连云港环抱式防波堤口门航道横流计算研究

张玮，张婧，李泽，钱伟

（河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

0 引言

连云港港是我国沿海的主要港口和综合运输体系的重要枢纽。根据有关规划，连云港将逐步形成“一体两翼”的总体发展格局[1]，其中，连云港区和徐圩港区将建成30万吨级的大型海港。由于地处淤泥质浅滩开敞海域，波浪作用明显，水沙运动复杂，两港区均采用环抱式防波堤，从而达到防浪挡沙、改善港内泊稳条件、减少泥沙回淤的目的。对于环抱式防波堤，因堤头的挑流作用，在口门附近的航槽内将产生较大的横流，不仅是设计进港航道有效宽度的重要参数[2]，对日后港区的船舶调度管理亦存在较大影响，一直是人们所关注的重点之一。

目前，有关环抱式防波堤口门航道横流的计算研究成果较多[3-8]。不过，在以往的研究工作中，多采用某次实测的大潮作为计算潮型，计算相应的航道横流。这种计算横流的方式主要存在两个问题：首先，其结果相当于随机值，难以反映出横流的长期或年内分布特点，代表性不明确；其次，对于一般情况下的横流数值不易获得，难以指导实际工作。

本文拟针对连云港港30万吨级航道，利用二维潮流数学模型，模拟计算不同潮型下的连云港海域环抱式防波堤口门航道最大横流，探讨航道横流与潮差之间的关系，拟合两者之间的经验公式，以便根据潮汐预报表，由不同累计频率的涨潮潮差计算相应的航道横流，为设计和管理工作服务。

1 研究对象

连云港海域的潮汐潮流运动受黄海驻波系统控制，为正规半日潮。在外海海域，潮流为旋转流，向近岸则逐渐过渡为往复流[9]。在进行连云港环抱式防波堤口门航道横流计算研究时，考虑连云港区与徐圩港区的进港航道均浚深至30万吨级。其中，连云港区的口门宽度为1000 m，位于-5 m（理论基面以下，下同）等深线处，进港航道走向63°～243°，航道底标高-22.5 m，航道底宽350 m，边坡1∶7；徐圩港区的口门宽度为1000 m，位于-5 m等深线处，一期建设主要开发一港池和六港池，进港航道走向16°～196°，航道底标高-22.5 m，航道底宽360 m，边坡1∶7；灌河口整治工程已建，双导堤延伸至-2 m等深线处，堤顶高程3 m。两港区及其航道的平面布置如图1。

图1 连云港30万吨级航道及港区总平面布置图

2 潮流数学模型

2.1 基本方程

式中：x、y为直角坐标系坐标；t为时间变量；h为平均水深；ζ为相对于平均海平面的潮位；Ux、Uy分别为x、y方向上的垂线平均速度；ρ为水体密度；g为重力加速度；Nx、Ny分别为x、y方向的水平紊动黏性系数；f为科氏参数（f=2ωsin φ，ω 为地球旋转角速度，φ 为纬度）；τx、τy分别为床面剪切应力在x、y方向的分量。

2.2 求解方法

采用 ADI算法 （Alternating Direction Implicit Method）数值求解上述方程组，也就是把每一个时间步长分成两步进行，前半步隐式计算x方向流速分量及潮位，显式计算y方向流速分量；后半步隐式计算y方向流速分量及潮位，显式计算x方向流速分量。

2.3 模型建立及求解条件

数学模型北起日照 （35°22′30″N，119°33′E），东至（35°22′30″N，120°17′E），南至废黄河口附近 （34°17′00″N，120°17′E），东西宽约99.7 km，南北长约119.3 km，模型范围内水域面积约8648 km2，详见图2。

图2 连云港海域潮流数学模型范围示意图

计算区域的离散均采用矩形网格，并利用网格嵌套法进行逐渐加密，模型最大网格尺度为405 m×405 m，工程区域网格尺度为15 m×15 m，可以满足计算精度要求。

连云港海域潮流数学模型的西边界、南边界为陆边界，北边界、东边界为水边界。在进行潮流数值计算时，对于开边界，由东中国海潮波数学模型提供；对于闭边界，根据不可入原理取法向流速为0。此外，还采用了干湿判别技术进行动边界处理。

2.4 模型验证

为使所建立的潮流数学模型能较好地模拟水流的实际运动情况，需对模型进行率定和验证，确定其中的计算参数。本次研究分别利用2004年7月的大、中、小潮，2005年9月的大、中潮以及2010年先导试挖回淤观测期间的水文测验对模型进行率定。经验证，计算结果与实测资料吻合较好。为节省篇幅起见，模型验证详见文献[10]。

3 航道最大横流特征及影响因素

为了探讨影响连云港海域环抱式防波堤口门航道最大横流的主要影响因素，在2004年连云港海洋站的潮汐预报表中，选取了一系列涵盖较大潮差范围的时间段，进行潮流数值模拟并计算相应的航道横流。

图3与图4分别给出了连云港区及徐圩港区的潮流流速矢量图，可以看出：在岸线及建筑物附近，潮流基本为沿堤岸的往复流，随着向外海的推移，旋转流特性逐渐凸显；进港航道内水流的归槽现象明显，口门外航槽内有垂直于航道轴线的横流存在。根据连云港区口门外航道横流的计算结果可知：

1）涨潮最大横流明显大于落潮，说明在连云港海域，环抱式防波堤口门的航道最大横流由涨潮控制。

2）涨潮最大横流主要位于口门外0.6～0.85 km航槽段，出现在高潮位前的1.0 h以内。

3）落潮最大横流主要位于口门外1.4～1.6 km航槽段，出现在低潮位前0.5～2.5 h。

4）涨、落潮最大横流随涨、落潮潮差的增加而增大，两者之间有着非常好的对应关系（详见图5）。

图3 连云港区流矢图

图4 徐圩港区流矢图

图5 连云港区不同计算潮差下的最大横流

徐圩港区的航道横流特点与连云港区基本相近，主要为最大横流由涨潮控制，涨潮最大横流位于口门外100～200 m航槽段，发生于高潮位前的1.5 h以内。

4 涨潮潮差与累积频率

目前港工建筑物的设计标准通常有两种：重现期标准与累积频率标准。在计算环抱式防波堤口门航道横流时，如果仅仅采用一种潮型，显然是不合理的。实际上，从设计和管理的角度考虑，最好能够知道航道横流的年内分布，或不同累计频率所对应的横流大小。为此，可充分利用上一节中研究表明的航道横流与潮差之间的高度相关关系。在具体应用时，可以按照以下步骤进行：1）尝试根据连云港海洋站潮汐预报表，统计不同累积频率所对应的涨潮潮差；2）按不同的累积频率，确定与之对应的涨潮潮差数值；3）利用潮流数学模型计算相应的航道最大横流；4）根据计算结果，建立不同累积频率的涨潮潮差与涨潮最大横流之间的相关关系。

通常，海洋站的潮汐预报表有多年的资料，那么到底应该选择哪一年、或者哪几年来进行涨潮潮差的累积频率统计才更为合理？为此，分别按2004年、2004—2006年、2004—2008年的时间组合，统计了1、3、5 a的涨潮潮差累积频率，具体结果见表1。可以看出，相同的累积频率下，不同统计年份的涨潮潮差差别很小，与平均值相比，差值基本在2 cm以内，最大也只有4 cm。因此，可以使用某一年的潮汐预报表，来统计涨潮潮差累积频率。

表1 涨潮潮差统计表

5 涨潮潮差与横流的相关关系

利用所建立的连云港海域大范围潮流数学模型，根据不同累积频率下涨潮潮差所对应的潮型，计算连云港区、徐圩港区口门航道最大横流，分别建立最大横流与预报涨潮潮差的一元线性回归模型（详见图6和图7）。

对于连云港区：

对于徐圩港区：

式中：V为最大航道横流，m/s；H为对应连云港站的涨潮潮差，m。

图6 连云港区口门最大横流与预报涨潮潮差的相关关系

图7 徐圩港区口门最大横流与预报涨潮潮差的相关关系

可以看出，两港区拟合曲线的相关系数均高达0.95左右，属高度相关。应用以上公式计算所得的两港区航道最大横流与数学模型的计算结果较为接近，误差基本在0.08 m/s以内，精度较高。

根据以上经验公式，可通过查找潮汐表中的预报涨潮潮差预估口门最大横流，进而应用到航道设计或服务于港区的日常运营管理。

6 结语

1）利用所建立的数学模型，计算了连云港港环抱式防波堤口门航道涨落潮最大横流，结果显示，涨潮最大横流明显大于落潮，说明在连云港海域，环抱式防波堤口门的航道最大横流由涨潮控制。此外，环抱式防波堤口门航道的涨（落）潮最大横流随涨（落）潮潮差的增加而增大，两者之间有着非常好的对应关系。

2）根据连云港海洋站潮汐预报表进行了分析比较，发现利用1年或多年资料分别进行涨潮潮差的累积频率统计，其结果相近，因此，在实际工作中，可用1年的涨潮潮差统计资料来代表多年的变化情况。

3）根据潮流数学模型计算结果，分别建立了连云港区、徐圩港区口门外最大航道横流与涨潮潮差之间的相关关系，相关系数R均在0.95左右，属于高度相关。

4）在具体应用时，可以根据潮汐预报表数据，进行涨潮潮差的累计频率分析，由此，针对不同累计频率的涨潮潮差，利用经验关系确定所对应的航道最大横流，以便为设计服务，也可作为有关部门进行船舶进出港调度的依据。

[1]孙路，张民辉.连云港总体规划研究[C]//丁军化.连云港淤泥质海岸深水航道建设理论与实践（前期基础篇）.北京：人民交通出版社，2012：78-83.

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[10]张玮.连云港港徐圩港区防波堤工程工可阶段潮流泥沙数模研究[R].南京：河海大学，2011.