盘锦新港区二维潮流泥沙数学模型研究

高祥宇，窦希萍，潘 昀

（南京水利科学研究院港口航道泥沙工程交通部重点实验室，江苏 南京 210029）

盘锦位于辽宁省西南部、渤海北岸、辽河三角洲中心地带，有118km海岸线，东与鞍山市相连，南邻辽东湾、营口市，西北与锦州市接壤。为了充分利用好营口港的货源、深水泊位、过驳船舶等资源优势，营口港与盘锦港共同开发建设盘锦新港区。新港区起步和规划工程为2万吨级码头和航道，工程区域为粉沙黏土质海岸，东北部为平坦的滩涂，东南部为辽河口西滩，西部有哈利岗子滩 （盖州滩），工程位置及水文观测站布置图见图1。本文在海床演变及稳定分析的基础上，利用平面二维潮流泥沙数学模型研究工程实施后水动力场的变化和港池与航道泥沙回淤特征，为盘锦新港区工程可行性研究提供参考依据。

图1 工程位置及水文观测站布置图

1 自然条件

1.1 潮 汐

辽河口潮型属于不正规半日潮，其特点是潮差大，且日潮不等显著。四道沟历史最高水位5.06m，历史最低水位为-0.43m，最大潮差4.42m。平均涨潮历时5h左右，平均落潮历时7～8h，落潮历时大于涨潮历时。

1.2 潮 流

根据实测垂线 （见图1）资料分析，涨潮流向为偏北向，即322°～58°，落潮流速的流向为偏南向，流向在190°左右。涨潮流平均流速最大值1.07m／s，落潮流平均流速最大值0.87m／s，平均落潮流速均小于平均涨潮流速。

1.3 波 浪

拟建港区外海以风浪为主，涌浪较少。波高小于0.5m出现频率为74.8%，波高大于1.0m出现频率为3.7%。常浪向为SSW，频率为23.1%；其次为SW向，出现频率为17.5%。

1.4 泥沙特性及含沙量分布特征

悬移质中值粒径为0.0039～0.0084mm，推移质中值粒径为0.0275～0.0631mm。工程海区悬沙主要是粉砂和黏土质粉砂。表层沉积物的类型有黏土质粉砂、粉砂质砂及砂、黏土质粉砂。

含沙量的变化范围为0.001～0.607kg／m3，全潮平均含沙量的变化范围0.019～0.250kg／m3。平均含沙量与潮汐特征有一定关系，主要表现为大潮期大，小潮期小。

2 岸滩演变及稳定性分析

辽河口位于下辽河平原，在构造上属于新华夏系的第二巨型沉降带。遥感卫片解译结果表明，辽河口东岸滩在1958—1977年略有淤长，平均变化率0.2～0.3m／a，西岸变化不大。1978—1991年，各浅滩冲淤变化较小，除东滩有较大的扩张外，西滩略有冲淤变化，两侧岸边滩略有冲退。1991—2000年，各浅滩淤涨速度较快，西滩主要西北和西向发展淤长。西滩北侧的西水道，在20世纪80年代，大于0m水深的过水宽度有2044～3563m，90年代以后，由于心滩发展，现过水宽度已大大缩窄，仅有770m左右，西滩小于0m水深的面积从1991年的18.4km2到2000年的30.4km2，增长了65%，东岸滩以平均每年2.14m的速度向海扩张延伸［1-2］。

近年来工程区附近岸线基本稳定。但在大辽河口附近由于水流条件复杂，口门处拦门沙复杂多变，20世纪60年代河口西滩形成为一整体滩地，把辽河口分为西和南2条入海通道，到了20世纪90年代，西航道附近西滩被冲刷成若干孤立滩地，而东滩进一步淤积增大。近年来通过工程的控制基本趋于稳定。

工程区域-10，-5m等深线有逐渐近岸的趋势，即水下岸坡呈冲刷动态。盖州滩东南部近年来有局部的冲刷，深槽的-10m等深线范围相对稳定。

3 二维潮流泥沙数学模型

3.1 二维潮流泥沙运动基本方程

在正交曲线坐标系ξ-η下，二维潮流泥沙运动基本方程可表示为如下形式：

连续性方程：

动量方程：

悬移质不平衡输沙方程［3］：

河床变形方程：

式中：γ和γS分别为水和泥沙颗粒容重（kg／m3），HW和T分别为平均波高（m）和周期（s）。α0和β0为待定系数，模型采用α0=0.023，β0=0.04fw，fw为波浪摩阻系数。

3.2 模型范围、地形及网格

数学模型采用大小模型 （见图2）嵌套计算，大模型为小模型提供水动力边界。小模型范围南边从太平角开始，西边界到双台子河口大约距离15km处，北至双台子河口以外13km处，大辽河上游边界距河口约140多公里。模型大范围地形采用2005年辽东湾海图和辽河口海图，局部采用2006年实测水深地形 （见图3）。模型采用正交曲线网格，大模型最小网格尺度200m，小模型最小网格尺度30m。

图2 大小模型范围图

图3 小模型地形概化图

4 潮流泥沙数学模型验证

4.1 初边值条件

边界条件：大模型外海开边界由东中国海模型提供的潮位控制，双台子河上游由潮位控制，大辽河上游位于潮区界以上，因上游径流量较小，以闭边界处理。小模型外海边界由大模型提供，上游边界跟大模型相同。泥沙模型南边界给一定值0.1kg／m3，上游和西边界根据实测资料插值求得。

初始条件：模型采用冷启动方式运行，计算时取初始流速u0=0和v0=0，初始潮位为常数，泥沙模型初始含沙量给常数。模型经过一定时间的运行，初始条件的影响将会消除。

4.2 参数确定

通过实测资料验证确定模型中参数。模型采用富裕水深法动边界技术，富裕水深为0.1m，在计算中判断每个单元的水深，当单元水深大于富裕水深时，将单元开放，作为计算水域，反之，将单元关闭，置流速于0。紊动黏滞系数E随网格尺度变化；潮流数学模型计算时间步长为2.5s；糙率n=0.012+0.01／H～0.025+0.01／H。

泥沙数学模型的计算时间步长为120s；泥沙颗粒容重为2650kg／m3，稳定干容重按窦国仁公式计算，其中d50为0.0039mm，d25为0.0064mm。泥沙沉降机率取0.1。

4.3 验证结果

潮流模型采用实测潮位、流速和流向资料进行验证，图4分别为大潮期的潮位、流速和流向实测值与计算值过程线对比图。从图4可以看出，实测值和模型计算值吻合良好。说明所建潮流模型能够较好地模拟该海域水动力特征。

图4 大潮期潮位、流速和流向实测值与计算值对比图

泥沙模型采用实测含沙量和地形回淤资料进行验证。模型模拟了2006年9—10月大潮、中潮和小潮的水沙过程。图5和图6分别为大、小潮含沙量实测值和计算值对比图，从图5、6可以看出，含沙量计算值与实测值基本一致。测点YKO1位置在盖州滩浅滩，在小潮期含沙量受到干扰因素较多，计算值与实测值个别时刻略有偏差。总体上来看，泥沙模型能模拟该海域的含沙量场。

在工程海域进行了试挖槽试验，2007年11月水深由4.0m左右挖至平均水深10.5m，2008年3月进行了检测。在大约4个月的时间内，平均回淤厚度大约0.20m，通过模型计算平均回淤厚度0.26m。由于模型在概化地形时没有考虑试挖槽边坡，概化水深比实际水深略大，泥沙回淤厚度比实际值略大。对于泥沙回淤问题来说，模型可以预报该海域泥沙回淤情况。

图5 大潮含沙量验证图

图6 小潮含沙量验证图

5 工程方案计算结果分析

5.1 工程方案简介

盘锦港新港区采用分步建设，起步工程 （见图7）引堤长度为5227m，设有2万吨杂货和2万吨油品码头，码头前沿线长度分别为392，406m；泊位底高程均为-11.5m；港池底高程-9.3m，航道宽为132m，底高程-9.3m，N164°方向航道长4550m、N32°方向航道长17048m，部分航道需要开挖。

整体工程 （见图8）在起步工程基础上进行建设，2条引堤长分别为6727，3656m；码头前沿线总长约15360m；泊位底高程均为-11.5m；有2个港池，港池底高程-9.3m；航道宽为266m，底高程-9.3m，N164°方向航道长3046m、N32°方向航道长17048m，部分航道需要开挖。

图7 起步工程图

图8 整体工程图

5.2 工程方案对流场的影响［4］

针对工程周边盖州滩、西滩、双台子河口和深槽主要区域，通过比较工程前后最大流速和平均流速，分析工程方案对流场的影响。

起步工程实施后，盖州滩周围流速增加最大约3cm／s；西滩周围流速基本没有变化；双台子河口西汊道内流速没有变化，东汊道在码头处流速增大，增大最大值约11cm／s，上口流速减小约1cm／s；深槽流速略有增加，增加最大值约5cm／s。

整体工程实施后，盖州滩南端流速减小约2cm／s，盖州滩与码头工程之间流速增加最大约8cm／s；西滩周围流速减小最大约3cm／s；双台子河口西汊道内流速增加约1cm／s，东汊道在码头处流速增大，增大最大值约14cm／s，上口流速略有减小约2cm／s；深槽流速增加最大值约7cm／s。

从工程对周边区域影响来看，工程设施后对西滩和双台子河西汊道影响较小，双台子河口东汊道上口流速减小，在码头周边流速增大；盖州滩北边水域和深槽流速略有增加。

5.3 工程实施后泥沙回淤计算［4］

分别预报工程实施后正常天气和大风天气下的泥沙回淤情况。正常天气采用2006年10月潮流作为潮动力条件，考虑波浪1a内发生1次 （12h）重现期5a的波浪，预报泥沙年回淤情况。大风天采用大潮和中潮潮流过程，波浪条件取重现期50a的有效波高，预报6d潮流过程中大浪作用1d的泥沙回淤情况。波浪要素通过波浪折射绕射数学模型计算得到。

表1和表2分别为起步方案和整体方案实施后泥沙回淤特征，具体回淤统计位置见图8、9。从表1、2可以看出：起步方案实施后，正常天气下，港池和泊位区泥沙平均回淤厚度最大0.76m／a，航道泥沙最大回淤厚度0.54m／a，泥沙回淤总量约32.15万 m3／a；大风作用1d，大、中潮6d后泥沙回淤厚度最大约0.37m，泥沙回淤量为11.84万m3／a。整体工程实施后形成环抱试港池，正常天气下，港池和泊位区泥沙平均回淤厚度最大0.42m／a，航道泥沙回淤厚度0.44m／a，泥沙回淤总量约187.41万m3／a；大风作用1d，大、中潮6d后泥沙回淤厚度最大约0.14m，泥沙回淤量为46.44万m3／a。

表1 起步方案泥沙回淤统计表

6 结 语

工程所在海域近20a来岸滩基本稳定。所建二维潮流泥沙模型能较好的模拟该海域的水动力和泥沙运动特征。工程实施后对周边水动力场影响有限。起步方案为开敞式港池，泥沙回淤厚度相对较大，港池、泊位的回淤厚度大于航道回淤厚度，整体方案为环抱式港池，泥沙回淤厚度相对较小，港池、泊位的回淤厚度小于航道回淤厚度。起步和整体方案实施后，在正常天气下，港池、泊位和航道泥沙年回淤总量分别为32.15万，187.14万m3。大风作用1d，大、中潮6d后，港池、泊位和航道泥沙回淤量分别为11.84万，46.44万m3。

［1］刘雅萍，章吉吉.辽河口水沙演变特性 ［J］.东北水利水电，2005，23（253）：38-40.

［2］熊敬东，辛光.大辽河口岸线与滩槽平面形态及其演变 ［J］.中国科技信息，2007（6）：39-40.

［3］Dou Xiping，li Tilai.Numerical Model of Total Sediment Transport in The Yangtze Estury ［J］.China Ocean Engineering，1999，13（3）：277-286.

［4］南京水利科学研究院.盘锦港新港区平面二维潮流泥沙数学模型研究报告 ［R］.南京：南京水利科学研究院，2008.