万t级港口工程基于现有港区北防波堤西北侧海域进行布置，而大规模建港对周边进港航道和重要河口的水沙动力格局的影响程度尚不可知，工程实施后有可能出现海床侵蚀、航道淤积等问题。

图1 滨海港区地理位置

因此，本文在研究工程海域潮流动力及泥沙现状的基础上，构建了平面二维波浪潮流泥沙数学模型，深入研究了远期方案建设对潮流场、泥沙场的影响，剖析了正常天气和大浪天气下航道的回淤特征和淤积原因，该研究成果可为滨海港建设决策提供参考性建议。

1 工程区海域动力泥沙环境特征

滨海海域多以风浪为主，外无掩护，波浪长驱直入，近岸浅滩波浪作用较强，近海区强浪向为NE向，最大波高H1/10为2.3 m，多年平均波高H1/10为0.61 m，次强浪向为ENE、E向；常浪向为ENE向，最大波高H1/10为2.0 m，多年平均波高H1/10为0.52 m，出现频率为27.01%；次常浪向为E、NE向，出现频率分别为18.52%、16.55%。

滨海海域涨潮流以东南流为主，落潮流以西北流为主，近岸潮流受岸边界和水下地形的影响，流向与岸线方向基本一致，呈明显的往复流形态。工程前2007年6月水文测验(测站位置见图2)结果见表1：离岸较近点的垂线平均流速小于离岸较远点；各测点均以落潮流为优势流，大潮落潮平均流速略大于涨潮，小潮落潮平均流速明显大于涨潮；落潮历时比涨潮历时长2～3 h。

图2 滨海港区附近水深图及测站位置

表1 工程前水文测点垂线平均流速单位：m/s

滨海海域无外来泥沙，泥沙主要来源为近岸冲刷，泥沙向废黄河三角洲海岸两侧及深水区扩散。根据2007年6月实测资料统计，各测点大潮垂线平均含沙量为1.24～1.42 kg/m3，小潮为0.73～1.20 kg/m3，表2中分别列出了工程前-5、-10 m等深线附近点位大、小潮期间的平均含沙量，垂向分布具有表层最低、中至底层较高的特点，落潮平均含沙量大于涨潮平均含沙量。

表2 工程前水文测点平均含沙量单位：kg/m3

滨海地处江苏侵蚀性淤泥质海岸[1-2]，悬沙以0.016 mm以下的黏土组分为主，占悬沙总量的85%以上；底质沉积物粒径分布具有一定的分带性[3]：-5 m等深线以内波浪作用较强，表层沉积物以局部侵蚀残留粗化的细砂分布为主，中值粒径为0.10～0.16 mm；-5～-15 m间水域以粉砂质砂、砂质粉砂和粉砂为主，中值粒径为0.01～0.10 mm；-15 m以深水域以黏土质粉砂为主，中值粒径在0.01 mm内。

图2是根据中国海事局2016年3月出版的《滨海港及附近》(系2015年测量)海图资料插值得到滨海港区附近水深图。图中-5、-10、-15 m等深线至海岸最近处距离分别约为0.9、1.9、3.8 km，与文献[4]结果一致，这为滨海深水港区建设提供了良好的深水近岸条件。

2 波浪潮流泥沙数学模型的建立与验证

江苏滨海海域平面二维潮流泥沙数学模型控制方程和离散方法见文献[5]，计算范围东西长约90 km，南北宽约60 km，北至灌河河口，南至射阳河口，外海东边界在-20 m水深附近，外海开边界潮位由江苏沿海平面二维潮流数学模型[6]提供。模型采用正交曲线网格，网格大小为40～500 m，在工程区附近进行局部加密，计算时间步长为0.5 min。参考前人研究成果[7-10]，潮流泥沙模型中的主要参数取值如下：曼宁系数取0.018；为保证模型中悬沙始终处于沉降状态，有充分的泥沙供给，泥沙的临界淤积切应力取理想值1 000 N/m2；临界冲刷切应力取0.2～0.3 N/m2，冲刷系数取4～5×10-5kg/(m2·s)。外海-20 m水深处含沙量不足0.1 kg/m3，因此模型中东边界初始含沙量设为0，南、北侧边界含沙量从陆侧1 kg/m3向外海东边界作线性插值。

波浪模型采用第三代SWAN浅水波浪数值模型[11-12]，计算区域和网格划分与潮流泥沙模型一致，计算时间步长为60 min。频谱离散方式采用频率对数分布法；方向谱采用360°离散法，离散方向数为36。谱型采用JONSWAP谱，底部摩阻系数经实测波浪资料验证调试后取0.01，波浪浅水破碎指标取默认值0.73，同时考虑波浪非线性的影响以及波浪折射、绕射和反射情况。本文考虑常浪向多年平均波高与潮流的共同造床作用，东边界采用恒定波浪参数边界，利用外海波要素作为波浪边界条件，南、北边界设置为自由出入边界。

限于篇幅，本文仅给出了部分验证结果(图3、4)。由图3可以看出，工程区域流速、流向过程的计算值与实测值验证较好，基本能反映出江苏滨海海域的潮波传播与变形。

图3 工程区域大、小潮期间流速、流向验证

图4为波流共同作用下大、小潮期间含沙量的验证结果，含沙量计算值与实测值基本一致，但含沙量与流速之间的关系不明显，可能是因为风浪导致泥沙再悬浮、含沙量较高减弱了含沙量与流速间的相关性。含沙量变化主要受到波高控制，当波高增大，波浪掀沙能力较强，含沙量随之增大；当波高减小，含沙量随之变低，但没有波高减小的明显，因为悬沙的沉积还会受到悬沙粒径、沉降相对滞后等因素的制约。

3 计算结果分析

3.1 工程方案布置

图5所示，滨海港区工程前平面方案布置主要包括：已建的南北2条防波堤、原10万t级进港航道和北部物流园工程。围填工程方案布置即为图5中位于物流园西北侧的远景预留区，主要包括：液体化工及成品油泊位区、集装箱泊位作业区、远期规划防波堤和远期30万t级航道工程等。

图5 围填工程方案布置

3.2 对周边水沙动力影响分析

为了更直观、方便地研究围填工程建设对周边流场的影响，本文给出了滨海港区工程实施前、后大潮涨急时刻的流场(图6、7)。

图6 工程前大潮流场(涨急时刻)

滨海港附近海域受北部潮波控制，近岸以往复流为主，随离岸距离增加，旋转流性质逐渐增强，但有明显的主流向。大潮涨潮时，潮流由西北向东南推进；落潮时，基本沿涨潮的相反方向退出。围填工程建设对北防波堤外侧的西北流和东南流均存在阻水、挑流的影响，对原滨海港10万t级航道及口门、南防波堤南侧的流态影响较小，不改变工程海域整体宏观流态。

图7 工程后大潮流场(涨急时刻)

为了量化研究工程前后的流速、含沙量变化，绘制了全潮平均流速、含沙量变化等值线(图8、9)，计算结果显示：围填区西北和东南侧4 km左右范围内的平均流速减小在0.1～0.4 m/s左右，围填区前沿2 km范围内平均流速增大0.1～0.2 m/s左右，对原防波堤南侧、原10万t级航道及口门、翻身河闸、废黄河口、扁担河口和中山河口的水动力基本没有影响。围填工程拦截了由西北向东南的高浓度含沙水体的泥沙输运，同时，围填工程实施后当地沙源供给减少，导致整个滨海港区附近的含沙量明显减少：滨海港区周边2～3 km范围内，含沙量减少0.2 kg/m3以上；原北防波堤北侧含沙量减少0.2～0.3 kg/m3，南堤南侧、翻身河闸、废黄河口的含沙量减少0.1～0.2 kg/m3；离围填区域较远的外海区域含沙量基本无变化，对扁担河口、中山河口的含沙量也基本无影响。

图8 工程实施后全潮平均流速变化等值线

图9 工程实施后全潮平均含沙量变化等值线

3.3 航道建设后的淤积泥沙来源及淤积原因分析

模型根据2007年6月完整的一个月大、中、小潮的数值计算，利用地貌加速技术，模拟了正常天气工况下滨海港区工程后1年的床面冲淤变化(图10，正值代表淤积，负值代表冲刷)。

图10 工程后模拟地形冲淤变化

模拟结果显示：原防波堤口门处年淤积厚度约1.1 m，港内航道的近口门段淤积强度较大，与前人研究成果一致[4，10]，可用于分析工程实施后的地形变化。30万t级围填工程前沿、防波堤堤头外侧、进港航道两侧的海床均受到不同程度的冲刷，口门外航道北侧形成明显的冲刷坑。

图11为工程实施后正常天气下新建30万t级进港航道沿程的年淤积强度、平均含沙量。滨海港30万t级航道正常天气下沿程回淤分布规律分析如下。

图11 正常天气下航道沿程淤积厚度、平均含沙量

a)从图11可知，航道沿程含沙量变化趋势与航道淤积厚度变化基本一致，航道内含沙量是影响回淤强度的控制因素。正常天气下外海含沙量0.2～0.3 kg/m3，口门外尤其破波带附近含沙量显著增加，基本0.8 kg/m3以上，口门内含沙量沿程迅速降低。

b)口门内航道沿程淤积厚度迅速降低，港池内部年淤积厚度小于0.1 m。外海泥沙进入口门后，港池内水流流速较小，水流挟沙能力大大降低，泥沙沿程迅速落淤在口门内2 km范围，港池内部含沙量较低。因此，涨落潮流挟带泥沙、沿程快速落淤是口门内进港航道淤积的主要原因。

c)靠近口门处外航道段淤积厚度较大。新建防波堤口门处原滩面水深7 m，波浪自外海向陆传播过程中，由于外海水深，波浪在靠近口门外的航道两侧浅滩上才开始破碎，波浪对滩面泥沙的扰动陡然增强，位于破波带附近航道两侧的浅滩进一步受到冲刷，口门外高浓度的含沙水体随涨、落潮流进入航道内。口门外浅滩水深小、新挖航道滩槽高差较大以及涨、落急时刻航道处的流向与航道轴线基本垂直等，都会导致含沙水体跨越航道时淤积概率较高[13]，口门外形成一个以含沙量峰值为中心、直径约2～3 km的泥沙淤积体，最大淤强0.008 m/d。

d)向外海航道沿程淤积厚度逐渐降低，年淤积厚度约0.1 m。主要因为向外海含沙量逐渐变小，也与水深较深造成波浪对海床作用较弱、新挖航道挖深比降低、涨落潮平均流速相对较大等因素有关。

邻近工程实践[8]及模型计算结果表明：随着淤积过程的深入和地形向适应工程后动力环境方向的调整，航道工程实施2～3年后淤积速率显著降低，即可达到冲淤平衡。

3.4 大浪作用下30万t级航道骤淤研究

大风浪作用下航道骤淤是远期深水航道建设的关键问题之一。中国港口工程界认为底质泥沙粒径分布较广的粉沙质海岸易发生骤淤[14-15]，淤泥质海岸泥沙粒径分布相对单一，较少出现骤淤。滨海港地处江苏侵蚀性淤泥质海岸[1-2]，底质沉积物粒径分布具有一定的分带性。20世纪70年代采用护岸工程后，废黄河三角洲海岸侵蚀速度明显趋缓，但是浅滩和水下岸坡的侵蚀仍在继续。由此导致的海岸组成物质粗化、岸滩坡度陡化等现象反映了海岸性质存在由淤泥质海岸向沙质海岸变异的趋势[2]。根据现场调研，10万t级航道自2014年10月通航后未出现骤淤问题。

本文在研究滨海港区新建30万t级航道在大浪作用下骤淤情况时，不计风力作用，利用文献[4]推算的-外海20 m等深线处不同重现期波要素作为大浪天气工况的波浪边界条件，该工况的潮流和泥沙条件与前述正常天气工况相同。

图11给出了正常天气下30万t级进港航道平均每日最大淤强为0.008 m/d，图12给出了不同重现期大浪作用后30万t级进港航道沿程的淤积厚度、最大淤积强度(口门位于6 km处)。由图12可知，在重现期为2、5 a的波浪作用下，最大淤积强度约为正常天的2～4倍，而在10、25和50年一遇的大浪作用下，最大淤强能达到正常天的8～24倍，但也小于0.2 m/d，因此不会产生骤淤碍航问题。最大淤积厚度均出现在口门外侧2 km附近，不同重现期下的波浪越大，口门束窄导致口门外流速增大越明显，水体的挟沙能力大大加强，降低了泥沙的淤积概率，因此自最大淤积部位向口门处的淤积厚度减少越快；港内航道平均淤积强度均小于0.01 m/d。自最大淤积部位向外海航道的淤积厚度也逐渐降低，由于外海航道水深较深，波浪切应力小，大浪作用对航道底部的扰动作用有限；而大浪作用下潮流切应力强，航道底层的流速大大增加[16]，导致底床的细颗粒泥沙大量起动，高含沙水体随着涨、落潮流进入外海航道内，在航道内大量堆积，外海航道比正常天气下淤积明显。