琼州海峡汽车轮渡港区泥沙运动数值模拟研究*1

刘 臣

(交通部 天津水运工程科学研究所，天津 300456)

琼州海峡汽车轮渡港区泥沙运动数值模拟研究*1

刘 臣

(交通部 天津水运工程科学研究所，天津 300456)

采用Delft3D软件建立了琼州海峡汽车轮渡改扩建工程海区风浪、潮流和泥沙耦合计算数学模型，并采用实测潮位、流速、含沙量和地形变化资料对模型进行了率定。在数值计算成果与实测资料达到精度要求后，首先对潮流场分布进行了分析，然后对工程前后工程海域含沙量分布及变化进行了研究，最后给出了工程区域地形冲淤变化。

港口；汽车轮渡；防波堤；流场；含沙量；冲淤变化

海南为我国最南端离岸岛省，海南岛与内陆相隔于琼州海峡。目前，海南与内陆之间交通除空中走廊，还有跨越海峡的火车、汽车轮渡。随着我国社会经济的发展，原有的汽车轮渡已滞后于社会发展的需求。跨海峡汽车轮渡改扩建工程海南省侧港址位于海口新海港区，海区东部为海口湾、西部为澄迈湾，港区南部紧邻粤海铁路轮渡南港。

在自然状态下，海域水动力和泥沙输运处于动平衡状态，但建设涉水工程会对附近海域的水动力条件产生影响。规划港口建成后，港区航道水流、波浪、含沙量和地形变化是港口建设必须考虑的问题。本研究利用Delft3D软件，建立风、浪、流和泥沙输运长时间系列耦合计算模型，研究预测了工程海域含沙量和地形变化并分析了长时间系列地形变化。

1 模型建立与验证

1.1 耦合计算基本流程

“风吹成浪、波浪掀沙、潮流输沙”是海区水动力对泥沙作用的基本机理。研究利用Delft3D软件，为工程海区建立了“风、浪、流和泥沙输运长时间系列”耦合计算模型，模拟分析港区及进港航道水流[1]、波浪[2]、含沙量和地形变化。Delft3D是目前国际上广为应用的水动力软件[3]。在泥沙输运模拟方面，模型进行水流、风、浪和泥沙耦合计算。

Delft3D水动力软件潮流模块为三维设置；风浪模块为目前应用广泛的SWAN(Simulating Waves Nearshore)第三代波浪模型；泥沙模型将泥沙分为粘性沙和非粘性沙，本工程区泥沙属粘性沙，在粘性沙计算中既考虑悬沙，也考虑底沙。模型模拟计算流程见图1。

图1 计算流程示意图Fig.1 Schematic diagram of calculation process

1.2 模型建立

数值模拟计算域覆盖整个琼州海峡通道，北岸西起灯角楼，东至井盐角；南岸西起红石岛，东至海南角(图2)。模型边界采用潮位控制，角点潮位初值采用潮汐软件[3]预测成果；海域初始水位、含沙量取计算初始时刻H2点(图3)实测值。

图2 工程位置示意图Fig.2 Sketch of the engineering construction location

图3 潮流观测位置Fig.3 Location of the tidal current observation

1.3 模型验证

1.3.1 潮位潮流含沙量验证

验证采用2012-04-11T10:00—12T11:00海口金沙湾海洋水文(大潮)实测资料，观测点具体位置见图3。在测点H1～H6进行了潮流流速、流向及含沙量观测，在测点H3进行了潮位观测。图4～图6分别为潮位、潮流和含沙量验证成果，潮位偏差小于0.05 m；流速变化过程计算与实测基本一致，涨落急同步；含沙量计算与实测十分接近。

图4 测点H3潮位验证Fig.4 Verifiction oftidal level at H3 station

图6 含沙量验证Fig.6 Verifiction of the sediment concentrations

1.3.2 地形冲淤验证

海床冲淤验证计算，起始地形为2006-05的水深资料，校核地形为2008-08的水深资料，期间风资料采用美国环境预报中心的NCEP同期数据。图7为实测和计算地形平面图，南港防波堤与岸线围成的三角水域计算与实测淤积最大厚度均为0.75 m、基本厚度约为0.5 m，淤积量部位计算结果与实测资料吻合良好。

我真没想到，她竟然这么看轻我，我很愤怒，身体仿佛被一把利刃割着，浑身虫噬般痛苦，于是我大声说：“你等着瞧！你有什么了不起，难道你是珠穆朗玛峰吗？我还不能超过了。”

图7 地形变化验证Fig.7 Verifiction of the topographical variations

上述模型计算取得的潮位、流速、冲淤量和冲淤部位计算成果表明，模型计算精度满足规程[5]要求。根据验证计算，得到地形变化相关计算参数：1)海域曼宁糙率为0.025；2)工程区海域床面可动泥沙中值粒径约为0.010～0.200 mm，计算取0.035 mm；3)波浪计算参数采用软件默认值；4)水流方程组迭代计算时间步长30 s。

2 海域潮流分布分析

海峡潮流涨急时刻自西向东流、落急时刻自东向西流，东向流流速大于西向流流速，即流速在涨潮时大于落潮时的值；由于海峡宽度天尾角以东窄于天尾角以西，使得流速在天尾角以西水域小于以东水域；澄迈湾东岸近岸潮流基本为沿岸流；工程区位于天尾角西侧、澄迈湾东海岸，涨、落急时刻潮流走向基本为NE—SW向往复流。工程区流速[1]在涨急时小于2.0 m/s、落急时小于0.5 m/s(图8)。

图8 琼州海峡涨、落急时刻流场Fig.8 The current field at flood and ebb strength in the Qiongzhou Strait

3 工程区泥沙问题研究

琼州海峡汽车轮渡港区位于粤海铁路南港北部。建设方案：防波堤口门宽217 m；航道为10000GT双向，航宽217 m，航道水深8.0 m。口门内航道南边线距光缆72 m(口门外水深大于8.0 m，航道与光缆线交汇处水深为10.5 m，不需疏浚施工)，航道北边线距北防波堤堤头26 m，调头圆直径384 m。

3.1 含沙量

采用针对2012-04-11T10:00—12T11:00时海口金沙湾海洋水文(大潮)实测资料模拟计算分析含沙量。

3.1.1 工程前

图9为工程前海域涨落急时刻含沙量分布。天尾角以北浅滩水域水体含沙量略大，近岸浅水区小于近岸深水区，工程区附近海域含沙量大致小于0.03 kg/m3。在粤海铁路港区含沙量大致小于0.026 kg/m3，落急时刻略大于涨急时刻。

3.1.2 工程后

图10为工程后海域涨、落急时刻含沙量分布。涨急时刻海域北部含沙量略大于南部。1)对于汽车轮渡港区，工程后口门处基本为0.023 kg/m3、转向圆中部基本为0.020 kg/m3、泊位处基本为0.018 kg/m3，光缆沿线含沙量比工程前略有减小，其中0.027 5 kg/m3等值线外移300 m、0.030 kg/m3等值线外移330 m。2)对于粤海铁路南港，工程前后防波堤口门处基本均为0.022 5 kg/m3，汽车轮渡建设对南港港区几乎无影响；口门外近区略有减小，其中北防波堤头部0.025 kg/m3等值线外移70 m、0.027 5 kg/m3等值线外移100 m。

落急时刻：1)在汽车轮渡港区，工程后口门处为0.028 kg/m3、转向圆中心处为0.025 kg/m3。2)在粤海铁路南港，工程前后防波堤口门处基本为0.027 kg/m3，汽车轮渡建设对南港港区几乎无影响；北防波堤头部以西水域略有减小，其中0.030 kg/m3等值线距北防波堤头部距离外移150 m。

图9 工程前海域含沙量分布Fig.9 The distribution of sediment concentration before the engineering construction in the study area

图10 工程后海域含沙量分布Fig.10 The distribution of sediment concentration after the engineering construction in the study area

3.2 港区地形变化

地形变化计算初始地形采用2008年实测最新资料，风、浪和潮流条件采用前文地形变化验证成果。计算风浪条件使用2006-06-2008-08 NCEP数据，历时26个月，将计算成果按系数12(年月数)/26(计算月数)进行数学处理，得到年地形变化。图11为港区年冲淤变化结果，可以看出，地形变化基本表现为防波堤口门外冲刷、口门及内部港区淤积。

图11 港区工程后地形冲淤变化Fig.11 Variations of scouring and silting terrain after the engineering construction in the study area

口门外，受防波堤影响，在北防波堤头部以北区域发生冲刷，冲刷最大深度0.65 m。由于受防波堤掩护，近堤部位有所淤积；航道走向水域冲刷较弱，最大冲刷深度约为0.15 m。防波堤口门及其内部港区淤积。淤积最大部位发生在口门处，最大淤积厚度小于0.25 m，向内淤积逐渐减弱，转向圆中心处为0.11 m，泊位处约为0.10 m。根据水深图，口门处水深满足通航要求，不需疏浚。疏浚区为港内水域，疏浚面积341 886 m2，平均淤厚0.11 m，年清淤量为3.76×104m3。

4 结 论

1)模型验证结果表明，风、浪、流和泥沙耦合模拟计算能较好地反映海域潮流、泥沙及地形变化特征。

2)琼州海峡潮流在涨急时刻自西向东流、落急时刻自东向西流，涨潮流速大于落潮流速。工程区位于天尾角西侧、澄迈湾东海岸，潮流走向基本为NE—SW向往复流。

3)根据2006-2008年风况模拟，港区年淤积强度在口门处、调头圆中心处和泊位处分别为0.25,0.11和0.10 m/a。

4)在汽车轮渡港，工程后防波堤口门处涨、落急时刻含沙量分别为0.023 kg/m3和0.027 kg/m3。汽车轮渡码头建设使得防波堤口门外侧含沙量略有减小，其中在海底光缆处0.030 kg/m3等值线涨急时刻外移330 m。

5)在粤海铁轮渡南港，汽车轮渡港建设对防波堤口门内含沙量基本无影响，口门外侧近区略有减小，其中0.030 kg/m3等值线距北防波堤头部距离涨急时刻外移70 m。

[1]刘臣,李少年,马殿光.琼州海峡新海汽车轮渡码头通航水流条件分析[J].海岸工程,2014,33(2):12-19.

[2]刘臣,李少年,马殿光.琼州海峡海口汽车轮渡码头泊稳条件分析[J].中国水运,2014,14(1):22-24.

[3]刘臣,闫建英.龙口港航道扩建工程疏浚土输移研究[J].中国港湾建设,2010,(1):39-43.

[4]李梦国,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.

[5]JTS/T231-2-2010 海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程[S].北京：人民交通出版社，2010.

NumericalSimulationStudyonSedimentMovementintheAutomobileFerryPortAreaofQiongzhouStrait

LIUChen

(TianjinResearchInstituteofWaterTransportEngineering,Tianjin 300456,China)

A coupling mathematical model of wind,wave,tidal current and sediment in the engineering area which is an expansion project for the automobile ferry port of Qiongzhou Strait,is established by using software Delft3D and calibrated based on the measured data of tidal level,current velocity,sediment concentration and topography.After the calculated results are consistent with the measured data,the distribution of tidal current field in the study area is firstly analyzed,and then the distributions and changes of sediment concentrations before and after the engineering construction are studied.Finally,the variations of scouring and silting terrain in the engineering area are described.

port;automobile ferry;breakwater;current field;sediment concentration;changes in scouring and silting

2014-03-19

刘 臣(1964-)，男，研究员，主要从事港口航道设计方面研究.E-mail:lctks@163.com(陈 靖 编辑)

U65

A

1002-3682(2014)03-0017-09