岛群海域渔港建设原则数学模型

解鸣晓，李醒，李文丹，李鑫

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.中国水产科学研究院渔业工程研究所，北京 100141）

0 引言

作为我国水产行业的重要节点，渔港建设对渔业经济发展起到至关重要的作用，亦是振兴渔村及周边城市经济的重要枢纽。由于渔船吨级及船舶尺度较小，抵抗波浪和横流能力较弱，对泊稳和通航安全的要求较高，因此多布置在避风条件较佳、水域较平静的海区。在岛群海域的避风侧建设渔港，岛屿可有效阻挡外海传入的风浪，泊稳较佳，一般来说为较为优良的港址。然而，多岛屿海域岸线复杂，岛屿间多存在狭窄的潮汐通道，常可形成较强束流，流速较高，多超过1.0 m/s，对船舶通航存在隐患。此外，渔港规模及投资均较低，港池、航道开挖后的回淤量直接影响维护成本，也是需重点关注的问题。

基于以上原因，以建设于典型多岛屿、强潮流海域的渔港为例，通过水动力泥沙分析结合平面二维潮流泥沙数学模型试验的研究手段，探讨此种类型海域渔港平面布置的基本原则，有关研究结论可为相关决策提供科学依据。

宁波石浦港区位于浙江中部沿海，为我国四大渔港之一，属典型岛群海域，其由东门岛、对面山岛、南田岛、高塘岛诸岛围列，由铜瓦门、东门、下湾门、林门及三门口5条水道与外海相通（见图1）。本文以石浦港区作为典型案例开展研究。多家学者分别采用实测资料统计、数学模型试验、现场观测分析等技术手段，针对该港区水动力泥沙条件进行了相关研究，提供了有益参考[1-5]。

图1 工程区位与水文测站位置示意图Fig.1 Location map of the project and hydrological station

1 自然条件

1.1 风况

该区风向呈季节性变化。据石浦当地气象站多年风资料统计，春夏季盛行SW向风，夏末至秋冬盛行偏N向风，常风向为SW和N向，频率分别为17%、16%，年平均风速为5.4 m/s，强风向为NE向，年最大风速可达40 m/s（ENE）。

1.2 波浪

石浦港水域缺乏有效的长期波浪观测资料，采用南侧约80 km处的大陈岛海洋站资料进行统计分析。全年常浪向主要为ENE～SE向及N、NNE向，波高主要集中在0.6～2.5 m。强浪向为E向，最大波高为9.1～9.5 m，次强浪向为ENE向和N向。港内波浪主要是风成浪，波高一般小于0.8 m，台风过境时，最大波高在1.5 m左右。

1.3 潮流

根据数据统计[3]（水文泥沙测站位置见图1），潮汐性质属正规半日潮，平均潮差在3.00 m以上，最大潮差可达6.08 m；东西向水道潮段流速均在0.50 m/s以上，最大在1.14 m/s以上，铜瓦门，东门水道内段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可达1.29 m/s，涨落潮流向基本为方向相反的往复流，与岸线或水道深泓线基本一致。

1.4 泥沙环境

工程海域含沙量随潮差变化。大潮涨落潮平均含沙量分别为0.286 kg/m3、0.261 kg/m3，口门外涨落潮含沙量分别为0.154 kg/m3，0.233 kg/m3，小潮平均含沙量为大潮的1/3～1/4；悬沙中值粒径为0.008 2 mm，主要为黏土质粉砂、粉砂，其中粉砂物质主要在垂线流速较大的地方出现。

2 数学模型

2.1 计算理论

潮流数学模型建立采用Mike21软件包的FM水动力模块[6]，其理论基于平面二维浅水方程组，控制方程基本形式见式（1）~式（3）。

式中：h=η+d，η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；u和v 分别为沿x和y方向的深度平均流速；f为科氏力系数；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，包括黏性应力、紊流应力和对流等，根据水深平均的流速梯度计算。

模拟中计算域剖分采用无结构三角形网格，并采用大、小尺度模型嵌套手段。图2中示意了模型计算范围与网格配置情况，其中最小网格尺度为20 m。大尺度模型潮位边界条件由东中国海潮波运动模型提供，并考虑8个主要分潮（S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M2）。

图2 计算模型网格划分Fig.2 Grid division of the computational model

波浪传播采用Mike21软件包的SW模型进行计算[7]，控制方程可表示为式（4）～式（7）。

式中：N为动谱密度；t为时间；x 为笛卡尔坐标系Δ；v 为波群速度；S为能量平衡方程中的源项；为微分算子；Δs为波浪的传播方向；θ和m为垂直于s的方向；x 为在x空间上的二维微分算子。

经实测资料分析[3]，石浦海域床面表层底质类型属典型淤泥质，从而泥沙运动形态以悬移质为主，推移质输沙甚微。因此，泥沙运动模拟采用平面二维悬沙输移扩散方程[8]，形式如式（8）。床面冲淤变化方程可由式（9）表示。底部冲淤函数Fs与底部剪切应力及泥沙特征有关，由式（10）确定。

式中：C为垂线平均含沙量；Dx，Dy分别为x，y方向的泥沙扩散系数；Fs为泥沙冲淤函数。

式中：γd为床沙干容重；ηb为海底床面的竖向位移（即冲淤变化量）。

式中：τ为水流底部剪切应力；τd为临界淤积切应力；τe为临界起动切应力；M为冲刷系数；ωs为泥沙絮凝沉降速度。

2.2 模型验证

潮位、潮流及含沙量验证依据2011年8月现场实测大、小潮水文测验数据（见图1）。为节约篇幅，仅以大潮为例给出部分结果，如图3、图4中所示；地形验证采用天然条件下的岸滩演变资料，自三门口至汏网屿每隔600 m布设1个验证断面。限于篇幅，其它验证成果可详见文献[4]。计算值与实测值吻合良好，符合现行JTS/T 231-2—2010《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》要求。

图3 大潮V1流速流向验证Fig.3 Verification of the flow velocity and direction of the tide V1

3 渔港选址及方案布置原则

对港区选址而言，应根据港口功能综合考虑当地的自然条件，包括水深、波浪、潮流、泥沙等环境，合理地选择建港位置。在平面布置选取时，更应兼顾结构稳定性，并尽可能节省投资、减少建港后的港口维护费用。分别采用自然条件分析及数学模型试验手段，以石浦港区为例，全面探讨岛群强潮流海域的渔港方案布置原则。在方案分析中，采用400 Hp级渔船为例，即港池底标高-6.3 m。

3.1 建港条件分析

3.1.1 天然水深分析

在港口建设时，应尽量避免开挖，充分利用天然水深。图5中示意了石浦海域的水下地形图，由图可见，除部分浅滩外，湾内水深一般均超过10 m；几个通海口门处水深条件较佳，其中铜瓦门水道水深10～42 m，东门水道水深4～56 m，下湾门水道深泓线水深可达19～60 m。总体来说，该海域自然水深良好，具备建设400 Hp级渔港的水深条件。

图5 石浦海域水下地形示意图Fig.5 Sketch of the underwater topography of the Shipu sea area

分别选择A、B、C、D 4个不同区域作为拟建码头位置分别进行研究，其中A为石浦港湾内，B为东门水道，C为下湾门，D为铜瓦门及东门间水道。由于A区近岸多有浅滩，选择此处建设400 Hp级码头，需进行局部开挖，同时B区、C区口门附近伴有岛、礁等地形，如在此区域建设港址，需要局部炸礁。因此，从节省工程量角度，宜考虑D区。

3.1.2 波浪环境分析

多个岛屿在湾口形成天然屏障，对湾内水体形成了明显的掩护，湾内波浪多为外海涌浪绕射产生，因此研究区域内主要以小风区所产生的风成浪为主，风区长度成为主要的影响因素。而湾内（A区）及东门水道（B区）风区较长，易在风驱动下产生较大的波浪；通过对比，下湾门及东门岛西侧（C区、D区）完全处于岛屿的掩护区，且风区长度较短，更利于船舶作业安全。

3.1.3 潮流环境分析

图6中示意了数值模拟所得的大潮涨、落急流场矢量图及流速等值线。根据潮流计算结果，该海域潮流运动具有如下特征：

1）涨潮时外海潮波分别由铜瓦门、东门和下湾门流入并在湾内汇集并经由三门口流出，湾内各处水流平顺，基本与岸线平行作往复运动，各处流态差异不大；落潮与涨潮时流路基本一致，方向相反，但在三门附近受地形影响流态略为复杂。

2） 海域附近潮流较强，各处涨急时流速较大，多处流速超过1.0 m/s，在各口门由于潮流通道迅速收缩，最大流速可达2.0 m/s。

3）近岸由于岛屿众多，岸线复杂，外海潮流运动至近岸时，受到岛礁影响，出现挑流与回流，流态较为复杂，流速变化也比较明显，岛屿间的潮流通道内基本为双向流。

图6 大潮流态平面分布情况Fig.6 Planedistribution of the flow state of thetide

3.1.4 泥沙环境分析

据实测资料统计，该海域大潮涨落潮平均含沙量为0.254 kg/m3，0.265 kg/m3，水体含沙量相对较高，泥沙主要受到强潮流搬运作用。根据研究成果[1，4]，在石浦港区现有渔港中，挖槽后淤积问题相对较重。因此，在港区选址中，应尽可能避免挖槽，或尽可能避免造成港区处动力环境的减弱。

综合以上对自然水深、波浪及潮流的相关分析，湾内（A区）如建设3 000 t级码头需开挖，可能引起一定淤积，且风区较长，对泊稳不利；东门（B区）较为开敞，外海波浪可传入对泊稳不利；东门岛西侧（D区）与下湾门（C区）水深较佳，且波浪直接可受岛屿阻挡，泊稳条件应较佳，且潮流条件类似，均具备一定的建港条件。然而，考虑到下湾门（C区）水深较大，对于小规模的港口建设造价较高，同时口门处也存在明礁及暗礁，会对船舶航行有一定的影响。综上所述，东门岛西侧（D区）为最优建港位置。

3.2 方案平面布置原则

通过对自然条件的综合分析，初步选取了较为适宜的港址。以D区港址为例，进一步探讨港区方案的平面布置形式。

目前，海港建设中广泛采用的平面形式可分为环抱式和开敞式，而开敞式码头又可分为重力式和高桩式。

1）环抱式布置多用于港内掩护较差的条件，通过修建防波堤构成局部口门，可抵御外海波浪，保证港内正常作业。实际上，对D区港址而言，由于岛屿的天然屏障作用，港内波高本极小，进一步掩护略显多余。此外，如采用环抱式布置方案，其防波堤轴线位置较难选择，特别是在堤头挑流作用下，如进港航道轴线与潮流主轴垂直，则易造成接近1.0 m/s的较强横流，且在口门内形成回流，造成集中淤积。因此，码头平面布置宜采用开敞式。

2） 考虑到岛群海域潮流主轴与岸线基本平行，码头轴线及航道选线宜采用顺岸走向，可保证码头前缘流态平顺，此外亦可降低进港航道的横流。

3） 在码头结构选取上，存在重力式及高桩式。其中重力式码头优点为横流低，无离岸开流，对船舶靠泊有利，但整体造价高。高桩式码头由于可透水，可能存在一定开、拢流问题，但由于该区水流平顺，如其轴线设计合理，造成的开、拢流应较低，且其整体造价较低。对石浦港区而言，由于地基为软基，采用重力式造价不菲，从而推荐选取高桩形式。

综合以上对港址、方案布置的全面分析，表1中列出了不同位置的建港条件及推荐布置形式。

表1 拟建港位置建港条件分析Table 1 Locations of the proposed ports and the condition analysison theports

3.3 方案特征参数计算结果

根据上节中对渔港选址、方案布置原则的探讨，图7中据其思路设计了一个渔港方案，其中港区选址在D区，码头采用顺岸高桩式，航道及码头前沿轴线选取与潮流主轴平行，码头与岸侧以引桥连接，码头长度为200 m，航道及港池疏浚底高程为理论基面-6.3 m。

图7 拟建工程布置示意图（等深线为理论最低潮面）Fig.7 Sketch of the proposed project layout（the isobath is the abstractly lowest water level）

分别采用波浪、潮流和泥沙运动数学模型试验，对方案建成后的主要特征参数进行研究，经分析得到以下主要结论：

1）由于高桩码头下部为透水结构，工程建设后仅会对局部流场产生影响，大范围内仍保持工程前流态，但受桩基阻力的影响，局部流速略有降低，由于天然水深条件满足要求，不存在航道人工开挖维护，仅由于桩基阻流在码头前缘局部造成淤积，经计算年淤强约为0.4 m/a，通过正常维护疏浚即可解决，不会大幅度增加维护费用。

2）由于码头及航道轴线均与潮流主轴平行，从而航道最大横流仅为0.2 m/s，最大码头前缘开流在0.10 m/s左右。这种横流与开流量级均已较低，不会对船舶通航及渔船靠离泊造成影响。

3）采用美国海岸防护手册推荐的SMB方法对小风区波浪进行计算[9-10]，取风区长度为650 m，计算等级为6级风，取最大风速13.8 m/s，计算结果为H13%=0.30 m、Ts=1.9 s，在5级风作用下，取最大风速10.7 m/s，H13%=0.22 m、Ts=1.7 s。根据SC/T 9010—2000《渔港总体设计规范》8.6.8中规定，可满足作业条件。

根据以上模拟成果，基于本文中提出的原则，所设计的概念方案无论在波浪、潮流还是泥沙淤积方面均较佳，进一步证实了所提出渔港建设原则的合理性。

4 结语

本文全面评价及探索多岛屿、强流速海域中渔港建设中的水动力泥沙问题，并提出优化渔港布置的相应原则，为渔港建设提供技术依据。经归纳总结，在多岛屿、强流速海域建设渔港工程时，建议采用以下主要原则：

1）由于渔船吨位较小，抵抗波浪能力弱，从而宜充分利用当地的岛屿条件，将其作为天然的波浪防护屏障，减少波浪对工程区域的直接作用。

2）渔港工程投资额一般较小，航道港池设计宜利用天然水深，尽量避免或减少人工开挖，规避浅滩开挖导致的回淤，以达到降低维护疏浚费用的目的。

3）岛群海域潮流运动受岸线归束，多为往复形式。航道及码头前沿线的选取宜与潮流主轴平行，以规避较强的航道横流及泊位处开、拢流的影响。

4）在口门布置上，应尽量避免双环抱结构布置形式，而宜采用开敞式结构。

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