港区建设对入海河流泥沙淤积的影响分析

2021-10-09金子嵩

陕西水利 2021年9期

关键词：含沙量沙河河口

金子嵩

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,辽宁沈阳 110006）

1 绪论

河流入海口附近河段受潮汐作用明显,其泥沙淤积特性受所在海域的潮流、波浪、泥沙等特性的综合作用,因此不能仅仅局限于河道内及入海口,而需要采用适当的潮流泥沙数学模型对受影响的整片海域进行计算。

本文以河北省某港区工程项目为例,建立二维潮流泥沙数学模型,分析港区附近两条入海河流——陡河和沙河河口区域工程前后的泥沙淤积特性,以及工程建设对河道泥沙淤积的影响。

2 工程概况

某港区工程利用沙河口至陡河口之间岸线形成环抱式港池,港池内东侧为突堤结合挖入式港池的形式,西侧为顺岸布置形式。港内主要布置干散货泊位区、通用泊位区及临港工业区、仓储物流区。沙河河口修建了挡沙堤,与港口围垦线平行。港区平面布置见图1。

图1 港区平面布置图

3 泥沙来源分析

3.1 河流来沙

丰南港区附近有陡河与沙河两条小型河流入海,其来水来沙量均很小（表1）,其中陡河全长120 km,在陡河村附近入海；沙河全长108 km,在黑沿子村与黑沿子排干交汇后入海,沙河口位于陡河口以东约10 km处。建闸前两河口多年平均入海年径流量和泥沙量分别为1.05 亿m3和15 万t,入海泥沙较少。目前两河口上游都已经建闸,来水来沙量更是微乎其微,对本工程影响不大。

表1 沙河与陡河多年水沙特征值统计表

3.2 浅滩泥沙

本海区海底平缓,一般为1/1000 ~1/2000 ,滩面主要由细颗粒泥沙组成,在风浪和潮流共同作用下滩地泥沙极易被掀起,并随涨、落潮流挟带输移。大风浪是造成近岸泥沙悬移运动的主要因素。在小风或无风天水体含沙量很低,小于0.1 kg/m3；而随着风级的增大,其含沙量逐渐增高,近岸最高可测到2 kg/m3~4 kg/m3。

由此看来,浅滩泥沙是影响陡河、沙河河口泥沙的主要来源,要分析河口泥沙淤积特性,需要建立适当的潮流泥沙数学模型。

4 数学模型简介

本项目的潮流计算采用由丹麦DHI水工所开发的Mike21 软件的三角形网格水动力模块（HD模块）[1],该模块在国内外工程项目中应用广泛,模块计算成果得到大量验证,受到业内人士普遍认同。MIKE21 软件的水动力学模块（HD模块）基于水流运动控制方程——浅水方程进行计算[2]。

波浪引起的辐射应力作为驱动力影响着潮流流场,同时波浪也是影响泥沙输运和淤积的一个重要因素。本项目的波浪采用SWAN模型来模拟。SWAN模型基于波作用谱平衡方程进行计算[3]。

泥沙运动采用窦国仁等（1995）基于波流共同作用下挟沙力概念的平面二维泥沙数学模型[4],其表达式如下：

式中：h为水深；t为时间坐标；x和y为水平坐标；S为沿深度平均的含沙量；S*为波流共同作用下的挟沙能力；u和v分别为沿x方向和y方向的流速；为沉降几率或恢复饱和系数；w为泥沙沉速。根据波流挟沙的原理,S*可近似为：

其中,S*c和S*W分别为潮流和波浪作用下的挟沙能力。潮流作用下的挟沙能力可表示为

式中：βc为根据实验或者现场资料确定的系数；ρS和ρ分别为泥沙与水的密度；c为谢才系数；V为垂向平均流速。

对于波浪作用下的挟沙能力,根据实际波能演化原理,修正为如下形式：

其中,fw为床面摩阻系数,Hrms为均方根波高,T为波浪周期,k为波数,g为重力加速度,DB2为由于波浪破碎引起的波能耗散, β1与β2为系数。

5 模型布置

对港区范围内海域建立潮流泥沙模型进行计算,本文采用大、中、小三重模型以嵌套方式进行计算,分别由大模型为中模型、中模型为小模型提供边界条件。图2 显示了大、中、小模型计算范围。大模型包含整个渤海海域。本工程紧邻周边若干其他港口,为充分考虑周边港口建设对本工程的影响,中模型范围包含了整个渤海湾,东西向最长约129 km,南北向最长约147 km。小模型为工程局部范围。

图2 模型计算范围示意图

图3 给出了中模型以及小模型的计算网格。本模型由三角形非结构化网格构成,其中港区内航道、建筑物及陡河、沙河河道内网格进行加密。

图3 中、小模型网格示意图

6 模型验证

需对工程海域含沙量场进行模拟,率定泥沙模型参数。含沙量的验证采用2010 年6 月最新实测含沙量资料。图4 为大潮各测点实测含沙量与计算值的比较情况。

图4 2010年6月大潮含沙量验证（0时刻为13日15时）

通过比较分析,各测站的含沙量在连续变化过程中均与实测值接近,其中含沙量平均误差不超过30%,测点的验证结果符合要求。因此,本次研究中所建立的泥沙运动模型能够合理地反映工程区附近海域的含沙量分布,可进一步用于地形冲淤计算。

7 计算成果及分析

在对工程海域波浪场模拟的基础上,将计算出的波浪动力提供给潮流模型和泥沙模型,对工程海域泥沙运动和地形冲淤进行模拟[5]。潮流计算采用2010 年6 月10 日12 时~2010 年6 月25 日12 时计算潮过程,这其中包含了大、中和小潮连续作用半个月。代表波浪与潮流组合占全年计算时段的23%,纯潮流作用时间占77%。两种动力条件组合得到的回淤计算结果为年回淤计算结果。图5 和图6 分别反映了工程前后河口附近的波浪场,图7 ~图12 给出了工程前后河口的含沙量场分布图。

图5 工程前河口附近波浪场图

图6 工程后河口附近波浪场图

图7 工程前大潮潮流与代表波浪共同作用下河口附近含沙量场图

图8 工程前大潮潮流与代表波浪共同作用下陡河河口含沙量场局部放大图

图9 工程前大潮潮流与代表波浪共同作用下沙河河口含沙量场局部放大图

图10 工程后大潮潮流与代表波浪共同作用下河口附近含沙量场图

图11 工程后大潮潮流与代表波浪共同作用下陡河河口含沙量场局部放大图

图12 工程后大潮潮流与代表波浪共同作用下沙河河口含沙量场局部放大图

从图中可以看出,工程后陡河与沙河河口及附近海域含沙量明显较工程前减小,港区以外海域则变化不明显,这主要是由于港区工程及东侧挡沙堤阻挡泥沙输运所致。

根据本研究建立的针对河口地区的泥沙数学模型知,在只考虑外海来沙的条件下,陡河入海河口段工程前年淤积量在92 万 m3,工程后年淤积量在57 万m3；沙河入海河口段工程前年淤积量在179 万m3,工程后年淤积量在97 万m3。

综合考虑泥沙数学模型研究成果,可得到以下结论：（1）在只考虑外海来沙的条件下,由于工程区域的掩护作用,工程建设后引起西侧陡河口泥沙淤积减少；（2）本工程为了减小对两侧河口的影响,在沙河河口东侧建设挡沙堤,距围垦堤东线1 km,与围垦堤线平行。挡沙堤走向与涨落潮流流向一致,对周边流场的影响较小,比较含沙量分布图可知,挡沙堤可有效拦截东侧浅滩泥沙,围垦线与挡沙堤之间的含沙量大幅减小,引起沙河河口段的泥沙淤积减小。

两侧河口涉及到当地防洪、渔业等民生问题,需引起足够重视。虽然计算结果表明,港区建设方案对两侧河口泥沙淤积的直接影响不大,但周边也在进行大规模围填,可能造成河口区动力条件进一步减弱,对河口健康的维持不利,需加强监测分析。港区围填施工过程中,可能会造成含沙量的增加,致使河口淤塞,需及时分析采取相应对策。建议港区开发建设单位对两侧河口进行疏浚,一方面可提高河口防洪航运效益,抵消开发方案的不利影响,另一方面疏浚土可作为港区回填料。