通州湾规划港区对台风暴潮的冲淤响应研究

罗广胜，潘 毅，李 琳

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；2.田纳西州立大学 土木建筑系，田纳西 纳什维尔37209)

通州湾海域位于江苏沿海辐射沙洲区南缘，受岸外辐射状潮流场影响[1]，海域内沙洲、水道相间分布，形成了滩槽相间的动力地貌结构，为港区开发提供了良好的深水岸线和后备土地资源依托[2]。2016 年后，港区进入实质开发阶段，借助海域内腰沙、冷家沙两处浅滩沙脊进行围填，同时对小庙洪及三沙洪水道进行航道疏浚，已经成为通州湾建成深水港的理想方案[3]。然而，正是因为地形和水沙条件复杂，在建港时更应考虑不同动力条件下水道沙洲系统的稳定性和航道回淤问题。

关于通州湾港区滩槽稳定性及泥沙冲淤研究，通过分析港区海岸演变背景、近期冲淤动态和动力泥沙环境，得出三沙洪和小庙洪水道深槽长期稳定性较好，可作为良好的深水航道资源的结论[4]；通州湾海域港口建设的自然条件特征分析表明通州湾海域滩槽表现出一定的向南偏转态势[5-6]；小庙洪至网仓洪水道及其周边水道沙洲的地形地貌特征与其演变、动力泥沙环境特征的分析表明，网仓洪水道具有开发深水航道的前景[7]；也有学者从多因子协同作用的角度研究了通州湾海域“两沙三槽”系统稳定性等，指出其稳定性良好[8]。总之，前人大多关注通州湾海域水道沙洲系统的中长期塑造，而对台风期间产生的大浪和风暴潮等动力过程对滩槽格局的短历时影响研究较少。

针对台风暴潮对通州湾规划港区及周边水道沙洲系统空间格局的影响，首先分析历史上影响该海域的所有台风，根据路径特征进行分类，选取每类具有代表性的一场典型台风作为代表；然后建立双层嵌套数学模型，在验证良好的基础上，计算各类典型台风影响下的泥沙冲淤情况，分析通州湾规划港区及周边海域对台风暴潮的冲淤响应。

1 研究区域及台风特征分析

1.1 研究区域概况

通州湾海域地处江苏南通东部沿海、长江入海口北翼，包括腰沙、冷家沙、三沙洪水道、小庙洪水道等地貌单元（图1）。其中，腰沙和冷家沙是辐射沙洲区南端低潮出露面积最大的两个连岸沙洲，呈半岛状自西向东分布；腰沙将南侧小庙洪水道与北侧的网仓洪、三沙洪深槽隔离，形成两个相对独立的水沙系统[9]。

图1 研究区域地理位置及平面布置Fig.1 Location and layout of the study area

研究海域水体的含沙量不大，大、中、小潮平均含沙量分别为0.33、0.28 和0.10 kg/m3，悬沙平均中值粒径约0.02 mm；底质中值粒径小庙洪水道深槽区为0.007 mm，腰沙冷家沙沙洲区一般大于0.1 mm[10]，网仓洪-三沙洪水道区悬沙中值粒径为0.007～0.011 mm[7]。

1.2 台风分类

在1945—2019 年间影响东中国海的所有台风中，统计分析了57 个影响研究海域的台风路径特征，将其分为5类。第1类：东侧掠过型，从通州湾东侧掠过，它的起始位置在南海北部和菲律宾以东海域，半数影响本海域的台风为这种类型；第2类：西侧掠过型，从通州湾西侧掠过后进入黄海海域转向西北偏北，转向后维持时间较短即停止；第3类：南侧掠过型，从通州湾南侧掠过，影响范围为东海海域，其路径一般较曲折，在长江口附近登陆；第4类：北侧掠过型，从通州湾东北侧掠过，影响范围为黄海海域，路径通常较顺直，向西北偏西方向移动，登陆江苏或山东沿海；第5类：直接穿过型，直接经过通州湾及其附近地区，多数由正南至正北方向穿过通州湾海域。

2 数学模型建立及验证

2.1 模型介绍

近年来，ADCIRC+SWAN 模式广泛应用于风暴潮模拟和预测[11-12]，Delft3D+SWAN 模式则适用于河口海岸水沙运动和冲淤变化的模拟[13]。为研究台风暴条件下通州湾港区及周边海域的冲淤演变特征，首先基于ADCIRC+SWAN 模式建立覆盖整个东中国海的风暴潮-波浪耦合模型（大模型）；然后基于Delft3D+SWAN 模式建立包含研究区域的水沙-地貌动力模型（小模型），台风风场采用Holland 风场和ERA5 再分析数据组合而成的混合风场[14-15]。采用大小模型双重嵌套（图2）的方式进行数值模拟，大模型开边界由10 个主要分潮的调和常数计算，数值取自TPXO 7.2 数据库，大模型的范围足够大使得风暴潮能得到充分成长；小模型进行局部二维水沙地貌数值模拟，开边界的潮位边界由大模型计算得到，含沙量边界采用零梯度边界。大模型采用无结构三角网格进行离散，网格经纬度跨度为118°E～129°E，25°N～41°N，总网格数43 549 个，网格尺寸为2 000～20 000 m；小模型采用曲线正交网格离散，网格经纬度跨度为121°16'E～122°46'E，31°44'N～32°59'N，总网格数为283×203，水平空间网格长为200～1 300 m。

小模型中，垂向和水平向紊动黏性系数分别取1.0×10−6m2/s 和20 m2/s；底部摩阻系数采用曼宁系数，取0.02；泥沙沉速采用公式ω=ω0FD计算，ω0为单颗粒泥沙的沉降速度，F为絮凝因子，D为衰减系数，取4×10−4m/s；临界淤积切应力取0.8 N/m2，临界冲刷切应力取0.25 N/m2。以上参数均在合理范围内根据模拟结果和现场数据调试得到。

2.2 模型验证

2.2.1 水位、流速流向、含沙量验证 水位验证采用2019 年1#～3#测站逐时潮位数据，流速、流向、含沙量验证采用1#～5#测站大小潮数据，各测站位置如图2(b)所示。使用纳什效率系数（E）定量评估模型表现[16]：

式中：Xobs为实测值；Xmod为模拟值；Xobs为实测值的平均值。当0.65

水位模拟值与实测值吻合较好，各验证测站计算所得E的均值达到0.90；流速、流向模拟值与实测值大小及过程吻合较好，各验证测站计算所得E的均值分别为0.67 和0.95。以上结果表明，该模型能较好地模拟研究区域内水沙运动过程。验证结果见图3～5。

图3 水位验证(3#)Fig.3 Verification of the tidal level (3#)

图4 流速、流向验证Fig.4 Verification of the flow velocity and direction

图5 含沙量验证Fig.5 Verification of the sediment concentration

2.2.2 台风暴冲淤验证 剖面冲淤率定资料采用1909 号台风“利奇马”过后P1、P2、P3 断面的实测水深变化资料，断面位置见图2(b)。模拟台风作用时间从2019 年8 月4 日14:00 至8 月13 日11:00。计算所得台风过后海床各剖面的地形冲淤变化值与实测结果拟合良好（图6），表明小模型能较好地模拟台风暴条件下研究区域内的冲淤演变。

图6 台风“利奇马”过后的剖面冲淤变化验证Fig.6 Verification of the erosion and siltation along the profiles after the typhoon Lekima

3 通州湾规划港区及周边水道沙洲系统冲淤演变特征

在影响研究区域的5类台风中，每一类选取过境时距研究区域尽可能近的典型场次——东侧掠过型1509 号、西侧掠过型1614 号、南侧掠过型1810 号、北侧掠过型9415 号及直接穿过型1416 号共5 场台风（图7）进行模拟计算。

图7 5 类台风的强度及路径信息Fig.7 Intensities and tracks of the five typical typhoons

图8(a)～(e)给出了研究海域在5类台风过境后的短历时冲淤分布情况（正值表示淤积，负值表示冲刷），图8(f)为无风条件下15 d 典型大小潮过程冲淤的计算结果。事实上每场台风的计算时长为6 或8 d，但在计算常规动力条件时，为了不失一般性，选取半个月的潮汐过程进行模拟作为对比，含括从小潮到大潮的过程。由图8(a)～(e)与图8(f)比较易知，常规风暴潮对研究海域滩槽的短历时冲淤影响较小，与风暴冲淤相比可忽略不计。图9 总结了台风后规划港区及周边海域冲淤变化较大的区域位置，台风过后沙脊浅滩产生冲刷，水道深槽出现淤积，港区仅在口门附近有淤积。冲刷较大的区域集中在腰沙附近三港池南侧码头外部浅滩（区域1）及主港区与离岸港区之间的冷家沙高滩（区域2），冲深基本在0.10 m 以上，局部挑流区冲刷更剧烈，最大达0.35 m；淤积明显的区域主要位于三港池口门附近和口外三沙洪-网仓洪航道（区域3），在1509 号、9415 号台风影响下，淤积厚度普遍在0.15 m 以上。此外，需要注意的是港区北部冷家沙外侧水道（区域4），由于该处近岸泥沙来源丰富，且涨落潮流向与水道一致，台风暴情况下极易骤淤，建港后需要关注常规动力及风暴作用下该水道淤积情况。较规划港区而言，一港池（已建）及航道冲淤变化相对较小，且非本文的研究重点，此处不再予以讨论。

图8 典型台风影响下泥沙冲淤厚度分布Fig.8 Distribution of thickness of sediment erosion and siltation after the typical typhoons

图9 典型台风过后出现明显冲淤变化的区域Fig.9 Areas with obvious changes in erosion and sedimentation after the typical typhoons

为了更直观分析典型台风过后规划港区及周边海域的冲淤情况，以二、三港池和口外三沙洪水道为选定区域（黄色线条闭合区域）分别计算5 场典型台风后该区域内的泥沙淤积总量，并统计区域1～3 的局部最大冲淤幅度，结果见表1。

表1 台风后选定区域内泥沙淤积量及局部最大冲淤幅度对比Tab.1 Comparison of the sedimentation volume and the maximum erosion and siltation range within the selected area after the typical typhoons

分析可知，9415 号（北侧掠过型）和1509 号（东侧掠过型）台风过境期间，冷家沙浅滩水域（区域2）潮位较低且流速增大，流向自北向南，束流作用导致掀起的泥沙大量输移并落淤到深槽航道内，选定区域内泥沙淤积量比其他情况大得多；1416 号（直接穿过型）台风过境主要掀起腰沙浅滩（区域1）泥沙并向北输运落淤至航道，在口门附近淤积大，口外稍远处深槽区淤积较小，选定区域内泥沙淤积量较前两者小一些；1614 号（西侧掠过型）、1810 号（南侧掠过型）台风过后泥沙淤积总量不大。

除9415 号（北侧掠过型）台风影响外，区域3 的局部最大淤积厚度不算太大，但均出现在三港池口门防波堤外侧，这是由于口外南、北两座防波堤对涨潮流携来的泥沙形成了有效阻挡，故堤外淤积程度较航道内更大。此外，区域2 由于束流作用在某些台风来临时会造成较大冲刷，如9415 号（北侧掠过型）台风过后较大冲刷集中出现在三港池北侧码头向海端的前沿区域，局部最大冲刷厚度达0.39 m。虽然该数值不足以威胁工程安全，且影响该海域的风暴潮发生频率不大，短期看来对工程安全和海域冲淤格局影响不大；但如果常规动力条件下该冲刷得不到有效恢复，或难以达到冲淤平衡状态，可能会改变原系统的空间格局，应在未来研究中予以重视。但本文主要关注单场风暴冲淤过程，故未进行进一步讨论。

4 结语

（1）台风过后，通州湾港区及周边水道沙洲冲淤变化总体不大。在所有模拟情况中，台风过后三港池口门附近及航道内均呈淤积态势，最大淤积出现在防波堤外侧，不超过0.35 m，其余各处淤积厚度控制在0.25 m以内，总体而言冲淤不大。

（2）台风过后，港区内部各港池冲淤变化相对较小，出现较大冲淤主要集中在4 个区域。一是三港池南侧码头外部腰沙浅滩区，由于水深小，深槽水流顺势冲上浅滩，容易造成较大冲刷；二是主港区和离岸港区之间的冷家沙浅滩水域，由于束流作用，台风暴和大浪经过时流速较大，造成大的冲刷，但以上两处冲刷区最大冲刷不超过0.40 m。三是三港池口门附近和口外三沙洪-网仓洪航道内，在1509 号、1614 号、1810 号、9415 号及1416 号共5 类典型台风过后最大淤积厚度分别为0.17、0.08、0.08、0.35 和0.19 m，泥沙主要来自前述两处冲刷区；四是港区北部冷家沙外侧水道淤积严重，虽不会影响港口码头及通航，但从长久来看需作为建港的考虑因素。

（3）各类台风影响下，港区及周边水道沙洲冲淤情况基本类似，在三港池口门附近及口外容易淤积，在腰沙、冷家沙浅滩区容易侵蚀。在计算的5 场不同的台风中，9415 号（北侧掠过型）台风冲淤变化最大，但此类台风发生次数不多；1509 号（东侧掠过型）台风冲淤变化也较大，且此类台风是经过该海域最常见的台风类型，需引起足够的重视。