大丰港深水航道潮流泥沙数值模拟

2021-08-03徐艺哲诸裕良黄惠明谭易成

科学技术与工程 2021年19期

徐艺哲，诸裕良，黄惠明，谭易成

(河海大学港口海岸及近海工程学院，南京 210098)

大丰港是江苏沿海三大深水海港之一，位于江苏1 040 km海岸线的中部，区位优势十分显著。大丰港深水航道建设主要依托苏北辐射沙洲北缘的潮汐通道西洋深槽，深水航道地处粉砂淤泥质海岸[1]，航道周围浅滩众多，泥沙易在波浪作用下掀扬，在潮流作用下输运航道，使得航道产生淤积。而国内外建立在粉砂淤泥质海岸上的航道较少，对此开展的研究不多，可用作参考的经验与理论依据相对较少，因此研究大丰港深水航道潮流泥沙运动特性显得十分必要。

近年来，诸多学者对航道潮流泥沙运动规律及回淤问题开展了大量的研究，并取得了相应的进展与成果。目前研究航道泥沙回淤问题主要有以下四种方法。

(1)现场资料分析。严冰等[2]结合多次现场实测资料，分析讨论盘锦港深水航道的水沙特征；徐啸等[3]分析京唐港自然条件，探究航道泥沙回淤特点。

(2)经验公式估算。刘家驹[4]在考虑粉沙淤泥质泥沙与淤泥质泥沙的不同运动特性的情况下，将淤泥质海岸航道淤积计算方法成功应用到粉沙淤泥质海岸中去；祁伟等[5]提出适用于淤泥质海岸泥沙淤积计算公式，研究电厂港池和航道的泥沙淤积规律。

(3)物理模型试验。孙林云等[6]建立了波浪潮流共同作用下泥沙物理模型，模拟了京唐港航道在风暴潮作用下形成骤淤过程。

(4)数学模型计算。戈国庆等[7]建立大清河航道二维水沙模型，分析航道整治后水流泥沙冲淤情况；方拥军等[8]建立珠江口大范围二维水沙数学模型，计算龙穴南水道内淤积强度；路川藤等[9]建立了波流共同作用下的长江口三维潮流泥沙数学模型，研究北槽航道在台风期间骤淤问题；李文丹等[10]建立考虑波浪作用的潮流泥沙数学模型，研究分析温州港深水航道潮流泥沙运动规律，预测航道内泥沙年回淤量及骤淤可能性分析。相比于现场资料观测难度大、经验公式精度低、物理模型投入高，数学模型计算的便捷、精准、投入小等特点十分显著。现将根据现场实测资料，建立考虑波浪作用的潮流泥沙数学模型，研究大丰港深水航道工程实施后潮流泥沙运动规律，分析流场特征及预测航道在大风条件下航道发生骤淤的可能性，为大丰港深水港区后期维护与发展提供可靠依据，也为相类似的粉砂淤泥质海岸深水航道建设研究提供参考。

1 研究区域概况

1.1 大丰港深水航道简介

大丰深水航道工程位于苏北辐射沙洲北缘的西洋西槽内，主要分为内航段、外航段及转弯段三段，如图1所示，其中航道里程0～26 km为内航段，宽210 m，0～9.9 km段为自然水深段，水深为14.5～20.9 m，9.9～26 km为航道疏浚段，设计疏浚深度为14.5 m；航道里程26～27 km为转弯段，设计疏浚深度为15 m；航道里程27～46 km为外航段，宽220 m，设计疏浚深度为15 m。

图1 大丰港深水航道工程示意图

1.2 气象条件

根据气象资料统计，大丰地区常风向为SE向，频率为13%，次常风向为N、E及NE向，频率为8%。强风向出现在N向，最大风速可达24.3 m/s，次强风向为W向，最大风速达20.7 m/s，NNE方向为平均风速最大方向。

1.3 水文条件

根据实测水文数据资料分析，大丰港潮汐类型为正规半日潮，海域最大潮差为5.25 m，平均潮差为3.56 m，涨潮稍微占优，涨潮历时短于涨潮历时，平均涨潮历时为5.8 h，平均落潮历时为6.3 h。

大丰港海域为强海流区，潮流是该海域的主要动力因素，大潮涨、落潮平均流速为1.0、0.7 m/s，大潮涨、落急流速为1.5、1.1 m/s。由于受到小阴沙和瓢儿沙的屏障，港区及深水航道内波浪作用不强，以风浪为主，就全年而言，常浪向为NNW向，次常浪向为SSE向，强浪向为NE向，主要以NW～NE向风浪为主，而E、ESE和SE向受到岸外沙脊的屏蔽作用波浪作用较小。

1.4 泥沙条件

根据2017年6—7月对大丰港海域开展的大范围海域底质采样样品分析，大丰港海域底质泥沙主要为黏土质粉砂、粉砂质黏土、粉砂质砂，中值粒径(d50)平均值为0.040 6 mm，西洋深槽以及航道外段的航道附近水域底质相对较细，中值粒径(d50)为0.017 6 mm；小阴沙和瓢儿沙的底质粒径相比较大，中值粒径为0.103 1 mm。由此可见，深水航道工程海域呈现粉砂淤泥质海岸的特点。

2 模型建立及验证

2.1 基本方程

2.2.1 连续方程

(1)

x向动量方程为

(2)

y向动量方程为

(3)

2.2.2 悬沙扩散方程

(4)

2.2.3 床面冲淤变化方程

(5)

(6)

(7)

式中：γd为床沙干容重；ηb为床面冲淤厚度；α为沉降概率；ω为泥沙沉速；S*为风浪和潮流综合作用下的挟沙力；V1为潮流速度；V2为平均水平波动流速；γS为泥沙颗粒密度，γS=2 650 kg/m3；d为浅滩的平均水深。

2.2.4 底床切应力方程

波流共同作用下底床切应力有平均剪切应力τmean和最大剪切应力τmax两种计算方式，即

(8)

(9)

式中：τc为水流单独作用时的切应力；τw为波浪单独作用时切应力的幅度；b、p、q、a、m、n为常数。

2.2 网格与模型参数

工程海域模型闭边界为自然岸线，模型东西长约115 km，南北长约225 km。计算海域内共剖分54 613个三角形计算单元，计算节点数为27 578个，并对工程区及可能影响到的航道、港区等海域进行了局部加密，空间步长最小为5 m，详见图2。

图2 模型计算网格

本文模型的外海开边界的潮位资料是从全球潮汐预报系统中提取8个主要潮汐分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、Q2、P1)的调和常数进行调和分析并插值得到的。水动力模型中CFL(Courant-Friedrichs-Lewy)数的临界值为0.8；水平涡黏系数采用Smagorinsky公式求解，其中Cs系数取0.28；根据前人经验[11]以及模型的验证与调试，本次计算模型的西洋水道糙率n取为0.02，滩面糙率n取为0.045，外海糙率n则根据水深进行插值计算，计算公式为n=0.013+0.01/H，H为水深。

波浪场计算采用将波浪的动力条件概化为潮周期中具有平均意义的代表波要素，叠加至潮流运动中的方法。根据大丰气象站2013—2017年的资料，使用海大公式进行波要素计算，推算模拟海域N-S向若干主风向作用下的平常年波要素，为泥沙数学模型提供波浪条件。用于模型计算的代表波浪要素见表1。

表1 代表波要素

2.3 模型验证

2.3.1 潮位、流速、流向和含沙量验证

选择2010年5月23日—5月25日大丰港一期、二期码头潮位资料作为模型的潮位验证资料，选择2010年1月20日16：00—2010年1月22日18：00的寒潮大风期的大丰港深水航道附近海域观测站实测水文泥沙资料作为模型的潮流和泥沙验证资料，水文泥沙实测时间间隔均为1 h，Z1、Z2站点位置如图1所示。从图3～图5中可以看出，大丰港一期、二期码头模拟潮位值与实测潮位值基本相等；各观测站模拟计算流速值与实测流速值虽存在一定的误差，但模拟流速与实测流速趋势走向基本吻合，且流速数值误差在10%以下，在合理范围之内；流向的模拟拟合得较好，体现了往复流的规律；含沙量模拟值曲线与实测值曲线基本拟合，且含沙量的模拟值与实测值都位于同一量级上，能够比较好地描述大丰海域在大风作用下的泥沙分布情况及运动过程。

图3 潮位验证图

图4 流速、流向验证图

图5 含沙量验证图

2.3.2 泥沙冲淤验证

本次地形冲淤验证主要采用大丰港深水航道一期工程试挖槽的实测泥沙冲淤资料进行验证，试挖槽位置如图1所示。图6为试挖槽一年泥沙冲淤验证情况，计算值与实测值位于同一量级上，且航道冲淤分布情况较为吻合，因此该泥沙模型可以用于深水航道泥沙冲淤模拟计算。

图6 航道沿程冲淤验证

3 工程后潮流泥沙特征分析

3.1 流场特征分析

图7为航道工程附近海域大潮涨落急流场图。从图7中可以看出，涨落潮流近似呈南北向的往复流，涨潮流流向偏南，落潮流流向偏北，内航段航道轴线与水流主流向基本一致，外航段航道轴线与水流主流向有一定的夹角。航道附近海域潮流作用强，水流大潮涨落急流速基本在1 m/s以上，在水深较大的航道南段大潮涨落急流速可达1.5 m/s。

图7 大潮涨落急流场图

3.2 泥沙回淤分析

图8为深水航道沿程年回淤强度分布。由图可知，航道内航段年回淤强度介于0.88～1.93 m/a，最大回淤强度出现在航道里程18 km处，回淤厚度为1.93 m，在10～20 km的航道中段的回淤强度略大于其他航段的回淤强度；航道外航段年回淤强度在0.31～1.9 m/a之间，最大回淤强度出现在航道里程35 km处，回淤厚度为1.9 m，航道在32～37 km航段内回淤强度变化起伏较大，在航道里程41 km外，回淤强度逐渐减小。经计算，深水航道一期工程年平均回淤强度为1.32 m/a，总淤积量为1 199.2万m3。

图8 航道年淤积沿程分布

3.3 极端大风天航道骤淤分析

深水航道在强烈的风暴(台风、寒潮大风)的作用下，比较容易发生不同于往常的骤淤情况，尤其是建立在粉砂淤泥质海岸的深水航道骤淤情况更为严重。相对而言本海域受大风天气影响较为频繁，因此分析预测航道在大风天下发生骤淤的可能性显得十分必要。

根据大丰海域实测资料统计分析，海域常风向为SE方向，25年一遇的风速为21.5 m/s，风向与航道走向相交，强风向为N方向，25年一遇的风速为23.7 m/s。为研究极端大风天期间航道所产生的回淤强度最不利的情况，故假定极端大风都发生在水动力更强的大潮期间，在大潮期间加入3 d 10年一遇和25年一遇的大风，为了使风浪卷起的泥沙能够完全落淤，大风过后再模拟4 d的冲淤变化，模拟时间共计7 d。

从图9中得知，相较于N风向，SE风向对航道回淤强度作用较为明显，在25年一遇SE风向作用下，航道7 d回淤强度介于0.02～0.15 m，平均回淤强度为0.10 m，在12～15 km、35～39 km航段内，回淤强度较大；在25年一遇N风向作用下，航道7 d回淤强度介于0.02～0.10 m，平均回淤强度为0.07 m，在28～29 km航段内，回淤强度较大。由此可见，由于深水航道外小阴沙、瓢儿沙等辐射沙洲的掩护作用以及航道内水流流速较大，水动力较为强劲，且主流向与航道轴线基本平行，极端大风天作用下航道并未出现严重的碍航骤淤现象，但大风引起局部航段回淤问题仍不可忽视，尤其是与航道交角较大的风向给航道淤积带来的影响。