石浦港下湾门航道工程潮流数值模拟研究

温春鹏，李孟国，李文丹

（1.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨150001；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）

石浦港位于封闭型港湾石浦湾内（图1）。该港区由铜瓦门、东门、下湾门、林门及三门口5 个水道与外海相通，船舶通行以下湾门、东门及铜瓦门水道为主。随着临港工业发展，船只数量激增，现有航道的通航能力明显不足，亟需升级现有航道，建设万吨级以上航道以适应发展需要。但由于铜瓦门、林门和三门口水道自然条件一般，且均已建有桥梁，只有东门水道和下湾门水道是石浦港2 个具有一定通航潜力的水道，可以开辟成万吨级以上航道。

本文对下湾门水道开辟为5 万t 级进行了流场数模研究，航道底宽为165 m，设计水深为-14.8 m（85 高程），边坡为1∶5。航道起始于三门口以东，经中界山以北、汏网屿以南水域，通过下湾门水道延伸至外海，总长度为33.5 km。港内航道开挖部分分为两段，西段由饭甑山东至打鼓峙东（D1 段），东段由中界山中部至汏网屿东（D2 段），两段分别长约4.2 km 和3.7 km，最大挖深分别为4.4 m 和6.9 m；外海航道开挖至满足航道水深处（D3 段），长度为16.1 km，最大挖深6.5 m，具体开挖情况如图2。由于下湾门出海口处的园山不满足设计航道宽度要求，口门处存在大量礁石，其中石栏礁位于航道轴线，堵住了航道口门，为满足进港航道畅通及航道设计要求必须对这两处进行炸礁［1］。炸礁点位置如图3 所示。本文采用基于不规则三角形网格［2］二维潮流数值模拟对下湾门航道进行了研究，分析了航道开挖及炸礁前后的潮流场特征及变化。

1 潮汐潮流特征分析

1.1 潮汐特征

据石浦海洋站实测潮位资料准调和分析计算，石浦港附近水域潮汐特征值（H01+HK1）/HM2＜0.5，表明该海域潮汐性质属正规半日潮。根据2011 年7 月23 日～8 月1日，2011 年7 月21 日～8 月23 日和有关报告统计［3］，该港平均潮差在3.00 m 以上，最大潮差可达6.08 m，平均涨潮历时6∶05，平均落潮历时6∶19，落潮略长于涨潮。

1.2 潮流特征

据石浦港2006 年9～10 月口门段水文全潮验潮流资料调和分析，潮流类型（WO1+WK1）/WM2＜0.5，该工程海域潮流性质属正规半日潮流型，在一个太阴日内有2 次涨潮和2 次落潮流，潮流运动形式为往复流。各站涨、落潮憩流一般发生在高、低潮位前后，最大流速发生在半潮前后，表明石浦港区内潮波属驻波性质。

2011 年7 月24～25 日和7 月31 日～8 月1 日在石浦港区范围进行了全潮同步观测，观测结果表明［3］：（1）石浦港东西向水道潮段流速均在0.50 m/s 以上，最大流速达1.25 m/s；铜瓦门、东门水道内潮段平均流速及最大流速呈现有落潮大于涨潮的变化规律，落潮最大流速分别可达1.20 m/s、0.92 m/s，下湾门水道内段涨落潮最大流速分别为1.29 m/s、1.12 m/s，各站的流速变化呈现有随潮差的增大而增大的变化规律。（2）各站涨落潮流向基本为方向相反的往复流，并与岸线或水道深泓线基本一致。（3）从涨落潮历时上看，落潮平均历时大于涨潮；潮差变化呈由沿海向内陆水域逐渐增大的规律。

2 数学模型的建立及计算

2.1 计算方法及方程

潮流计算采用Mike 系列软件中的三角形网格水动力模块（FM 模块）。控制方程采用经Navier-Stokes 方程沿深积分的二维浅水方程组［4］，并将紊流作用以涡粘系数的形式参数化。基本方程形式为

式中：h=η+d 和d 分别为水面高度和静水深；x 和y 分别为横轴和纵轴坐标；t 为时间；g 为重力加速度；和分别为沿x 和y 方向的深度平均流速；f 为柯氏力系数；ρ 为流体密度；ρ0为参考密度；S 为点源流量；us与vs为点源流速；Tij为应力项，包括粘性应力、紊流应力和对流等，根据水深平均的流速梯度计算。

式中：Cf为拖曳力系数=（ub，vb）为水深平均流速。

水平涡粘性系数采用Samagorinsky 亚网格尺度模型求解，可以较好地描述各种涡的形成，即涡粘系数取为

式中：Cs为可调系数，可取为0.28。

在控制方程的求解过程中使用有限体积法进行离散，采用三角形网格；时间积分采用显式欧拉格式；计算中采用干湿网格方法对浅滩进行考虑。

2.2 计算域的确定及网格划分

模型北起大平岗岛以北的29°32′N 纬度线，南到东肌列岛，东边界在122°26′E 经纬线，南北距离约77 km，东西距离约92 km，包括整个三门湾海域。为拟合复杂岸线和航道等细致建筑物边界，采用不规则三角形网格剖分计算域。现状情况下网格如图4，模型共84 891个网格节点，165 018 个三角形单元，三角形网格最小边长18.22 m，网格最大边长4 880 m。模型边界条件由ChinaTide［5］提供。

2.3 模型验证

为了验证潮流模型的合理性，采用2011 年7 月～8 月大潮和小潮水文观测资料对模型潮位、流速、流向进行验证。本次水文测量在工程海域布置13 个流速、流向和含沙量测站，分别为V1～V13，并布置了H1～H6六个潮位测站（图1）。限于篇幅，只给出部分测站大潮的潮位、流速及流向的验证曲线，如图5～图7。经验证无论在计算的位相、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》［6］的要求，可以用来进行工程方案流场模拟计算研究。

3 潮流计算结果分析

3.1 工程前流场特征

（1）工程海区地形复杂、岛屿众多，外海为逆时针旋转流形式运动，石浦港内水域多呈水道形式，潮流呈往复流形式运动，流向与水道走向基本一致［7］。

（2）石浦港内水域涨潮时，外海潮波通过铜瓦门水道、东门水道、下湾门水道和林门水道流入石浦港内，经三门口水道流出；落潮与涨潮时流路基本一致，只是方向相反，且各口门涨、落潮基本同步（图8）。

（3）石浦港内及口门附近水流流速大于外海水域，这主要是由其潮流通道收缩所引起的。石浦港内全潮平均流速介于0.48～0.95 m/s，最大流速介于0.91～1.40 m/s；外海水域全潮平均流速介于0.29～0.65 m/s，最大流速介于0.3～1.0 m/s。三门湾内全潮平均流速介于0.6～0.8 m/s，最大流速介于0.8～1.70 m/s。

（4）石浦港航道轴线，全潮平均流速介于0.31～0.89 m/s，最大流速介于0.68～1.40 m/s。

（5）下湾门水道全长3.3 km，宽度300～600 m，水深达25～58 m。水道附近水流流速较大，全潮平均流速介于0.15～1.1 m/s，最大流速介于0.6～1.8 m/s。岬角水域存在明显挑流，在岬角背流侧水域内有局部环流发生，最大环流流速约为0.60 m/s。口门内侧潮差较外侧增大，体现在高潮位大幅上扬，低潮位略有下挫，下湾门内外高潮位相差10 cm，低潮位相差4 cm。图9 为工程前下湾门口门处涨、落急时刻流态图。

3.2 工程方案实施后潮流运动

3.2.1 对流场的影响

（1）对流态的影响。经分析［7］，方案的航道布置均充分利用现状海域的岸线及水深，总体挖深较小，并未改变大范围海域潮流运动整体特征，与工程前相比流速矢量无明显变化。方案实施后，将炸礁点处炸除至满足设计航道底高程，与工程前相比，航道轴线水域的流场更加平顺，流向与航道走向基本一致。

（2）对流速的影响。

①下湾门航道方案实施后，三门口—中界山段的航道流速略呈减小趋势，全潮平均流速减小范围介于0.01～0.02 m/s；中界山及汏网屿东北侧深槽附近水域流速呈增加趋势，全潮平均流速增加范围介于0.02～0.04 m/s；中界山—汏网屿段深槽航道流速呈增加趋势，全潮平均流速增加值介于0.02～0.08 m/s；汏网屿北侧深槽流速呈增加趋势，全潮平均流速增加值介于0.02～0.08 m/s；下湾门水道内流速呈增加趋势，全潮平均流速增加值介于0.01～0.4 m/s，最大流速增加值介于0.02～0.50 m/s；口门处流速增加介于0.02～0.08 m/s；外航道段所处水域开阔，由于航道挖深，相比工程前，流速呈现减小的趋势；全潮平均减小值介于0.01～0.06 m/s，最大流速减小值介于0.01～0.08 m/s。图10 为工程海区全潮平均流速差等值线（工程后－工程前）。

②下湾门水道由于水深条件良好，没有实施航道开挖工程，工程整治重点主要是位于下湾门水道出口部分的炸礁点A 和炸礁点B，其中炸礁点B 即石栏礁，是暗礁，位于规划出海航道轴线上，将其消除至满足设计航道底高程后，流速有所减小，全潮平均流速减小值介于0.04～0.2 m/s。石栏礁消除后，通过该段进出下湾门水道的流量将有所增加，受此影响，金龙礁南侧水流得以增强，金龙礁北侧水流消弱，使得通过该段进入下湾门水道的水流基本与岸线平行，可以满足航行要求。

炸礁点A 位于园山，该点在消除至满足设计航道底宽和水深的条件下，附近水域的涨落潮水流也明显得到改善，园山附近航道轴线水域的流场趋于平顺。涨潮时刻，因园山挑流作用被消弱，形成的环流有所减弱，最大环流流速约为0.6 m/s；落潮时段，下湾门水道两侧存在一系列环流，园山处的环流强度同涨潮一样有所减弱，最大环流流速约为0.3 m/s，环流持续时间基本覆盖了全潮过程。图11 为工程后下湾门口门处涨落急流场图。

3.2.2 对潮位的影响

炸礁工程后口门局部拓宽，且航道段亦有所浚深。为考察炸礁工程对口内外潮位影响，表1 给出了航道方案实施后，取样点处高低潮位变化情况（图1 中X1～X3 点）。经分析，总体来说，航道开挖及局部炸礁工程方案实施后，引起高低潮位变化均在1cm 以内，对潮位变化无影响。

表1 特征点高、低潮位变化Tab.1 Change of feature points at high and low tidal levels m

3.2.3 对潮量的影响

炸礁工程实施后，口门处过水断面增大，将引起各口门潮量的变化。为分析方案对工程海域各通道断面潮量的影响，在各口门附近选取了5 条断面（图1 中D1～D5），方案实施后：铜瓦门水道断面涨、落潮潮量均有减少，减幅在1%～2%。林门水道断面涨、落潮潮量均略有减少，幅度在1%～3%；三门口断面涨、落潮潮量均略有增加，幅度在1%～3%。东门水道断面涨、落潮潮量有所减小，减幅在2%～3%。下湾门水道断面涨、落潮潮量均有所增加，增幅在3%～6%。铜瓦门、东门和下湾门涨落潮分流比分别为0.26：0.16：0.58、0.28：0.16：0.56。

总体来说下湾门方案及炸礁工程后，下湾门口门处潮量增加，而其他口门潮量降低，铜瓦门和东门变幅较大；林门和三门口由于距工程较远，从而潮量变幅微弱。

3.2.4 航道横流分析［7］

进港航道内的横流直接影响通航安全，也是航道宽度设计的重要参数，因此对横流的全面把握具有十分重要的意义。经统计：在航道转弯位置、进港口门以及外海航道处潮流主向与航道轴线夹角较大，横流较强且历时较长，而其他区段由于潮流基本呈顺槽运动，从而横流均较弱。方案实施后，航道内最大横流约为0.67 m/s，位于南田岛东侧外海航道转弯处，且最大横流出现时刻为落急。

4 结论

（1）石浦港海域潮汐性质属正规半日潮，潮流性质属正规半日潮流型。潮流运动基本为往复运动，流向与水道走向基本一致。港内及进港口门附近水流流速大于外海水域。石浦港内全潮平均流速介于0.48～0.95 m/s，最大流速介于0.91～1.40 m/s；外海水域全潮平均流速介于0.29～0.65 m/s，最大流速介于0.3～1.0 m/s。

（2）下湾门航道工程方案实施后，由于水深总体挖深较小，流速变化很小，并未改变大范围海域潮流运动整体特征。开挖段航道流速呈减小的趋势，深槽水域流速呈增加趋势。外航道段所处水域开阔，由于航道有所挖深，相比工程前，流速呈现减小的趋势。

（3）下湾门航道工程方案实施后，口门处因炸礁使得航道轴线水域的流场趋于平顺，流向与航道走向基本一致，对周边流场基本没有影响。受岸线挑流影响，涨、落潮时在水道两侧分别形成环流，持续时间、强度与工程前相差不大。

（4）下湾门航道开挖及局部炸礁工程方案实施后，引起高低潮位变化均在1 cm 以内，对潮位变化无影响。

（5）下湾门航道工程方案实施后，下湾门口门处潮量增加，而其他口门潮量降低，铜瓦门和东门变幅较大，林门和三门口由于距工程较远，从而潮量变幅微弱。铜瓦门、东门和下湾门涨落潮分流比分别为0.26：0.16：0.58、0.28：0.16：0.56。

（6）航道转弯位置、进港口门以及外海航道处横流较强，其他区段横流均较弱。方案实施后，航道内最大横流约为0.67 m/s，位于南田岛东侧外海航道转弯处。

（7）综合来看，下湾门航道工程实施后，工程区的潮位潮量变化不大，港内流态较平顺，下湾门水道及口门处的流态得到了较大的改善，可以满足航行要求，因此下湾门方案是可行的。

［1］王义刚，梁亮，王震.石浦港口门炸礁工程对港内影响研究［C］//中国海洋工程学会. 第十二届中国海岸工程学术研讨会论文集.北京：海洋出版社,2005.

［2］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.

［3］麦苗，蔡寅，韩志远，等.石浦港航道工程自然条件与冲淤演变分析［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2012.

［4］DHI. MIKE21 User Guider［M］. Denmark: DHI Water & Environment，2007.

［5］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.

［6］JTS/T231-2-2010，海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程［S］.

［7］李文丹，解鸣晓，温春鹏.石浦港航道工程潮流泥沙数学模型试验研究报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2012.