锦州龙栖湾港区规划水动力泥沙数学模型研究

姜昱，李姗，韩涛

（1.大连港集团（锦州）辽西港口投资开发有限公司，辽宁 锦州 121013；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222）

锦州龙栖湾港区位于渤海辽东湾顶、锦州湾东侧，面临辽宁省“五点一线”沿海经济带开发建设的历史机遇。由于港区附近浅滩较多，泥沙运动可能会对未来港口及航道的淤积产生一定的影响，本文旨在通过潮流泥沙数学模型对龙栖湾港区的水动力和泥沙运动进行研究，对不同方案进行优化比选，为港区规划提供科学依据。

1 自然条件

1.1 潮流

根据2009年11月份对水文测量结果，海域潮流属规则半日潮流性质，工程附近施测海区潮流为明显的往复流，落潮实测平均流向与涨潮实测平均流向反向的差值一般不足15°；涨潮为NE向，落潮为SW向，涨、落潮水流方向与近岸水域基本相同[1]。

1.2 底质及含沙量

沉积物质组成以粉砂（T）和黏土质粉砂（YT）、砂质粉砂（ST）分布为主，砂—粉砂—黏土（STY）仅在局部点分布。根据2009年11月大小潮含沙量实测资料显示，海域实测涨、落潮平均含沙量分别为0.108 kg/m3和0.113 kg/m3，涨潮略小于落潮。其中大、小潮时涨落潮平均含沙量分别为0.084 kg/m3和0.136 kg/m3，小潮含沙量大于大潮含沙量，这与小潮期风浪相对较大有关。大潮悬沙平均中值粒径D50为0.009 0 mm，小潮悬沙平均中值粒径D50为0.007 9 mm，大小潮悬沙平均中值粒径D50为0.008 5 mm，水文测点位置详见图1，图中H1～H4为潮位测站，V1～V7为流速测站。

图1 水文测站位置图Fig.1 Location of thehydrometric station

1.3 航道泥沙淤积

航道淤积收集了龙栖湾港区西侧距离15 km左右的锦州港历年来航道疏浚资料，根据相关资料，锦州港2006年3月至2008年10月航道的回淤量为260万m3，年淤积量约为93万m3，年回淤强度约为17 cm/a。

2 工程方案简介

规划方案港池底标高为-14.0 m，航道宽度210 m，航道设计底标高-12.0 m，航道开挖至自然水深12.0 m处，共有3种方案[2]。规划方案二在方案一的基础上减少1个港池，口门北移，规划方案三在方案一的基础上略向西倾斜。每个港池的规划方案都对应两种航道布置方式，一种航道偏向锦州港方向，与锦州港航道相连，另一种航道直接向外海开挖至天然水深满足航行要求位置，共6种工况。规划方案三对应3-1和3-2两种工况，其中规划方案3-1如图2所示。

3 数学模型建立及验证

3.1 计算理论

图2 规划方案图Fig.2 Planning scheme

工程区域潮流计算采用Mike21软件的三角形网格水动力模块（HD模块），其水流运动控制方程是二维浅水方程。港池和航道的淤积不但受潮流影响，还受波浪的作用，计算中使用SWAN模型计算波浪的生成与传播。SWAN模型采用动谱平衡方程描述风浪生成及其在近岸区的演化过程。

在潮流模型计算结果的基础上，采用窦国仁等（1995）基于波流共同作用下挟沙力概念的平面二维泥沙数学模型[3-4]对泥沙运动进行了计算，模型的控制方程为：

式中：h为水深；t为时间坐标；x和y为水平坐标；S为沿深度平均的含沙量；S*为波流共同作用下的挟沙能力；u和v分别为沿x方向和y方向的流速；α为沉降几率或恢复饱和系数；ω为泥沙沉速。

航道与泊位回淤采用窦国仁等提出的模型，其表达式为[2]：

式中：η为航道或泊位底高程；γ0为航道与泊位回淤泥沙干重度；α为经验回淤系数，可根据当地回淤资料确定。

采用三重嵌套模型模拟潮流场，整个渤海模型作为大模型，辽东湾作为中模型，在龙栖湾港区附近海域进行局部加密作为小模型来模拟潮流场。模型网格采用三角形网格。

小模型计算水域面积约为1 500 km2，小模型的最小网格边长为15 m。

3.2 模型验证

模型的开边界水位由中国近海潮汐软件Chinatide提供，模型验证依据2009年11月港区海域附近大、小潮的水文观测数据进行（测点位置见图1），为节约篇幅，仅以大潮为例给出部分测站流速流向及含沙量验证结果，如图3、图4所示（图中实线为计算值，散点为实测数据），其它验证成果可见文献[2]。

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

图4 大潮含沙量验证（V1）Fig.4 Verification for the sediment concentration of spring tide（V1）

4 工程方案比选结果

4.1 规划方案实施后流场变化

规划方案实施后由于对部分海域进行围填，局部流场变化较大。海区潮流为明显的往复流，在涨落急情况下附近水域流场的变化趋势均表现为距离港区越远流速变化越小。对不同工况港池布置方案相同情况下航道布置方案的改变对流场影响不大，规划方案对流场的影响主要在围填形成的港域附近，流速变化超过0.1 m/s的范围较小，主要出现在围填区域两侧。

图5为各工况分流百分比（文中仅给出工况3-1的涨急流速变化百分比），由图中可知航道内流速减小范围在10%～20%左右，由于工程附近绝对流速较小，导致流速变化百分比较大。同时各工况航道内流向顺直，没有回流产生，在涨潮期间潮流进入港池时会在港池内口门附近产生回流，回流尺度与口门宽度基本一致，呈椭圆形向港内发展，口门附近流速较大，一般不超过0.5 m/s，进入口门后流速迅速减小。

图5 流场变化图（单位：%）Fig.5 Change diagram of the flow field（%）

4.2 规划方案实施后泥沙淤积

规划方案实施后对工程区域的局部流场产生影响，导致对应的含沙量场也发生变化（图6，文中仅给出工况3-1），影响较大的区域主要在龙栖湾港区附近，外海和锦州港附近影响不大。不同的航道布置对含沙量场的分布影响较小，工程后含沙量变化主要与港区围填方案有关，但总体来看不同规划方案含沙量场分布差别不大。

图6 大潮涨急含沙量场变化Fig.6 The filed changes of sediment concentration in the maximum flood

方案实施后龙栖湾港区两侧浅滩有冲有淤，港区东侧浅滩局部冲刷情况强于西侧浅滩，西侧浅滩局部略有冲刷，但总体来看两侧浅滩年冲淤变化不大，围填区域局部护岸位置处由于受到绕流影响冲刷较大。表1为不同工况航道内及港池的年淤强计算结果，港内年淤强各工况均为口门附近淤强较大，规划方案三（工况3-1和工况3-2）由于航道方向与工程海域潮流流向夹角较小，因此航道内年淤强明显小于规划方案一和规划方案二。不同规划方案口门附近的港池和航道内年淤强均略大，但由于规划方案三口门方向略有偏转，港池内淤积略小于规划方案一。3

表1 各工况淤积量统计结果Table 1 The statistical results of sedimentation in different conditions

5 结语

本文结合锦州龙栖湾港区实测水文资料建立了相关的潮流、泥沙数学模型，对不同规划方案实施后的流场和淤积情况进行验证，通过分析得到以下结论：

1）各方案航道内流态平稳，没有回流产生，回流仅在涨潮期间潮流进入港池时在口门附近产生流速不超过0.5 m/s，进入口门后迅速减小。

2）规划方案实施后对流场的影响主要在围填形成的港域附近，流速变化超过0.1 m/s的范围较小，主要存在于围填区域两侧。

3）各规划方案条件下港区附近含沙量不大，仅在局部由于绕流影响引起含沙量增加，但影响范围不大；由于港池掩护较好，龙栖湾港区港池内流速较小，港池内含沙量在涨落潮过程中变化不大。

4）各方案航道内淤强差别较大，不同规划方案航道内最大年淤强均出现在距口门1～3 km左右位置处，不同规划方案港池及航道年淤积量在114万～297万m3之间。

总体来说，各规划方案淤积量较为接近，但由于航道偏向锦州港后，与水流夹角加大，因此淤强一般略大于直接开挖向外海的航道布置方案，不建议采用此种航道布置形式。规划方案二在减少一个港池的情况下淤积总量与其它规划方案相比并不具有明显优势，考虑到龙栖湾港区作为“五点一线”沿海经济带重点支持区域，认为规划方案三更为适合港口发展需要。

[1]李姗，韩涛.锦州龙栖湾港区海岸动力地貌及岸滩稳定性分析研究报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2010.LIShan,HANTao.Test report of analysison coastal dynamic geomorphology and beach strand stability in Longqiwan Port of Jinzhou[R].Tianjin:Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2010.

[2]韩涛.锦州龙栖湾港区规划方案潮流、泥沙数学模型试验研究报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2010.HANTao.Test report on numerical modeling of tides and sediment for Longqiwan Port planningschemein Jinzhou[R].Tianjin:Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2010.

[3] 窦国仁，董风舞，Xibing Dou.潮流和波浪的挟沙能力[J].科学通报，1995（5）：443-446.DOUGuo-ren,DONGFeng-wu,DOUXi-bing.Sediment carrying capacitiesof tidesand waves[J].Chinese Science Bulletin,1995(5):443-446.

[4] 窦国仁，董风舞，窦希萍，等.河口海岸泥沙数学模型研究[J].中国科学：A 辑，1995，25（9）：995-1 001.DOU Guo-ren,DONG Feng-wu,DOU Xi-ping,et al.Numerical modeling of estuarine and coastal sediment[J].Science in China:Series A,1995,25(9):995-1 001.