基于三维数模对连云港港连云港区回淤强度的研究

程 达，赵张益，庞启秀，温春鹏，张瑞波

(1.连云港港口控股集团有限公司，连云港 222042；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

图1 连云港区水深示意图Fig.1 Sketch of water depth in Lianyungang port

淤泥质海岸环抱式港口的回淤强度与进港水体含沙量、港池开挖水深、港内浅滩水域面积以及工程建设等因素有关[1]。连云港区分为旗台、庙岭以及墟沟港区三大主要生产作业区，其中港池和泊位水深-8～-20 m，浅滩水深-2～-8 m，口门附近水深-12 m(详见图1)。伴随着连云港港连云港区工程的建设以及旗台防波堤的建成，连云港区已成为典型的淤泥质海岸环抱式港口，其布局和规划与早期有较大不同，港内泥沙环境也发生了较大改变。目前，连云港港区每季度进行一次全港的水深测量工作，从2015～2017年的测图可知，港区的月均淤强在0.03～0.06 m之间，最大为0.07 m，与早期研究成果“每月淤强10 cm”有较大差异。为了在不增加测量频次的基础上合理推算出各个时期，特别是每季度水深测量间隙港区回淤强度，科学、安全地为港口生产服务，本研究将基于三维数模方法对连云港港连云港区回淤强度进行研究。

1 三维数模的建立与验证

1.1 模型构成

根据连云港海域的自然条件及泥沙运动特点，采用下列数学模型。

1.1.1 三维水动力模型

三维潮流场计算采用FVCOM(Finite Volume Coastal Ocean Model)模型[2]，其控制方程如下

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：x，y和z为笛卡尔坐标系下的东西向、南北向以及垂向的坐标；u，v和w分别为x，y和z轴的速度分量；g为重力加速度；t为时间；ρ为密度；p为压力；f为科氏力参数；Km为垂向涡粘系数；Fu和Fv为水平动量扩散项；Kh为热力垂向涡粘系数。

垂向采用σ坐标变换

(5)

式中：ζ为自由表面；H为海床相对于基准面的距离。

水动力方程中的涡粘系数通过求解紊流模型获得。本研究选用目前三维水动力模式中应用广泛的Mellor-Yamada 2.5阶模式[3]，该模式考虑了紊动动能和混合长度局部变化率，紊流能量的水平和垂直输送以及紊流能量的垂直扩散。

当有大风或台风发生时，利用天气研究与预报模型WRF(Weather Research and Forcasting Model)[4]以及SWAN(Simulating Waves Neashore)模型[5]分别计算对应的风场和波浪场，并为水动力泥沙模型提供相应的动力参数，如风速、风向、波高、波向等。

1.1.2 三维泥沙运动模型

(1)控制方程。

① 控制方程

粘性泥沙运动以悬移质为主，控制方程为悬移质三维对流扩散方程

(6)

式中：AH和Kh分别为水平和垂向扩散系数；C为悬泥浓度；ws为泥沙沉速。

② 边界条件

自由水面要求含沙量的净通量为零，即在z=ζ时

(7)

底部边界条件表示为

(8)

式中：E和D分别为淤积率和冲刷率，其计算方法分别采用Ariathurai和Arulanandan[6]与Krone公式[7]。泥沙参数根据数模验证情况，冲刷系数取0.000 1～0.000 5；泥沙的临界冲刷应力在各区域采用不同的值，连云港以北区域0.2 N/m2，连云港以南区域取1.2 N/m2，泥沙沉积的临界应力取值同临界冲刷应力。

(2)泥沙沉降速度。

淤泥质河口海岸地区的粘性泥沙沉速受水体紊动、含沙量、温度、盐度等多种因素的影响。本研究采用Hwang的沉速公式[8]

(9)

式中：a，b，m，n为经验系数，分别取为1.05，0.58，2.37，4。上式考虑了含沙量对沉速的影响，且能够描述粘性泥沙的制约沉降过程。

(3)冲淤模型。

采用以下公式计算冲淤强度

(10)

式中：F为底床泥沙净通量；γs为泥沙干容重，取629 kg/m3；zb为计算时间T内的冲淤强度。

1.2 模型建立

2-a 大模型 2-b 小模型图2 二维模型计算网格Fig.2 2D model computing grid

采用三维大、小模型嵌套计算的方法进行计算，大范围模型主要为小范围模型提供合理的边界条件。

大模型(图2-a)区域囊括整个黄海和渤海，向南至浙江宁波(北纬29.5°)，大模型外海开边界西起浙江宁波(东经122°)，东至韩国(东经128°)，采用非结构化网格，在工程区附近局部加密，网格空间步长最大为2 000 m，最小为125 m，模型采用曲线开边界以较好地模拟开边界与岸线交界处的潮流情况。小模型(图2-b)范围北起35°25′N，南至34°26′N，东至120°07′E，同样采用局部加密的非结构化网格和曲线开边界，网格空间步长最大为1 500 m，最小为20 m。

图3 连云港港连云港区2016年11月大潮测站位置示意图Fig.3 Sketch of station location in Lianyungang port area(2016-11)

1.3 模型验证

采用2016年11月大潮水文资料(1个潮位测站，6个潮流和含沙量测站，图3)对正常天气下模型结果进行验证，其中图5～图7分别给出了潮位、流速、流向和含沙量验证情况。采用2007年9月“韦帕”台风期间的风、浪、泥沙回淤资料对台风天气下模型结果进行验证(测站位置如图4所示)，其中图8～图10分别给出-5 m等深线处测站的风速、风向、波高、泥沙回淤验证情况。限于篇幅，本文中只展示了1个测站的验证过程，其余测站验证过程，请参阅文献[9]。

可见，本次计算结果与实测结果吻合程度良好，工程水域内绝大部分测点验证结果符合交通运输部《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》的要求，所建模型比较全面地反映了研究海域的水动力和泥沙运动规律，可进一步分析港区流场及回淤情况。

图4 连云港港2007年9月测站位置示意图Fig.4 Sketch of station location in Lianyungang port (2007-09)图5 2016年11月潮位验证Fig.5 Tidal level verification(2016-11)

图6 2016年11月D2站大潮流速流向验证Fig.6 Current verification of station D2(2016-11)

图7 2016年11月D2站大潮含沙量验证Fig.7 Sediment concentration verification of station D2(2016-11)

图8 韦帕台风期间连云港测站点的风速风向验证结果Fig.8 Wind speed and direction validation of Typhoon Wipha in Lianyungang port

图9 韦帕台风期间连云港-5 m测站点的波高验证结果Fig.9 Wave height verification of Typhoon Wipha in Lianyungang port(-5 m)图10 韦帕台风期间航道淤强沿程分布验证Fig.10 Verification of channel siltation intensity of Typhoon Wipha

2 流场分析

从图11可知，连云港海域的流速分布，总体上由近岸水域向外海侧逐渐增大，靠近港区围堤及防波堤附近的水流受挑流作用，流速相对较大。涨潮流速大于落潮流速。

连云港区流速最大的区域位于港区口门附近，最大流速能达到1 m/s，越向港内，流速越小。连云港区口门附近出现较为明显的顺时针环流，主要发生在涨转落的时间段。港内除口门附近外，基本呈现往复流特性，流速整体都较小，而且越向港内，流速越小。墟沟、庙岭港区流速很小，仅靠自然流速，局部泥沙将难以起动，这些区域的淤积主要是涨潮流携带的泥沙造成。

11-a 涨急时刻 11-b 落急时刻图11 特征时刻流场Fig.11 Flow field of characteristic time

3 港区回淤强度

3.1 月度动力条件下计算结果

由于连云港地区水体含沙量季节性变化明显，其中，夏季风速小，且盛行离岸向的东南风，含沙量低；冬季风速大，以西北向向岸风为主，含沙量高。所以为偏安全考虑，采用2016年11月中旬～12月中旬的潮流及该时段的风况(期间发生了6级风)作为月度动力条件，利用经验证的数学模型，计算连云港区月淤积分布情况。港区回淤分布如图12。从图可知，港区淤积分布呈现口门附近较大，港池内部逐渐减小的分布趋势，而且航道淤厚普遍大于周边滩地。从淤积量值来看，墟沟港区淤厚在0.02～0.03 m之间；庙岭港区淤厚在0.03～0.04 m之间；旗台港区航道淤厚在0.05～0.08 m之间，港池淤厚在0.03～0.06 m之间。

3.2 台风条件下计算结果

为了合理确定极端天气条件下的港区回淤强度，利用经验证的数学模型，采用“韦帕”台风及有代表性潮动力(为了合理反映台风发展过程，计算时间为96 h)[10]，计算连云港区在台风条件下的淤积分布情况。港区回淤分布如图13。从图表可知，在台风作用下，港区淤积分布呈现口门附近较大，港池内部逐渐减小的分布趋势，而且航道淤厚普遍大于周边滩地，从淤积量值来看，在“韦帕”台风作用下，墟沟港区淤厚在0.03～0.05 m之间；庙岭港区淤厚在0.05～0.06 m之间；旗台港区航道淤厚在0.10～0.20 m之间，港池淤厚在0.05～0.11 m之间。需要指出，“韦帕”台风[11]虽然最大风力只有8级，但由于作用时间较长，导致港区的淤积厚度也较大。

图12 港区月度淤积分布图 Fig.12 Monthly siltation distribution 图13 港区韦帕台风后淤积分布图Fig.13 Siltation distribution after Typhoon Wipha

4 淤积原因分析

连云港区为环抱式港区，在潮汐作用下，口门外含沙水体随涨潮水流进入港内，由于流速从口门向港内逐渐较小，加上口门环流，进入港区的含沙水体中粒径较粗的泥沙将有大部分先落淤下来，较细颗粒的泥沙也逐渐落淤；落潮期间，由于落潮流速小于涨潮流速，港内水体中未落淤的泥沙仍沿程落淤。因此，涨落潮过程中引起的悬沙落淤是港内淤积的主要形态。在上述动力条件下，淤强沿港内纵断面呈现出口门附近的淤积厚度最大，口门以内淤积厚度向港内逐渐减小的分布趋势。

而在大风浪作用下，口门外大范围泥沙发生悬浮，同时由于泥沙较细，被掀起的泥沙在潮流作用下被输向外海或向近岸输移，其中向近岸输移的部分泥沙进入港区造成港区淤积。而且当波浪强度较小时，港区淤积较小；当波浪强度较大时，港区淤积增大，与实测资料吻合。

综上所述，港区的泥沙主要来源于近岸浅滩泥沙，造成港区泥沙淤积的主要动力因素是波浪和潮流的共同作用。

5 结论

(1)港区的泥沙主要来源于近岸浅滩泥沙，在风浪潮流共同作用下泥沙悬扬、搬移，悬沙沿程逐渐落淤，造成港池航道淤积，因此，港内的淤积呈现口门处最大、口门内淤积厚度逐渐减小的分布趋势。

(2)通过数学模型计算，确定了旗台、庙岭及墟沟港区的月淤积强度分别为0.08 m、0.06 m以及0.04 m；另外，大风或台风天气情况下，港区的淤积会加重，可参照前文计算结果对各港区回淤强度进行修订。