大连港登沙河港区潮流泥沙数模试验研究

许 婷

（交通部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

根据经济发展的需要，大连政府有关部门拟开展大连登沙河工业园区港区规划论证工作。港区规划方案位于登沙河口外马坨子南侧，东临黄海。本文在研究工程海区潮流动力及泥沙现状的基础上，采用数学模型手段计算分析了港区工程实施后的流场及泥沙淤积情况。

1 自然条件

1.1 潮汐特征

该工程海区潮汐为不规则半日潮，根据当地工程海域潮位推算，其理论最低潮面在85国家高程基准面下1.65 m，在大连港筑港零点上0.5 m。该海域平均潮差约为2.8 m，最大潮差约为4.5 m，其潮差的变化由辽东半岛东侧南端向北逐渐增大。涨潮平均历时略短于落潮历时23 min。

1.2 潮流特征

根据2009年5月最新实测水文全潮资料，海区潮流主流向基本顺着里长山海峡，涨潮近东北方向，落潮近西南方向。主槽内各站流速呈现落潮大于涨潮的变化规律，大潮时涨落潮潮段平均流速分别达0.31～0.37 m/s、0.37～0.42 m/s。

1.3 波浪特征

大窑湾港区位于工程西南向，距工程约30 km，测波点位于大窑湾湾口，距岸边约7 km，测点水深为-28 m，据1985年6月～1986年5月的实测波浪资料统计结果，该工程所在海域常浪向为SE向，次常浪向为N向，所占频率分别为29.13%和15.03%，强浪向为SE向。工程以南老虎滩长期海洋站2004年12月～2005年10月实测波浪资料统计结果表明，该海域常浪向为N向和SSE向，次常浪向为SE向，所占频率分别为16.94%、11.04%和8.58%，强浪向为SE向。综合以上波浪分析结果来看，本工程所在海域常浪向为N向和SE向，强浪向为SE向。从本工程所在地理位置来看，E向和S向均有岛屿或大陆掩护，因此应主要考虑NE、ENE、ESE、SE 和SSE 向浪对工程的影响［1-2］。

1.4 含沙量分布特征

根据2009年5月最新实测水文全潮资料分析，该工程海域各站涨落潮平均含沙量大潮时分别为0.008～0.018 kg/m3和 0.008～0.019 kg/m3，小潮时分别为 0.007～0.012 kg/m3和 0.008～0.011 kg/m3，大、小潮各站涨落潮平均为0.012 kg/m3。因此总体上该水域水体含沙量处于0.04 kg/m3左右，相对较小。从含沙量变化的规律看，该水域含沙量变化表现为大潮含沙量大，小潮含沙量小，浅边滩及里长山深槽未端含沙量大、靠岸侧涨潮槽涨落潮含沙量较小。悬沙平均中值粒径d50为0.012 7 mm，其成份为粘土质粉砂。工程海域受城山头及对面里长山列岛的掩护，水域含沙量低，泥沙来源微弱。

1.5 底质泥沙分布特征

样品结果表明，各垂线底质中值粒径在0.009 0～0.675 8 mm变化，其物质种类分属粗中砂、砂质粉砂、粘土质粉砂，样品的分选系数在0.37～1.42变化。表明了工程区水域波浪、潮流动力的差异较大。

潮间带沉积物质以中粗砂和中细砂分布为主，分选程度很好。水下沉积物质以中细砂、粉砂和粘土质粉砂分布为主，占全部沉积物的71.25%。沉积物质由岸至海的分布趋势为由粗渐细。

1.6 河流径流及输沙

登沙河发源于辽东半岛南端大连金州区和普兰店境内，河流全长27.15 km，流域面积229.2 km2，河道以平均比降2.58%自西向东南经盐大澳湾流入黄海。登沙河水文站距入海口20.75 km，其上端河道长6.4 km，控制流域面积128 km2，河道平均比降达5.07%。登沙河为河短、坡陡、流小的季节性山区性河流，其径流主要靠降水，河道洪水主要由暴雨形成，洪峰水量的大小取决于暴雨的程度，一般年内发生1～2次暴雨。河道输沙主要来源于河道控制流域内水土在暴雨洪水下的侵蚀，由于该河流域面积有限，且处于掩护条件相对较好的环境中，因此随洪水下泄的侵蚀物质极为有限。

2 工程方案介绍

登沙河工业港区规划方案主要分为3种，工程平面布置见图1。

（1）方案一。西侧依托于登沙河北侧约2.6 km的岸线向东围垦水域至马坨子岛附近，东西长约5.6 km，港池口门SSE朝向，宽约350 m，港区港池呈环抱布置。外航道呈N163°～N343°走向布置，航道宽150 m，水深-13.0 m（以理论深度基准面计）。

（2）方案二。港区布置类似方案一，口门改朝E向，外航道走向N100°～N280°，开挖尺度同方案一。

（3）方案三。明显不同于前2种方案依托于天然岸线向外海围垦，而是采用离岸式围垦方式，最靠近岸线侧围垦边缘距离岸线在1.2～2.2 km，向东围垦水域至马坨子岛屿附近，由一条长约1.4 km的栈桥通道与大陆相连。该方案围垦南北长约2.6 km，东西长约3.4 km，口门朝E向，宽约350 m。外航道走向及开挖尺度同方案二。

3 潮流泥沙数学模型的建立及计算

3.1 计算方法及方程

（1）潮流场数值模拟。

平面二维水流控制方程如下

式中：x、y为直角坐标系坐标；t为时间；h为水深（基准面到床面的距离）；ζ为潮位（基准面到自由水面的距离）；u、v分别为x、y方向的垂线平均流速分量；f为科氏系数；g为重力加速度；Ex、Ey分别为x、y方向的水平紊动粘性系数；τx、τy分别为波流共同作用下床面剪切力在x、y方向的分量；Sxx、Sxy、Syy分别为各方向的波浪辐射应力，可表示为

（2）二维悬沙输移扩散方程。

悬沙运动扩散的基本方程为

式中:u、v为水平流速，m/s；s为悬沙浓度，kg/m3；h 为水深，m；Dx、Dy为扩散系数，m2/s；Fs为泥沙源汇函数或冲淤函数。

（3）地形变化数值模拟。

基本方程为

式中：η为床面变形量；γ0为航道回淤泥沙干容重，取0.65 t/m3；α为经验回淤系数，根据实测资料确定；S*为挟沙率；ω为沉速，本次计算中取ω=0.000 5。

3.2 计算域的确定及网格剖分

本文数学模型的计算域东边界取至海洋岛以东约6.5 km，至青堆湾；南边界取至海洋岛以南6.6 km；北边界和西边界依托于辽东半岛。该计算域东西长126.4 km，南北长约84 km，总面积达10 617.6 km2。

本次计算区域的网格剖分共采用了大、中、小三层嵌套模式，三层嵌套模型计算网格逐步加密。模型采用正方形网格，第1层计算网格空间步长180 m，计算节点数327 834个；第2层计算网格空间步长60 m，计算节点数1 040 400个；第3层计算网格空间步长20 m，计算节点数1 203 408个。

3.3 模型验证

流场和含沙量场的验证采用2009年5月的全潮水文资料。全潮水文观测站布置见图2。通过潮位、流速、流向、含沙量的验证，模型中无论计算的位相、量值还是过程线，均与原型吻合良好，符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》［4］的要求，模型验证成功，达到了相似要求，可以用来进行工程方案流场模拟计算研究［3］。

3.4 潮流场计算结果分析

计算结果表明：各方案实施后，大范围海域流场的总体特征与现状流态基本相同，即涨落潮主流方向顺着里长山海峡，涨潮近东北方向，落潮近西南方向，其次流态分布受控于陆地岸线和岛屿岸线。总体来看，各方案的实施并未影响该海域大范围流场的整体特征，仅对工程所在局部区域产生小范围影响。港池内流场特征：3个方案实施后，港内靠近口门处均会出现约2 h的环流，环流覆盖范围介于0.57～0.72 km2，环流最大强度约为0.20 m/s，环流平均强度在0.10 m/s左右。港内整体流速呈现从口门到港内侧越来越小的规律，流速较工程前减小57%～88%，降幅明显，口门处全潮平均流速介于0.10～0.15 m/s，港内泊位处全潮平均流速均在0.10 m/s以下［5］。

外航道流场特征：方案一实施后，相比于天然情况下，涨急时刻航道所在区域流向由WNN—WNW偏转，偏转角度在15°～45°，落急时刻，流向由天然下的ESS—ESE偏转，偏转角度大于涨急时刻。沿航道里程全潮平均流速介于0.18～0.31 m/s，最大流速介于0.30～0.51 m/s。方案一航道所在区域流向与航道轴线夹角较小，在30°以下，因此航道所在区域横流最大流速较小，介于0.06～0.15 m/s。方案一口门朝向海域深槽方向，因此航道开挖尺度在1.2 km左右即可满足开挖航道深度与天然水深的过渡，所以该方案航道开挖量明显小于其他2个方案。方案二和方案三航道走向一致，因此流场特征基本相同，2个方案实施后，航道所在海域（口门附近除外）流向相比工程前偏转较小，流速有增有减，但幅度较小。2个方案实施后，沿航道里程全潮平均流速介于0.18～0.35 m/s，最大流速介于0.36～0.54 m/s，这与方案一相差很小，但由于这2个方案航道走向与主流向夹角较大，因此航道所在区域横流最大流速较大，介于0.35～0.55 m/s。工程实施前后涨落急流态见图3。

3.5 泥沙淤积计算结果分析

图3 工程海域涨落急流态图Fig.3 Flow field at flood and ebb strength of tide

港池航道泥沙淤积情况数学模型计算结果见表1。由表1可以看出，工程区域年平均淤积强度较小，这是由于该区域泥沙来源较少。工程区域附近虽有登沙河暴雨泄洪，但其流域坡陡流短，沿程基岩暴露，使得冲刷下泥沙物质甚少。该区域岸滩为岬角相间，基岩出露，岸线稳定，其泥沙运移较少。涨落潮水流携沙淤积为该区域泥沙淤积的主要来源。但由于海域涨潮水流由大于-20 m的深海水域流入，携沙量极其有限；落潮时落潮水流集中于里长山水道深槽，槽深达-10 m以上，槽内泥沙难于起动，同时水道内涨落潮水流主要沿深槽作往返运动，由于沿边滩运动的水体较浅，运动的水量有限，因此其携沙运到边滩水域淤积的量甚少。如遇风浪作用，边滩泥沙将被掀起并带入主槽或至缓流区淤积，使得边滩床面泥沙物质粗化，边滩水域床面泥沙在水流作用下难于再起动运移［6］。

表1 各方案实施后港池航道淤积情况Tab.1 Siltation of basin channel after the project

3.6 各方案实施后对周边水域的影响

为分析工程的实施对周边水域的影响，将工程前后全潮平均流速进行差值分析（图4），从图4可以明显看出，3个方案实施后，周边水域流速发生变化的区域面积较小，仅限于工程附近区域。

4 结论

利用二维水动力模型对登沙河港区工程所处海域进行模拟。结果表明，3个方案实施后对周边水域影响均较小，港内虽有环流出现，但强度较低，停泊区域全潮平均流速基本在0.10 m/s以下，外航道区域方案一横流强度明显小于其他2个方案。3个方案港池航道年平均淤强在0.08～0.12 m，淤积很轻，其中方案三的年淤积总量略小于其余2个方案。

综上所述，从水流、泥沙计算结果看，该工程是可行的，其中从流场角度来看，方案一较优，从泥沙淤积角度来看，方案三略优。最终方案的选取应根据进港航道主线方向、围海造陆的需求，港区规模和实际用海范围等因素并结合上述研究结果综合考虑。

［1］李孟国，李文丹.大连长兴岛北港区（30万吨矿石码头和30万吨原油码头）自然条件分析、潮位计算与潮流泥沙数学模型研究［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2009.

［2］严冰，肖辉.大连葫芦山湾南部工业岸线波浪潮流泥沙数学模型试验研究报告［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2009.

［3］李孟国，郑敬云.中国海域潮汐预报软件 Chinatide 的应用［J］.水道港口，2007，28（1）：65-68.LI M G，ZHENG J Y.Introduction to Chinatide software for tide prediction in China seas［J］.Journal of Waterway and Harbor，2007，28（1）：65-68.

［4］JTJ/T233-98，海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程［S］.

［5］李孟国，李文丹.潮段平均流速计算方法研究［J］.水道港口，2008，29（2）：82-87.LI M G，LI W D.Study on methods to calculate average tidal current velocity during flood tide or ebb tide［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008，29（2）：82-87.

［6］许婷，李孟国.大连港登沙河港区潮流泥沙数学模型计算研究报告［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2009.