珠海中燃桂山油库多点系泊码头技术改造潮流数学模型研究

张 强

（中交天津港湾工程设计院有限公司，天津300456）

珠海中燃桂山油库多点系泊码头技术改造项目的工程海区在桂山岛附近，位于伶仃洋口外。其东北侧是大屿海峡，即大濠岛深槽，为广州港南沙港区深水航道经过的海区；桂山岛以西是赤滩岛、三角岛、大碌岛、大头洲等岛屿。从桂山岛向西水深逐渐减小，距-10 m等深线3.2 km，从桂山岛向南水深逐渐增大，距-20 m等深线最短约10.5 km（图1）。

本文结合自然条件，对珠海中燃桂山油库多点系泊码头技术改造项目3种平面方案进行了二维潮流数值模拟及泥沙回淤和骤淤计算分析。针对需要解决的工程水流泥沙问题，为准确提供模型边界值、工程区域的流速、流向变化值，建立了2套数学模型，即伶仃洋内外整体二维潮流数学模型和桂山岛工程海区局部二维潮流数学模型，详细模拟和预报模拟珠海中燃桂山油库多点系泊码头技术改造项目工程前后泊位、调头圆、航道的流速、流向的变化。在采用数学模型对流场模拟计算结果的基础上，对各方案的泥沙淤积强度、淤积量进行了计算，并对骤淤进行了分析。

1 工程海区自然条件分析

1.1 潮汐

2008年4月初实测的桂山岛大潮平均潮差为1.55 m，最大潮差为1.86 m，2008年3月底实测的小潮平均潮差为 1.23 m，最大潮差为 1.27 m［1］。

1.2 潮流

2008年3月29日21时～31日0时和2008年4月6日14时～7日18时，在桂山岛工程海区进行了6条垂线大、小潮过程水文全潮测量。统计结果表明：（1）工程海区潮流基本为往复流，大潮往复流特征好于小潮。小潮过程的3#点和6#点呈现出旋转流特征。（2）大潮时，桂山岛附近的1#点～5#点涨潮流速大于落潮流速，6#点涨潮流速小于落潮流速；小潮时，1#点～6#点落潮流速大于涨潮流速。（3）工程海区大潮涨潮平均流速为 0.30～0.57 m/s，涨潮平均流向为 303°～333°，落潮平均流速为 0.35～0.46 m/s，落潮平均流向为 140°～160°；小潮涨潮平均流速为 0.14～0.20 m/s，涨潮平均流向为 356°～360°，落潮平均流速为 0.27～0.35 m/s，落潮平均流向为 128°～169°［1］。

1.3 含沙量

桂山岛工程海区的含沙量较低，正常天气条件下涨落潮平均含沙量均小于0.1 kg/m3。大潮含沙量大于小潮含沙量，涨落潮含沙量相当［1］。

1.4 底质

为进一步了解工程海区的自然条件，为潮流数模提供泥沙方面的参数，在2008年3月～4月进行了潮流观测，同时在工程海域进行了水下底质取样工作［1］。

1.4.1 沉积物中值粒径分布特征

样品分析结果表明：除去近岸浅水点（30号样）外，本区的泥沙粒径偏细，平均中值粒径为0.015 5 mm。航道开挖段泥沙平均中值粒径为0.013 9 mm。沿码头东西方向（即由里向外）5条取样断面的平均中值粒径看，沉积物中值粒径的变化显示了调头区水域自里向外呈逐步减小的变化规律。

1.4.2 沉积物分选程度变化

样品分析结果表明：本区分选系数在0.68～2.49变化，按海洋监测划分标准应划分为三级，即0.6～1.4为分选好等级，1.4～2.2为分选中常等级，2.2～3为分选差等级。本区平均分选系数为1.66，属分选中常范畴。进港航道开挖段泥沙平均分选系数为1.64。从调头区各断面分选系数看，各断面平均分选系数在1.45～1.98变化，规律性变化程度不明显。

1.4.3 沉积物沉积类型

样品分析结果显示：本区沉积物沉积类型较单一，以粘土质粉砂（YT）分布为主，仅20、27、30号点分别为砂-粉砂-粘土、粉砂和粗砂。除去30号点后的29个样品中，砂平均占12.5%，粉砂平均占57.3%，粘土平均占30.2%。航道与航道开挖段泥沙则全部为粘土质粉砂（YT）。

2 基于TK-2D软件［2-3］的二维潮流场数学模型的建立

2.1 二维潮流数学模型的建立

2.1.1 基本方程及定解条件

二维潮流基本方程包括连续方程和动量方程，即

式中：t为时间；x、y为与静止海面重合的直角坐标系坐标；u、v分别为沿x、y方向的流速分量；h为海底到静止海面的距离（静水深），H=h+ζ；ζ为自静止海面向上起算的海面起伏（水位）；f为柯氏参数；g为重力加速度；ε为水平涡动粘性系数；c为谢才系数，n为曼宁糙率系数。

基本方程的定解条件包括边界条件和初始条件，对于边界条件，开边界取流速或潮位的实测或分析值，固边界取流速的法向分量为零；对于初始条件，流速一律取零值，潮位取初始时刻的值。

2.1.2 数值计算方法

采用基于三角形网格的有限差分数值方法［4］。在时间方向采用向前差分格式，空间导数采用显式离散格式，则可将二维基本方程（1）、（2）、（3）分别离散并整理成如下计算公式

式中：M为节点号；K为时间层数；Δt为时间步长。

2.2 伶仃洋内外整体大范围二维潮流数学模型

2.2.1 计算域的确定及网格剖分

根据所研究问题的需要，确定整个计算域范围（图2）：南边界在大万山岛以南的21°52′N纬度线，北边界在虎门附近的22°49′N纬度线，西边界在113°30′E经度线，东边界在114°6′E经度线，东西距离约 63 km，南北距离约102 km。整个计算域包括伶仃洋西四口门、香港水道、伶仃洋外万山群岛。

用不规则三角形网格剖分计算域（图3），考虑大小岛屿55个。图3中的三角形网格较好地概括了伶仃洋内外复杂的岸线、岛屿和地形特征。最大空间步长（三角形网格最大边长）1 113.98 m，最小空间步长（三角形网格最小边长）45.11 m，三角形网格节点69 169个，三角形单元数134 432个。

2.2.2 模型验证

对建立的潮流模型进行了大潮、中潮的流速、流向、潮位过程验证。大潮和中潮的验证见文献［4］。

2.3 桂山岛工程海区局部二维潮流数学模型

2.3.1 计算域的确定及网格剖分

从研究需要出发，本工程海区数学模型计算域见图4，东边界到113°51′E，西边界到113°46′E，北边界到22°12′N，南边界到 22°3′N，南北距离约 15.8 km，东西距离约 9.5 km。

采用三角形网格剖分计算域。三角形网格节点数为14 263个，三角形个数为27 817个，相邻网格节点最大间距为195.83 m，最小间距为29.92 m（图5）。

2.3.2 模型验证

本模型由大模型提供边界条件，但仍需要进行验证，选择2008年4月6日14时～7日18时29 h大潮过程和3月29日21时～31日0时28 h小潮过程进行验证。用于潮位验证的站位有1个。用于流速流向验证的站位有6个。大潮和小潮的潮位、流速流向验证曲线见图6～图9。

从模型的验证过程来看，计算的量值及位相均与实测值基本吻合，涨、落潮流态与海区地形轮廓相符，符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》［5］的规定。因此可以认为模型的验证是成功的，可以应用本模型对计算海区内的各种工程方案前后的潮流场进行数值模拟的计算分析。

2.3.3 工程方案计算

桂山油库码头改造工程共有3个方案（图10～图12）。

在模型验证的基础上，对上述桂山油库多点系泊码头的3个方案的潮流场进行了计算。计算结果表明，工程方案实施后流场变化仅限于工程附近。为了定量分析桂山油库改造工程实施后对附近海域潮流的影响，选取了29个特征点［4］，计算这些特征点工程前后的大潮潮段平均流速和流向，结果表明：

（1）现状下3个方案的航道大潮涨潮平均流速为0.36～0.56 m/s，涨潮平均流向为312°～316°，大潮落潮平均流速为 0.45～0.52 m/s，落潮平均流向为 135°～145°；小潮涨潮平均流速为 0.17～0.21 m/s，涨潮平均流向为 354°～355°，小潮落潮平均流速为 0.35～0.39 m/s，落潮平均流向为 133°～143°。

（2）3个方案的航道工程后涨落潮平均流速变化仅为0.01 m/s，涨落潮平均流向不变。

（3）现状下方案1调头地大潮涨潮平均流速为0.44～0.61 m/s，大潮落潮平均流速为0.32～0.51 m/s；泊位大潮涨潮平均流速为0.18～0.41 m/s，大潮落潮平均流速为0.10～0.25 m/s。泊位、调头地开挖后涨落潮平均流速均减小，减小幅度0.01～0.05 m/s，涨落潮流向有所调整。

（4）现状下方案2调头地大潮涨潮平均流速为0.57～0.61 m/s，大潮落潮平均流速为0.40～0.56 m/s；泊位大潮涨潮平均流速为0.45～0.57 m/s，大潮落潮平均流速为0.29～0.33 m/s。泊位、调头地不用开挖，工程后涨落潮流速不变，泊位处涨落潮流向有1°～2°的调整。

（5）现状下方案3调头地大潮涨潮平均流速为0.52～0.61 m/s，大潮落潮平均流速为0.35～0.52 m/s；泊位大潮涨潮平均流速为0.36～0.55 m/s，大潮落潮平均流速为0.23～0.30 m/s。调头地不用开挖，工程后涨落潮流速不变，泊位处涨落潮流速减小0.01～0.03 m/s，流向相应调整。

（6）从潮流场角度考虑，3个方案都是可行的；方案2不用开挖，维持了现状流速，是最优方案。

3 泥沙淤积计算与骤淤分析

3.1 泥沙淤积计算

本文分别计算了各方案港池及航道浚深后的平均淤强和淤积量［6］，计算结果表明：

（1）方案1。10万t级油码头泊位平均淤强为0.30 m/a，淤积量为1.1万m3/a；调头地（开挖区）平均淤强为0.21 m/a，淤积量为2.4万m3/a。航道开挖区里、中、外段平均淤强分别为0.02 m/a、0.03 m/a和0.01 m/a，淤积量分别为0.4万m3/a、0.6万m3/a和0.2万m3/a，航道开挖区淤积总量为1.2万m3/a。

（2）方案2。泊位和调头区均布置在水深较大的水域，自然水深即可满足设计水深要求，无须开挖，也不存在淤积问题。需开挖的航道段与方案1布置是相同的，故航道淤强和淤积量也与方案1相同。

（3）方案3。码头位置较方案2靠近岸边，调头地自然水深仍可满足设计水深要求，但泊位处自然水深不能满足设计水深要求。根据计算结果，泊位平均淤强为0.07 m/a，淤积量为0.2万m3/a。该方案需开挖的航道段与方案1布置也是相同的，故航道淤强和淤积量也与方案1相同。

（4）3个方案对比，方案2充分利用了天然水深，基本不需开挖，淤积轻微，可以忽略；方案3泊位需部分开挖，淤积量居中；方案1港池布置在相对较浅的区域，淤积总量约为3.5万m3/a，淤强和淤积量最大。3个方案对比，方案2最优。但考虑到3个方案淤强和淤积量值都不大，因此三者都是可行的。

3.2 骤淤计算

本文分别计算了各方案50 a一遇风浪情况下港池及航道的平均淤强和淤积量。当出现大风天气时，水体紊动强烈，挟带泥沙粒径较大，在计算中对泥沙沉速和含沙量等参数都作了相应的调整。另外，由于大风天气持续时间长短不一，本文统一按24 h淤积强度和淤积量进行计算，计算结果表明：不同方案在50 a一遇SE向或S向风浪作用时的淤积量较正常天气要明显增大，但淤强值仅介于0.02～0.12 m/d，平均值仅为0.05 m/d左右，其量有限，而在其他方向50 a一遇风浪作用下的淤强和淤积量会更小，因此只要预留一定的备淤深度，完全可以满足船舶正常航行的要求。另外，从广州港航道数年实践来看，广州港沿伶仃航道不断实施浚深工程（目前航道水深为-15.0m左右），且经历了多次台风的影响，但从未出现过骤淤。因此在本港池工程海域，虽然波浪掀沙会在短期内对淤积产生影响，但不会形成骤淤。

4 结论

本文建立了伶仃洋内外整体二维潮流数学模型和桂山岛附近工程区局部二维潮流数学模型，在验证的基础上，对珠海中燃桂山油库多点系泊码头技术改造项目的3个平面方案的潮流场进行了模拟，对泥沙回淤和骤淤进行了计算和分析。研究结果表明从潮流场和泥沙淤积角度考虑，以方案2为最优，但考虑到3个方案淤强和淤积量值都不大，因此3个方案都是可行的。

［1］李孟国，韩西军，李文丹，等.珠海中燃桂山油库多点系泊码头技术改造项目潮流数学模型与泥沙回淤研究报告［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2008.

［2］李孟国，张华庆，陈汉宝，等.海岸河口多功能数学模型软件包TK-2D的开发研制［J］.水运工程，2005（12）：1-4.LI M G，ZHANG H Q，CHEN H B，et al.Development of multi-functional mathematical model software package TK-2D on coast and estuary［J］.Port&Waterway Engineering，2005（12）：1-4.

［3］李孟国，张华庆，陈汉宝，等.海岸河口多功能数学模型软件包 TK-2D 的研究与应用［J］.水道港口，2006，27（1）：51-56.LI M G，ZHANG H Q，CHEN H B，et al.Study on multi-function mathematical model software package TK-2D and its application for coast and estuary［J］.Journal of Waterway and Harbor，2006，27（1）：51-56.

［4］李孟国.三角形网格在水动力水环境数学模型中的应用［J］.水利水运工程学报，2001（3）：59-64.LI M G.Application of triangular mesh in mathematical models of hydrodynamic and hydro-environment field［J］.Hydro-Science and Engineering，2001（3）：59-64.

［5］JTJ/T233-98，海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程［S］.

［6］JTJ/T213-98，海港水文规范［S］.