南海明珠二期建设对海口港3万吨级航道影响研究

赵永印，康苏海，李旺生

（1.海南金海湾投资开发有限公司，海口570203；2.交通运输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）

南海明珠二期建设对海口港3万吨级航道影响研究

赵永印1，康苏海2，李旺生2

（1.海南金海湾投资开发有限公司，海口570203；2.交通运输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）

首先以有限体积法建立了包含海口湾在内的以琼州海峡为模拟范围的二维数学模型，对南海明珠二期工程建设前后海口港航道水动力条件变化进行了研究。然后从挟沙力基本公式出发，推导适合文章研究内容的航道淤积经验计算公式。对工程建设前后的航道淤积变化进行分析，从工程前后的水动力及航道泥沙淤积变化两方面科学论证南海明珠二期工程建设对海口港航道的影响。

数值模型；泥沙淤积；航道

南海明珠项目总体规划利用填海造地形成约2.6 km2的土地，分两期建设，并以人工岛为依托，新建邮轮母港和相关的水上娱乐设施［1］（图1）。

图1 工程位置及潮流观测站位分布图Fig.1 Layout of survey points and project position

工程引起的局部岸段或近岸围海造陆等工程建设，应从周边岸线的自然因素和生态环境进行系统的、多学科的综合论证，并采取相应的预防措施，使其危害性降到最低程度［2］。

海口湾是进出海口港的秀英、海甸、新海三港区的航道所在海区，海口港3万t级航道位于海口湾。湾内属于受南渡江径流、外海潮流、波浪及其波流交互作用的复杂水域［3-5］。海口湾湾口最大流速为1.0～1.2 m/s，湾内存在涨潮西流、落潮西流、涨潮东流、落潮东流，水动力条件复杂；海区以风浪为主，常浪向ENE，受台风影响较大；海口湾泥沙主要来源于沿岸侵蚀与海底输沙、南渡江输沙和强劲的琼州海峡潮流扩散所携带的泥沙，根据1984年3月枯季和1988年9月洪季实测资料分析表明：沿岸泥沙含量洪季涨潮东流小于落潮西流，枯季正好相反；枯季实测日平均含沙量最大0.077 kg/m3，最小0.03 kg/m3，洪季实测日平均含沙量最大0.321 kg/m3，最小0.125 kg/m3；洪季含沙量明显大于枯季所测含沙量，但洪季悬移质泥沙主要是由波浪、潮流对岸滩的侵蚀作用造成的，径流仅是影响沿岸水域含沙量的次要因素，泥沙运动输运方向自东向西，南渡江三角洲对西侧海口湾海区泥沙淤积影响较大。本工程距离海口港主航道最近处1.9 km，工程建设是否会对航道水动力条件和泥沙淤积产生影响，需进行论证研究。

1 潮流数学模型

1.1 控制方程离散

建立考虑潮流、径流、风因素的水动力数学模型。

本模型采用格子中心式（CC方式）网格变量布设，将求解的变量分配到有限控制体中心上（控制体几何中心位置），顶点变量通过周围单元中心的变量值以中心到顶点的距离加权平均得到（图2）。

1.2 数值求解

图2 有限体积空间离散Fig.2 Discretization with finite-volume

将模型方程进行变换，成为如下形式

利用Roe格式的近似黎曼解求解方式，计算出n时刻各控制体积的界面通量。对同一个界面两侧的2个有限体积，一个流出的界面通量在数量上恰好等于流入另一个有限体积的量值，两者很好地达到平衡，从而使整个计算域在通量上达到平衡，有效地保证了方程的守恒性［9］。

（1）首先利用欧拉方程的旋转不变性，将二维浅水方程求解化为局部坐标下一维问题（即沿边界法向通量求解）；然后，将“一维化”的方程系数矩阵局部线性化，求出线性化矩阵的特征值和特征向量，进一步沿特征方向分解界面两侧一维化后的守恒变量差值，从而得到特征分解系数，最后求出界面的数值通量Fn。为了在空间上达到二阶精度，在界面通量求解前需要利用状态插值法（MUSCL）对界面上的守恒变量进行重构，重构采用了Van Lee限制器函数。

（2）对底坡源项采用特征分解法，对摩擦源项采用半隐格式离散，保证格式的和谐性。

（3）用欧拉向前格式计算n+1时刻的预测解，由预测解和n时刻的解平均得到n+1/2时刻的解，最后用时间中心格式在n+1/2进行求解，得到n+1时刻的具有二阶时间精度的解。

1.3 模型范围

以琼州海峡作为模型计算域，模型外海边界取潮位过程控制，南渡江以流量控制（图3）。虽然大模型计算范围较大，但是通过控制区域内的非结构化网格的疏密控制整个计算域网格数量，进而控制总体计算量。

1.4 模型验证

图3 模型计算范围及网格划分图Fig.3 Scope and mesh of the model

2009年12 月16～17日对海口湾海区进行了全潮水文测验（图3），潮位测站T1、T2恰好与潮流测站5#、8#位置重合，潮流测站包含流速、流向、悬沙含沙量等，覆盖了整个海口湾，适合本模型验证。

验证模拟过程中，在模型域施加当日实测风场数据，南渡江作为流量边界条件给出，流量取值为年平均流量212 m3/s。通过边界、糙率调整，对海口湾实测水文过程进行验证，潮位、流速、流向过程的验证结果如图4～图5所示［1］。本试验验证误差控制在“海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程”规定误差范围内，可以用来进行工程模拟计算。

图4 潮位验证结果Fig.4 Verification of tidal level

图5 流速流向验证结果Fig.5 Verificaton of flow velocity and direction

2 方案前后水动力条件变化分析

作为海口港3万t级航道代表的特征点，在自港池至外海-12.2 m水深处，沿航道轴线布设10个统计点，航道长约5 km，各点间距离约500m，（图6）。本研究基于这10个特征点进行计算分析。

图7是优化方案工程后海口湾海区涨潮东向（以下简称东向）、落潮西向（以下简称西向）流最大流速时刻流场图。总体上看，工程后除人工岛北侧局部水域及西南侧东向流时段流速增大外，其他海区包括航道所在海域涨落潮流基本呈减小趋势。

海口港3万t级航道走向为163°08′～343°08′，因此垂直航道的横流方向为73°08′～253°08′，设73°08′为横流正值方向，对工程前后西向和东向最大流速时刻航道特征点对应的流速和流向变化值、流向与航道轴线夹角变化值、横流大小变化值进行了统计（表1）。工程前后最大流速值基本呈减小趋势，总体上东向流速度降幅大于西向流，9号点东向流减小了0.13m/s，为最大速度降幅点，这是导致航道横流减小的原因之一；工程后大部分点的流向与航道轴线夹角变小，说明工程建设后跨越航道的潮流流向更偏向于航道轴线走向，4号点东向流流向和航道轴线的夹角减小了77°，使得该点流向基本和航道轴线走向一致，这也是导致航道横流减小的原因之一；将航道各特征点流速向垂直航道轴线的方向投影，得到工程前后航道横流强度，大部分点横流强度均有不同程度的减小，没有强度增大点出现，8、9、10三点的横流减小幅度最大，9号点东向流横流减小0.2m/s，为最大减小值点，通过横流变化值分析，东向流横流减小幅度总体大于西向流横流减小幅度，这说明人工岛对航道东向流遮挡强于对航道西向流的顶托。综上分析，工程实施减小了航道横流强度。

图6 工程位置及航道特征点分布图Fig.6 Sketch of project location and feature points in channel

图7 工程后东向流速最大时刻流场图Fig.7 Flow field of rapid eastward flow

图8 工程后西向流速最大时刻流场图Fig.8 Flow field of rapid westward flow

3 航道冲淤变化分析

目前多采用半经验半理论的公式进行正常天气情况下航道和港池的泥沙分析计算，虽有一定的局限性，但在解决工程问题方面起到了很大的作用［10-12］。本研究采用挟沙力基本公式，推导开敞式航道淤积计算公式，对人工岛建设前后海口港3万t级航道泥沙淤积进行估算。

规范推荐的开敞式航道淤积公式也是由挟沙力基本公式经相应假设而得到的。由于本文要考察的航道淤积变化不是航道开挖前后的淤积变化比较，而是航道附近人工岛的建设改变了已有航道的水流条件，从而引起航道淤积发生变化，因此，基于最近本的依赖于泥沙含量变化的航道淤强公式，推导依赖于航道开挖深度及航道横流变化的航道淤强公式是回答本研究的关键。

利用床沙和悬沙交换原理建立交换平衡方程，进而推导出非平衡输沙公式。假设研究对象为均匀沙，则海床变形方程为

表1 工程前后最大流速时刻航道横流变化统计表Tab.1 Comparison to channel cross-flow after implementation of project

根据实测资料，本海区悬沙中值粒径d50约为0.008mm，据泥沙动水沉降试验结果，取泥沙沉速为0.06 cm/s。采用数值模拟得到的相关结果潮段平均流速和航道设计水深数据，经计算得到航道沿程淤强并绘图如图9所示。

现状和南海明珠二期工程实施后外航道代表点处淤强计算结果表明，外航道年淤强呈双峰分布，最大峰值出现在1.5 km处，3.5 km处次之。现状及二期工程实施后，外航道年淤积量分别为38.1万m3/a、40.85万m3/a，二期工程实施后，整个外航道的年淤积量比现状情况下增加了2.75万m3/a。其中在航道里程3.0～4.0 km附近区域影响最大，工程前后淤强最大变化值为0.10m。

图9 现状及工程实施后外航道淤强沿程分布Fig.9 Silting intensity along channel

4 结论

水动力数值模拟结果表明，工程实施使海口港3万t级航道横流强度比工程前有所减小，航道水动力条件有所减弱，这对通航条件改善有利。工程实施后航道总淤积量略有增加，年淤积量约增加2.75万m3，航道淤积分布趋势基本不变，淤积位置无明显变化，说明工程实施对航道淤积变化影响不大，工程建设平面布置方案是可行的。

［1］康苏海，王建军，张明进.南海明珠人工岛二期工程建设对海口港3万吨级航道影响论证报告［R］.天津:交通运输部天津水科所，2011.

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(1.Hainan Oceania Point Investment&Development Co.,Ltd.,Haikou 570203,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,

Ministry of Transport,Tianjin 300456,China)

Research on effect of Nanhaimingzhu artificial island on channel of Haikou Harbor

ZHAO Yong-yin1,KANG Su-hai2,LIW ang-sheng2

In this paper,the 2D mathematical model with finite volume method was established,and the Qiongzhou Strait including the Haikou Bay was within the scope of themodel.The suitable experiential formula on channel siltation was derived from the basic sediment formula.Then,the variation quantity of sediment siltation in the channel of Haikou Harbor was analyzed.Impacts on the channel of Haikou Harbor due to the project construction were demonstrated from the aspects of hydrodynamic force and sediment siltation.

mathematical model;sediment siltation;channel

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2013）04-0311-06

2013-01-16；

2013-03-19

国家自然科学基金（51209112）；交通运输部科技项目（2011329224170、201132874640、201132800050）

赵永印（1984-），男，海南省人，工程师，主要从事港口航道工程相关工作。

Biography：ZHAO Yong-yin（1984-）,male,engineer.