东营市滨海防潮堤潮流泥沙模型试验研究

张正华

（东营市水务局，山东 东营257091）

随着东营市沿海经济带发展不断加快，搞好滨海生态防潮堤建设，对于增强自然灾害防御能力，提升滨海城市形象，增强城市综合竞争力具有重要意义。本文主要采用潮流、泥沙数值模拟方法，对滨海生态城防潮堤水动力泥沙条件进行研究，通过收集分析有关历史、实测资料，掌握本工程附近水域水动力和泥沙特征，并使用二维潮流泥沙数学模型对工程实施前后潮流场、泥沙场变化进行了分析研究，研究结果可为设计提供依据和支持。拟建的东营市滨海生态城防潮堤位于东营市中心城以东，北起永丰河口，南到小清河与广饶防潮堤南端相接，主海堤长度30.8 km，坝体围垦海域面积约140 km2。

1 二维潮流泥沙数学模型

1.1 数学模型的建立

1）基本方程：

连续性方程：

动量方程：

悬移质不平衡输沙方程：

河床变形方程：

式中：t 为时间；u 和v 为沿x、y 方向上的流速分量；h 为总水深；f 为科氏力系数；g 为重力加速度；k 为海底摩擦系数；Ax和Ay为沿x、y 方向的水平涡动黏性系数；S 为沿深度平均的含沙量；S*为波流共同作用下的挟沙力；a 为沉降几率或恢复饱和系数；ω 为泥沙沉速；η 为底高程；γ0为泥沙容重。

2）模型设置及网格划分。本工程处于莱州湾西侧，潮流运动较为复杂，模型采用三角形网格进行剖分和计算。为精确模拟本工程海域潮流运动，建立了包含整个渤海湾、辽东湾和莱州湾大尺度整体数学模型，该模型开界位于大连老虎滩至烟台连线上，相邻网格节点最大间距为10 000 m，在工程附近水域进行局部加密，最小间距为10 m，计算时间步长0.5 s。潮流数学模型开边界由中国海潮汐模型提供，波浪模型和泥沙模型开边界由天津水运工程科学研究所根据实测资料经调试给出。

1.2 模型验证

为验证模型的合理性，在工程海域顺拟建工程方向布置3 个全潮测站。采用2011 年6 月大、小潮水文全潮资料，广利河口附近海域2008 年10 月15 日～16 日、2008 年10 月18 日～19 日和2008 年10 月24 日～25 日大、中、小潮的全潮历史水文数据进行验证。

本海域无实测波浪、海床底质资料，SWAN风浪模型采用临近的黄骅港、潍坊港等海域实测资料验证，模型计算时采用与黄骅港、潍坊港海域风浪计算时相同的参数。

本文根据全潮水文现场观测资料对泥沙运动模型进行了验证计算，采用大潮2011 年6 月20 日12 时、2008 年10 月15 日11 时，中潮2008年10 月18 日11 时，小潮2011 年6 月28 日12时、2008 年10 月24 日11 时实测含沙量与模型计算结果进行比较验证。

经验证，数模计算结果与实测结果有较好的一致性。所建模型较好地反映了潮流作用下工程附近海域的潮流、泥沙运动规律，满足交通运输部《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》规范要求，并可进一步为风浪和泥沙运动模拟提供必要的水流动力条件。

2 工程建设前后流场情况

2.1 年常规动力作用

工程实施前：1）海域等深线和岸线接近平行，潮流以往复流形式运动。水流主体涨急时刻为向岸运动，落急时刻为离岸运动；水流主体涨、落急流速等值线分布基本与岸线平行，且由岸向海流速逐渐增大。2）涨潮流速最大为0.69 m/s，平均流速最大为0.33 m/s，均出现在大堤东南拐角附近；落潮最大流速0.55 m/s，平均流速最大为0.30 m/s，均出现在大堤东南拐角附近。3）从涨、落潮流速来看，涨潮流速略大于落潮流速；从流速分布来看，大堤沿线流速分布基本均匀。

工程实施后：1）工程区海域流速整体上呈减小趋势，局部区域流速略有增加，流速增大区域主要集中在广利河口附近及大堤东南、东北拐角处。从流向上看，工程区以外流向变化较小，随着逐渐靠近工程区，水流流向开始逐渐偏转，到堤前时水流流向由近乎东西向往复流变成沿堤的往复流。2）涨潮流速最大为0.98 m/s 左右，涨潮平均流速最大为0.48 m/s；落潮最大流速0.74 m/s，落潮平均流速最大为0.43 m/s。涨、落潮最大流速及最大平均流速均出现在大堤东南拐角附近。3）由于堤头绕流的存在，堤东南、东北两侧拐角处测点，流速略有增大；其余测点流速均有所减小，特别是东侧迎海面，流速最大减小0.33 m/s，落潮最大减小0.29 m/s。4）大堤东北拐角处，涨潮时流速最大增大0.06 m/s，落潮流速最大增大0.02 m/s；大堤东南拐角处，涨潮时流速最大增大0.29 m/s，落潮流速最大增大0.19 m/s。由于防潮大堤东南、东北拐角处流速增加，需注意拐角处堤脚的冲刷。

对比涨、落潮流速来看，工程实施前后，流场变化主要在工程区附近，海域区域外潮流运动基本不变。工程区域涨、落潮流速整体上基本相当；从流速分布来看，堤东南、东北两侧拐角处流速较大，其余部位流速较小。

2.2 风暴潮作用

选择了给当地带来严重影响的9711 号台风作为大风动力条件，分析一次较大的风浪过程后防潮堤附近的变化。本次风暴潮发生时：1）工程区域风向基本为90°，为向岸风。2）大堤附近增水较大，堤前最大增水约0.96 m，由南向北整个堤前增水基本相同，该风暴潮过程中堤前基本无减水。3）由于大风的作用，大堤附近水流沿风向发生偏转（大堤附近风向约90°，东风），沿堤流趋势减缓，水流变为向堤方向，堤前壅水严重，水深变大，堤前部分区域水流流速减小。防潮堤附近涨潮流速最大为0.74 m/s，涨潮平均流速最大为0.37 m/s，落潮平均流速最大为0.41 m/s，大流速主要集中在广利河口附近及堤南、北两侧拐角处。

3 工程建设前后地形变化

利用经过验证的泥沙运动数学模型代表波浪场的计算，对防潮堤工会曾实施后附近地形变化进行了分析。

3.1 年常规动力条件

工程实施前：防潮堤工程海地貌基本稳定，未来的一段时间内，在自然动力作用下防潮堤海域不会有较大的地貌变迁过程。

工程实施后：1）防潮堤外侧，大堤东南、东北拐角处及广利河口附近出现冲刷。其中大堤东南拐角处，冲刷深度最大为0.55 m/a；大堤东北拐角处，冲刷深度最大为0.10 m/a；另外，栈桥附近大堤突起处，地形也有轻微侵蚀。2）防潮大堤外侧，其余区域基本呈淤积状态。广利河口以南拦门沙附近泥淤积厚度最大，淤积厚度约0.15 m/a，其余部位防潮大堤附近地形变化不大。

3.2 风暴潮作用

9711 号台风作用下，防潮大堤外侧，大堤东南、东北拐角处及广利河口附近出现冲刷。其中，广利河口附近冲刷最为严重，一场大风冲刷厚度最大为0.11 m；其次为大堤东南、东北拐角处，一场大风最大冲刷厚度分别为0.03 m、0.04 m；大堤其余区域基本呈淤积状态。

4 结 语

1）滨海防潮堤工程实施后，涨、落潮流速整体上基本相当，以往复流形式运动，流速变化不大，局部流速增加，主要在防潮大堤东南、东北拐角处，需注意拐角处堤脚的冲刷。

2）在常规动力作用下，在防潮堤外侧，大堤东南、东北拐角处及广利河口附近会出现冲刷，其中大堤东南、东北拐角处冲刷深度最大为每年0.55 m、0.10 m，在栈桥附近大堤突起处，地形也有轻微侵蚀。其余区域基本呈淤积状态。

3）在风暴潮作用下，一场如9711 号台风的大风会引起严重冲刷，主要集中在大堤东南、东北拐角处及广利河口附近，应引起防潮堤规划建设部门的高度重视。