大连港太平湾港区扩建工程潮流泥沙数学模型研究

姚姗姗，解鸣晓

(交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

近年来，二维潮流泥沙数学模型在港口工程建设实践中被广泛应用，李孟国等[1-2]基于 TK-2D软件，在连云港田湾核电及江苏如东西太阳沙海域开展模拟研究；李文丹等[3-4]通过岸滩演变分析及数学模型手段对温州港深水航道工程、莆田兴化湾某电厂开展潮流泥沙数值模拟研究；闫睿[5]建立波浪潮流泥沙数学模型预测天津港大港港区10万t级航道的淤积情况；李大鸣等[6]利用二维潮流泥沙数学模型研究挡沙堤对青岛港航道泥沙回淤的影响；李玉婷、吴慧琴等[7-8]建立舟山海域二维潮流泥沙数学模型，分别模拟岱山岛燕窝山码头工程和钓梁二期围垦工程实施后潮流及地形冲淤变化；戴勇等[9]分析南通港吕四港区的水沙特征，采用二维潮流泥沙数学模型模拟预测码头流场及港池淤积；杨华等[10]针对港珠澳大桥沉管隧道工程，通过开展大量自主创新性研究，开发沉管基槽多因素、复合型基槽回淤预报模型系统，实现沉管基床上泥沙回淤的精细化预报。在本文研究的太平湾海域，李孟国、徐雪蛟等[11-12]对太平湾建港条件、水沙环境进行了分析论证。本文将采用二维波浪潮流泥沙数学模型手段，围绕大连港太平湾港区扩建工程实施后的潮流运动规律及航道港池的淤积情况开展模拟研究，结果可为扩建工程方案的设计提供科学依据和技术支撑。

1 工程概述及自然条件

大连港太平湾港区位于辽东湾仙人岛至将军石岸段(图1)，现状条件下港区陆域岸线已基本围填完毕，港区内已建成10 个泊位，且港内水域已按照设计水深开始开挖，现状条件下港区陆域后方太平湖内存在许多围垦养殖区。本次太平湾港区扩建工程拟在现状基础上，增设4个泊位，包括1 个10 万t级泊位、1 个3 万t级集装箱泊位和2 个10 万t级通用泊位，即港内建成14个泊位(位于图2中①～⑤区域)，港池泊位设计底高程在-7.0～17.6 m(理基，下同)不等，同时拆除太平湖内现状围垦养殖区，使得太平湖和将军湖在港区后方实现连通，港区形成离岸岛式，并将湖内浚深至底高程-2.15 m。太平湾港区航道规划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段，以满足不同吨级船型的通航要求，航道Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段设计底高程分别为-17.0 m、-16.6 m和-16.4 m。港区平面布置方案如图2所示[13-14]。

太平湾海区处于辽东半岛西侧辽东湾东岸，岸线呈NE-SW向走向分布，沿岸为岬湾相间的沙砾质海岸。工程海域潮汐为不规则半日潮，平均潮差1.60 m，潮流运动基本呈现往复态，岬角处挑流，湾内为弱流区，实测大潮流速一般在0.3～0.5 m/s，常风向、强风向及常浪向、强浪向均来自WSW-NNE向。工程海域水清沙少，正常情况下水体含沙量不足0.01 kg/m3，-10 m等深线以外主要为细颗粒沉积，以内主要为粗颗粒沉积，湾内的浅滩沙脊是历史形成的古地貌形态，工程海域的天然岸线及滩槽格局在现代水文泥沙环境下保持着长期稳定的状态。

图1 工程位置示意图Fig.1 Location of the project图2 港区工程方案平面布置图Fig.2 Layout of the calculation case

2 模型建立与验证

2.1 波浪数学模型

在模拟港池航道常年泥沙回淤时，必须考虑波浪对底床泥沙的掀动作用，因此需要对波浪要素进行模拟。由于太平湾缺乏长期有效的波浪测站资料，本次研究将依据工程海区西南方向约20 km处的江石底测站波浪统计资料，通过推算江石底测站波能频率分布，得出波能主要集中于N-NNE、WSW和NW-NNW这三个方向，其对应的波能所占频率达到总波能的91.2%。因此，波浪数值模拟将以上三个主导波向作为代表波向，采用MIKE21 SW模块计算三个方向的代表波浪场，为泥沙数值模拟中提供波浪输入条件，并分别与潮流作用，按照各自波向在1 a中出现的实际时间频率加权，得到港池和航道的正常年回淤厚度。有关波浪模型的理论详见参考文献[8]。

2.2 潮流数学模型

(1)

(2)

(3)

2.3 泥沙数学模型

本工程港池航道泥沙淤积的预测，基于窦国仁波、流共同作用下挟沙力概念建立的平面二维泥沙数学模型，如式(4)

(4)

式中：S为垂线平均含沙量；α为沉降概率；ω为泥沙沉速；Dx和Dy分别为泥沙沿水平方向的扩散系数。S*依据波、流挟沙的原理，考虑代表潮流及波浪两种动力因素作用下的挟沙力。

悬沙引起的地形冲淤变化，可如式(5)计算

(5)

底沙引起的地形冲淤变化计算表达式如式(6)～式(7)

(6)

(7)

式中：γ0为泥沙容重，本次研究依据工程海域悬浮泥沙中值粒径，γ0取为701 kg/m3；沉速ω取为0.000 5 m/s；η为底高程；α为经验回淤系数，可依据当地或类似工程的回淤资料确定。系数βc、β1及β2的取值，可依据大量的河道、河口及海岸现场观测以及实验室的实验资料取值，本次研究上述各系数分别取为0.023、0.045及2.5×10-5。

2.4 模型范围与网格剖分

针对太平湾港区扩建工程，模型计算范围如图3所示，其中大模型范围包含整个渤海海域，局部模型范围南至长兴岛，北至营口港鲅鱼圈以北，西至外海-30 m等深线附近，局部模型所需的潮位边界可由大模型提供。潮流数学模型采用非结构化的三角形网格对计算域进行剖分，图4表示大范围和局部模型的网格剖分情况，其中用以模拟工程方案的模型网格节点数在101 894个，网格单元数在200 367个，最小空间步长为20 m左右，能够保证模型计算所需的网格分辨率。

图3 模型计算范围示意图Fig.3 Scope of the numeirical model图4 模型网格剖分图Fig.4 Grid of the local model2.5 模型验证

潮流数学模型采用2010年5月大、小潮水文测验数据进行验证，水文测站如图5所示，限于篇幅，只给出部分测站大潮流速、流向及含沙量的验证，验证情况如图6～图8所示。经验证，无论是计算相位、量值还是过程线，均与原型吻合良好，满足《水运工程模拟试验技术规范》[15]要求。

波浪数学模型的验证包括代表波高、波向和波周期的验证，表1给出模型计算值与推算值的对比，结果显示波浪模型模拟得到的代表波浪参数与推算值达到良好的一致性。

工程海区目前处于未开发状态，缺少用于地形冲淤验证的挖槽回淤资料。根据文献[8,10]所述，距离太平湾港区较近的营口港鲅鱼圈处海岸动力条件，与太平湾海域具备良好相似度，因此，鲅鱼圈港区航道、港池淤积数据可作为本次数模冲淤计算的验证资料。根据2002年鲅鱼圈外航道及港池内年回淤数据统计，外航道最大年回淤约在0.5 m/a左右；港池内平均年回淤在0.3 m/a左右。本次数学模型中计算的鲅鱼圈航道回淤最大0.51 m/a，港池内平均回淤为0.34 m/a与实测值较为接近。通过验证，表明所建立地形冲淤数学模型合理，可进一步用于工程后港池航道的泥沙淤积预测。

图5 工程区附近水文测站布置图Fig.5 Measuring-points arrangement near the project图6 2010年5月大潮潮位验证Fig.6 Verification of tidal level during spring tide (2010-05)

图7 2010年5月大潮流速、流向验证Fig.7 Verification of flow velocity during spring tide (2010-05)

图8 2010年5月大潮含沙量验证Fig.8 Verification of sediment concentration during spring tide (2010-05)

表1 江石底测站代表波高(H1/3)、波向、波周期选取及验证Tab.1 Verification of representative wave height (H1/3),wave direction and wave period of Jiangshidi station

3 潮流泥沙模拟结果

3.1 现状及工程后潮流场

现状条件下太平湾海域潮流运动呈往复态，涨潮流偏NNE，落潮流偏SSW(图9)。近岸潮流运动受岸线和地形变化影响，表现为岬角挑流，湾内弱流，太平角附近的沙脊水域处由于受滩槽交错地形影响，潮流运动主要沿浅脊间的深槽走向，局部水流略有摆动。

工程建设并未改变该海域的整体潮流运动特征，仅局部流场有所变化(图10)。体现在，太平湖内养殖区全部拆除后，港区形成离岸岛式，太平湖和将军湖在港区后方实现连通，涨、落潮水流可以自由进出。同时，港区内部开设通道以后，涨、落潮流亦可经过通道进入太平湖或从太平湖进入港内，使得港内流速略有增强。经计算，工程后港内平均流速在0.30 m/s以内，航道沿程平均流速在0.7 m/s以内。

9-a 涨急 9-b 落急图9 大范围海域现状涨、落急流场图

Fig.9 Tidal current field at flooding and ebbing in large-scale sea area10-a 涨急10-b 落急图10 工程海域工程后涨、落急流场图Fig.10 Tidal current field after project construction at flooding and ebbing in local area

航道横流自内航道至口门处逐渐增加，自口门向外航道先减小后增加。航道沿程最大横流约0.47 m/s，位于口门附近，出现在落潮阶段。相比较而言，航道Ⅰ段、Ⅱ段基本属于内航道段，横流较小，最大横流不足0.1 m/s，航道Ⅲ段横流较大，最大横流0.47 m/s。航道沿程流速矢量及最大横流沿程分布如图11～图12所示。

3.2 航道港池泥沙淤积预测

采用经验证的波浪、潮流及泥沙数学模型，考虑代表波浪场结合连续潮作用，模拟了工程海域的含沙量分布情况，并对太平湾港区扩建工程实施后航道港池内的正常年淤积情况进行了预测，统计了港池航道特征点(图13)处的淤积情况，并给出了航道的沿程淤积分布(图14)。

经计算，正常天气下，工程海域含沙量在0.01～0.06 kg/m3左右，太平湾港区扩建工程实施后，全航道平均年淤强0.17 m/a，最大年淤强0.34 m/a，全航道正常淤积量86万m3/a左右；港池(包含14个泊位及对应港池，即图2中①～⑤区域)最大年淤强在0.31 m/a，平均年淤强0.18 m/a，港池正常淤积量54万m3/a左右；航道港池总淤积量在140万m3/a左右。

图11 航道沿程流速矢量图Fig.11 Velocity vector distribution along channel图12 航道沿程最大横流分布Fig.12 Maximum cross flow distribution along the channel

图13 淤积取样点布置图Fig.13 Layout of sediment sampling points图14 航道沿程淤积分布Fig.14 Distribution of siltation along the channel

4 结语

本文采用经验证的二维潮流泥沙数学模型，模拟了太平湾港区扩建工程实施后的潮流运动规律，预测了正常天气航道港池的淤积情况，得到以下结论：

(1)太平湾海区潮汐为不规则半日潮，平均潮差1.60 m，实测大潮流速一般在0.3～0.5 m/s。常风向、强风向及常波向、强波向均呈WSW-NNE向。正常天气下含沙量在0.01～0.06 kg/m3左右，天然岸线与岸滩长期保持基本稳定状态。

(2)现状条件下太平湾海域潮流运动呈往复态，涨潮流偏NNE，落潮流偏SSW。近岸潮流运动受岸线和地形变化影响，表现为岬角挑流，湾内弱流，工程后港内平均流速在0.30 m/s以内，航道沿程平均流速在0.7 m/s以内，航道沿程最大横流约0.47 m/s，位于口门附近，出现在落潮阶段。

(3)工程实施后，正常天气下，全航道平均年淤强0.17 m/a，最大年淤强0.34 m/a，全航道正常淤积量86万m3/a左右。港池(包含14个泊位及对应港池)最大年淤强在0.31 m/a，平均年淤强0.18 m/a，港池正常淤积量54万m3/a左右。航道及港池总淤积量在140万m3/a左右。