如东洋口港15万吨级航道工程水沙模型数值模拟及回淤量分析

王 磊

(苏交科集团股份有限公司， 江苏 南京 210019)

如东海域近岸浅滩平缓开阔，岸外濒临深水潮汐通道，航道条件得天独厚。2007年，太阳沙人工岛建成，同时将烂沙洋南水道疏浚建设成10万t级航道[1-4]。目前，随着洋口港航运仓储业务的迅猛发展，以及船舶大型化的发展趋势，亟需提高洋口港疏港航道条件，提高航道等级。洋口港拟在烂沙洋北水道建设15万t级航道，以保证洋口港海域能满足15万t级货船航运要求[5-7]。根据工程方案，航道底标高将疏浚至-15.8 m，拟疏浚航道全长36.1 km，疏浚面积12.01 km2，疏浚量2.77×107m3。为给疏浚后航道稳定性提供依据(见图1)，本文拟建立太阳沙人工岛附近30 km范围内的三维水沙数学模型，系统地研究工程河段开挖后的潮流特征，对工程后主航道回淤量进行预测。

图1工程地理位置及方案布置示意图

1 工程海域水文泥沙条件

1.1 潮汐与潮流特征

根据工程海域近十年的实测水文资料[6-9]，烂沙洋海域潮汐周期为12 h，且涨潮与落潮过程流速呈镜像分布。工程海域为太平洋两大潮波系统辐合交汇区域，综合南通外海岸略微内凹的地形阻挡作用，工程外海区域潮波呈辐射状旋转流。在沙洲之间的狭长海道，水流流向受潮汐影响，呈往复流状态。工程海域潮位特征值见表1。

表1 工程海域潮位特征值

1.2 风况特征

文献[6]对南通外海近三十年风向做了系统统计、分析。其中，工程海域主要风向为ESE，近三十年出现的频率为9.15%；其次主要风向有SE(8.75%)和NNE(7.25%)。工程海域最大风速为20 m/s(风向为ESE)，平均风速为6.75 m/s。

1.3 含沙量特征

根据2015年对工程海域5条垂线大小潮含沙量观测资料显示，工程区各侧大潮平均含沙量为0.3 kg/m3～0.5 kg/m3，小潮0.1 kg/m3左右。

同时，含沙量沿垂线分布逐渐减小，其中大潮情况下，底层含沙量为表层含沙量的2.75倍，小潮情况下为1.22倍。表明大潮期间因流速显著大于小潮，海床与水体间的泥沙交换活跃，近底层含沙量相对较高，水体泥沙均表现出有较多当地掀扬泥沙参与的特点。

2 三维水沙数学模型建立

考虑到洋口港区位于两大潮波系统交汇区，潮流场呈辐射状、水沙情况复杂的特性，本文研究采用大范围潮波模型与工程海域三维水沙计算模型结合的方法。首先根据文献[10-12]中建立的东中国海潮波数学模型，对两大潮波系统在南通如东海岸外辐合的潮波运动进行模拟。根据模拟结果，将本工程海域的水文泥沙条件、边界条件、相关模型参数代入，建立洋口港小范围海域的三维潮流泥沙计算模型。

2.1 工程海域水沙数学模型建立

(1) 控制方程[13]

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：t为模型计算时间；u、v分别为潮流流速沿x、y方向的分量；h为无波浪情况下的静水深；ζ为波浪作用引起的水位变化值；f为柯氏参数；g为重力加速度；Ex、Ey分别为风荷载黏性系数在x、y方向的取值；τbx、τby分别为潮流剪应力沿x、y方向的分量。

(2) 悬沙质输移扩散方程[11]

(5)

式中：Dx、Dy分别为泥沙扩散系数沿x、y方向的取值；s为含沙量；Fs为底部冲刷函数，采用切应力理论表达式如下：

底部冲刷函数采用切应力概念，Fs可表示为：

(6)

式中：A、B均为待定系数，按照文献[14]中条件进行取值。

(3) 波浪共同作用下的底部切应力[15]

波流共同作用下底部切应力可用下式表示：

(7)

式中：fcw为波流综合摩阻系数；ucw为波流综合流速，m/s；fcw、ucw可分别表示为：

(8)

(9)

2.2 模型计算条件及相关参数选取说明

模型范围北部边界至蒋家沙；西边界至洋口闸；东边界至-30 m水深外海区域；南边界至通口闸。本工程位于整个计算模型范围中间。为保证模型计算的精确性，计算网格采用三角网格，网格间距设为200 m，工程区域采用加密设置，网格间距采用30 m(见图2)。

根据率定，模型特征参数分区域设置，其中糙率取值范围为0.017～0.047；泥沙中值粒径为0.11 m；泥沙起动流速为0.9 m/s；泥沙起动波高为2.82 m；紊动能系数取值范围为0.29～0.72；涡黏性系数取值范围为2.2～25.0。模型计算时间步长为30 s。

2.3 模型验证

在工程海域选择17个采样点，分析各采样点在大潮、小潮的实测值与计算值，结果显示，潮位的计算误差均在3%以内，流速的计算误差均在10%以内，流向的计算误差均在1%以内，含沙量的计算误差均在10%以内。可见本文所建立的数学模型与工程海域实际情况较为吻合，能较好反映实际潮流、泥沙特征。

选择5#特征点为代表，将5#特征点模型验证结果列于表2。

图2 模型计算区域及网格划分

3 模型计算结果分析

3.1 东中国海潮波模型模拟结果

东中国海潮波模型模拟结果见图3，分析可知：太平洋潮波以前进波形式穿越琉球群岛，进入中国东海，其等振幅线与同潮时线斜交。从台湾海峡北上的潮波在黄海附近与太平洋西进的潮波叠加，并受山东半岛凹进岸线的阻挡反射，形成复杂的旋转潮波系统，该潮波系统旋转方向为左旋，并衍射至长江入海口三角洲。本工程海域也在衍射范围内，受两个潮波系统辐合作用，形成辐射状潮汐流场，潮流、泥沙特征十分复杂。

3.2 工程海域潮流特征分析

将工程前后海域潮流特征流场分布绘于图4，分析可知：工程海域的潮流周期为12 h，为典型的半日潮。工程海域潮流运动受风向以及近岸辐射状沙洲地形综合影响，其中，南、中、北三个水道的潮流分布呈椭圆状，潮流流向受南北两侧沙洲引导，与深槽方向趋近，且流向受潮汐影响，呈往复流特征。潮流传递呈典型驻波状态。

涨潮状态下，工程海域的潮流受近岸辐射状沙洲地形引导，潮流自东向西进入工程海域。随着潮位不断上涨，在中潮时，北水道的潮流流速达到最大值(1.49 m/s)，且西侧的部分浅滩逐渐变淹没。随着潮位的不断升高，此时深槽内的水流动力已经逐渐减弱，流速开始逐渐变小。

落潮状态下，北水道的潮流自西向东流向烂沙洋深海区域。在落潮初期，北水道的水位高、水深大，潮流流速及水动力较低；随着潮位的不断下落，漫滩的水流顺坡向汇入深槽，且沿着主流方向汇入外海，此时深槽流向与深槽走向一致，浅滩的流向主要受浅滩区坡度影响；在中潮时刻，深槽内部水流流速达到最大(1.41 m/s)，深槽的水动力也达到峰值；随着潮位继续下降；工程区域部分浅滩凸出水面，工程海域潮流流速进一步减小。

图3 东中国海潮波模型模拟结果

图4工程前后潮流特征分析

进一步分析工程海域潮流具有以下特征：

(1) 工程区水流自深水向近岸，涨、落潮流相对强弱有较明显不同。深水区涨潮流相对较强，且潮流场为受潮汐影响的往复流；浅水区则相反，深水区落潮流相对较弱，潮流为涨潮状态下逐步漫滩，落潮状态下归槽，流向主要受坡度影响。

(2) 潮流的强弱分布受地形影响且较为稳定，其中深槽区流速显著大于沙洲及浅滩区流速。

(3) 涨潮漫滩和落潮归潮流均大部分来自和汇入烂沙洋尾部深槽。

3.3 疏浚后航道的水流特征

在航道区域取18个采样点，分析工程后沿深槽方向水流分布特征。将各采样点横流分布绘于图5，同时由于篇幅有限，将部分采样点的特征流速、流向统计值列于表3。

由图5、表3可以看出，在各潮汐状态下，本工程主航道流向在93°～281°范围内；潮流流向与深槽中心线交角在5°～16°范围内，水流总体较为平顺，没有散流、乱流现象。本工程主航道深槽最大流速为1.49 m/s；最大横流为0.12 m/s～0.25 m/s。总体来看，主航道流场较为平顺，流速较小，满足15万t 船舶的通航要求。

图5 15万t级航道采样点分布及沿程最大横流值

3.4 疏浚后航道的回淤量计算

根据文献[5]中相关资料，工程海域海床中值粒径分别为D50在0.111 m左右，但含泥量均较低，不超过5%，航道区为粉沙质海床，干密度为2 620 kg/m3。航道区-10 m以上深槽的起动流速约0.8 m/s～0.9 m/s，-10 m以深的泥沙起动波高不小于2.9 m。根据海域实测潮流资料，本工程航道深槽在大潮状态下垂向平均流速均在0.72 m/s以上(0.72 m/s～1.50 m/s)；中潮平均流速在0.7 m/s左右(0.6 m/s～1.0 m/s)；在小潮状态下垂向平均流速均小于0.55 m/s(0.42 m/s～0.55 m/s)，在大潮状态下航道底部泥沙能起动，且向深槽迁移运动剧烈。

计算结果显示年平均波浪作用下，工程区平均含沙量约为0.2 kg/m3～0.3 kg/m3；15万t级航道完成(开挖至水深15.8 m)后，最大淤积强度为0.92 m/a，平均淤积强度为0.6 m/a左右(见图6)。进一步统计，工程后，航道内泥沙年回淤总量约415.2万m3，淤积强度较大。

图6工程后泥沙含量分布及年淤积量计算

4 结 论

本文基于实测水下地形和水文资料，建立了如东洋口港15万t级航道工程海域的三维潮流、泥沙数值模型，对工程海域的潮流分布、泥沙特性做了系统分析，得到以下结论：

(1) 工程海域的潮流周期为12 h，为典型的半日潮。工程海域潮流运动受风向以及近岸辐射状沙洲地形综合影响，其中，南、中、北三个水道的潮流分布呈椭圆状，潮流流向受南北两侧沙洲引导，与深槽方向趋近，且流向受潮汐影响，呈往复流特征。潮流传递呈典型驻波状态。

(2) 本工程15万t级航道只是对烂沙洋北水道水深较浅区域进行浚深，对工程区海域水动力及水道稳定性影响较小，工程后不会影响烂沙洋北、中、南三水道的整体流场格局。

(3) 工程后航道内最大淤积强度为0.9 m/a，平均淤积强度为0.6 m/a左右。年淤积总量为415.2万m3，淤积强度较大。

根据对工程海域垂线泥沙分布特性分析，工程后在潮流作用下，工程区近底流速增大，超过起动流速，底沙在近底潮流拖曳、上举作用下向凹槽区运动、迁移，造成航道主槽淤积。由于工程海域水体含沙量较大、泥沙回淤速度较快，建议在主航槽两岸设置挡沙堤，对主航道进行必要的掩护。