港口工程建设对莱州湾水动力环境影响的数值研究

刘建强，马林娜，张永强，胡泽建

（1.中国海洋大学环境科学与工程学院 青岛 266110；2.国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061）

莱州湾位于渤海西南端，为一半封闭性海湾，湾内水深较浅，水交换能力较差。近年来，莱州湾内港口工程建设及规划步伐较快，岸线发生较大变化，潍坊港于2005年建成万吨级码头、航道及防波挡沙堤，2010年建成双堤环抱、单一口门的港口布局。根据 《东营港广利港区总体规划》，广利港航道整治工程拟建设5 000吨级进港航道、防潮堤和航道两侧的防沙堤，两道防潮堤及防沙堤总长约34 178 m，如图1所示。

图1 莱州湾规划港口布局

本研究基于MIKE21模型建立莱州湾二维平面潮流数值模型，对潍坊港扩建前后和广利港规划方案的流场变化进行数值模拟，分析讨论不同港口工程建设对莱州湾水动力环境的影响，旨在为莱州湾内港口设计和施工工艺提供参考。

1 数值模型

1.1 模型方程

本研究采用MIKE21平面二维潮流数值模拟，其连续方程和动量方程为：

式中：t为时间；h＝η＋d，其中η、d分别为水位和水深；分别为流速在x、y方向的分量；f为科氏力系数；g为重力加速度；ρ为水的密度；sxxsxysyxsyy为辐射应力张量分量；Txx、Txy、Tyy为水质点侧向应力，包括黏滞摩擦力、紊流摩擦力和对流力等；τsx、τsy分别为海面风摩阻在x、y方向分量；τbx、τby分别为海底摩阻在x、y方向分量。

1.2 模型配置和参数设置

1.2.1 模型配置

大区域模型计算范围 WE向为117°35′11.48″E～122°2′3.32″E，NS 向 为 37°9′13.22″N～40°49′33.42″N，计算区东西宽约410 km，南北长约436 km，模型计算网格步长约3 500 m。为了能清楚了解本工程附近海域的潮流状况，将主要研究区海域黄河口至刁龙咀西南海域（图2）进行加密，重点研究区计算网格空间分辨率约100 m。

图2 研究区域和水深

开边界通过水位变化来驱动，在计算中将流场分解为潮流场和余流场的叠加，故水位的表达式为

式中：A0为余水位；fi为各分潮的交点因子；（υ0＋u）i为分潮的交点订正角，由地理位置和具体日期确定；ωi为分潮的角频率；Hi和gi为分潮的振幅和迟角；N为分潮个数，在模式计算中，考虑了研究区域的7个主要分潮，即M2、S2、K1、O1、M4、MS4、S4，在开边界处的振幅和迟角参考1993年出版的 《渤海黄海东海海洋图集》（1993年）选取，计算时，结合实测数据予以修正。

计算岸线为东营市政府公布岸线，海域海图0 m以深水深值由数字化海图得到，0 m以浅的潮滩水深由最高高潮和0 m等深线内插得到。

1.2.2

干湿边界值陆地值为0.01 m，漫水区为0.05 m，湿水区为0.1 m。涡黏系数采用Smagorinsky常系数，取Cs＝0.28。海底摩阻曼宁数取常系数M＝40。

1.3 模型验证

采用工程海域2007年10月26日10时至27日11时两站大潮期实测海流 （L1～L2）及水位 （W1）数据和2007年11月10日12时至11日13时4站大潮海流观测数据 （H1～H4）对模型进行验证，观测站位见图3。

潮位及各站流速、流向实测值与计算值的验证曲线见图4（a）～图4（g），由图可见，各测站计算值与实测值二者总体趋势差异不大。

2 计算结果

潍坊港单堤时莱州湾海域流场特征图5和图6，涨急时刻，计算域内的潮流由莱州湾外向湾内流动，其中莱州浅滩、老黄河口东南侧流速仍较大，分别为101 cm/s、94 cm/s；流向特征总体体现为，海流从莱州湾湾口沿偏S向向湾内流入，在莱州浅滩与老黄河口一线，流向偏为SW向，后在黄河三角洲南侧转为偏W向、在莱州浅滩南侧转为偏S向。落急时刻，计算域内的潮流由莱州湾内向湾外流动，整个莱州湾海域存在3个高流速区，为屹坶岛西北侧、莱州浅滩、老黄河口东南侧，其最大流速分别为69 cm/s、104 cm/s和98 cm/s，流向特征则体现为，黄河三角洲南侧海域为偏E向，莱州浅滩南侧海域为偏N向，莱州湾湾口附近总体呈现为偏NE向。

潍坊港双堤建设后莱州湾海域流场特征图7和图8，涨落急时刻莱州湾海域流场特征与单堤时相比，除潍坊港处外总体基本一致，潍坊港双堤建设对潮流场的改变主要集中在潍坊港邻近海域。涨急时刻，在潍坊港防波堤西北侧及防波堤口门处潮流流速略大，约49 cm/s、75 cm/s，潍坊港双堤北侧海域，潮流主流向为偏W向，在潍坊港双堤附近潮流流向则体现明显的顺堤流特征；落急时刻，潍坊港防波堤北端与老黄河口南端为两者形成半封闭海域的“湾口”，两者之间流速较大，约59 cm/s，潮流流向总体呈现为偏E向，在潍坊港双堤两侧和堤内，顺堤流较明显。

广利港实施后莱州湾海域流场特征见图9和图10，由于广利港规划防波堤轴线与潮流主流向交叉角较小，规划防波堤的实施对黄河三角洲南岸潮流主流向影响有限。涨急时刻，潮流主流向为偏W向，潍坊港双堤北侧顺堤流明显，且潍坊港和广利港堤头处均存在明显的挑流，两者之间流速约33 cm/s；落急时刻，广利港堤头北侧流速大于其南侧流速，约58 cm/s，潮流主流向总体呈现为偏E向。

3 结论

通过莱州湾的连续实测海流数据与模拟结果进行比较，可以看出两者趋势基本符合，说明该模型能较精确地重演该海域的潮流场分布情况。

1 潍坊港双堤建设后，潍坊港双堤堤身两侧潮流流速有所减小，堤头附近潮流流速明显增大，广利港规划方案实施后也存在同样的变化趋势，其中位于新形成 “湾”内的潮流流速均存在不同程度的减弱，而 “湾”口潮流流速均增大，港口工程实施对 “湾”的影响程度则略轻。

（2）由于广利港防波堤轴线与研究海域主流向基本一致，对流场的影响略小，港口工程建设对潮流场的影响主要集中在工程邻近海域，又由于潍坊港和广利港的布局占据了莱州浅滩至老黄河口南侧海域的近1/4，因此港口工程的实施对潮流场的影响还是明显存在的。