趙永印，康蘇海，李旺生

（1.海南金海灣投資開(kāi)發(fā)有限公司，海口570203；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

南海明珠二期建設(shè)對(duì)?？诟?萬(wàn)噸級(jí)航道影響研究

趙永印1，康蘇海2，李旺生2

（1.海南金海灣投資開(kāi)發(fā)有限公司，?？?70203；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

首先以有限體積法建立了包含海口灣在內(nèi)的以瓊州海峽為模擬范圍的二維數(shù)學(xué)模型，對(duì)南海明珠二期工程建設(shè)前后海口港航道水動(dòng)力條件變化進(jìn)行了研究。然后從挾沙力基本公式出發(fā)，推導(dǎo)適合文章研究?jī)?nèi)容的航道淤積經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。對(duì)工程建設(shè)前后的航道淤積變化進(jìn)行分析，從工程前后的水動(dòng)力及航道泥沙淤積變化兩方面科學(xué)論證南海明珠二期工程建設(shè)對(duì)?？诟酆降赖挠绊?。

數(shù)值模型；泥沙淤積；航道

南海明珠項(xiàng)目總體規(guī)劃利用填海造地形成約2.6 km2的土地，分兩期建設(shè)，并以人工島為依托，新建郵輪母港和相關(guān)的水上娛樂(lè)設(shè)施［1］（圖1）。

圖1 工程位置及潮流觀測(cè)站位分布圖Fig.1 Layout of survey points and project position

工程引起的局部岸段或近岸圍海造陸等工程建設(shè)，應(yīng)從周邊岸線的自然因素和生態(tài)環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)的、多學(xué)科的綜合論證，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施，使其危害性降到最低程度［2］。

?？跒呈沁M(jìn)出海口港的秀英、海甸、新海三港區(qū)的航道所在海區(qū)，?？诟?萬(wàn)t級(jí)航道位于?？跒?。灣內(nèi)屬于受南渡江徑流、外海潮流、波浪及其波流交互作用的復(fù)雜水域［3-5］。海口灣灣口最大流速為1.0～1.2 m/s，灣內(nèi)存在漲潮西流、落潮西流、漲潮東流、落潮東流，水動(dòng)力條件復(fù)雜；海區(qū)以風(fēng)浪為主，常浪向ENE，受臺(tái)風(fēng)影響較大；?？跒衬嗌持饕獊?lái)源于沿岸侵蝕與海底輸沙、南渡江輸沙和強(qiáng)勁的瓊州海峽潮流擴(kuò)散所攜帶的泥沙，根據(jù)1984年3月枯季和1988年9月洪季實(shí)測(cè)資料分析表明：沿岸泥沙含量洪季漲潮東流小于落潮西流，枯季正好相反；枯季實(shí)測(cè)日平均含沙量最大0.077 kg/m3，最小0.03 kg/m3，洪季實(shí)測(cè)日平均含沙量最大0.321 kg/m3，最小0.125 kg/m3；洪季含沙量明顯大于枯季所測(cè)含沙量，但洪季懸移質(zhì)泥沙主要是由波浪、潮流對(duì)岸灘的侵蝕作用造成的，徑流僅是影響沿岸水域含沙量的次要因素，泥沙運(yùn)動(dòng)輸運(yùn)方向自東向西，南渡江三角洲對(duì)西側(cè)?？跒澈^(qū)泥沙淤積影響較大。本工程距離?？诟壑骱降雷罱?.9 km，工程建設(shè)是否會(huì)對(duì)航道水動(dòng)力條件和泥沙淤積產(chǎn)生影響，需進(jìn)行論證研究。

1 潮流數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程離散

建立考慮潮流、徑流、風(fēng)因素的水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型。

本模型采用格子中心式（CC方式）網(wǎng)格變量布設(shè)，將求解的變量分配到有限控制體中心上（控制體幾何中心位置），頂點(diǎn)變量通過(guò)周?chē)鷨卧行牡淖兞恐狄灾行牡巾旤c(diǎn)的距離加權(quán)平均得到（圖2）。

1.2 數(shù)值求解

圖2 有限體積空間離散Fig.2 Discretization with finite-volume

將模型方程進(jìn)行變換，成為如下形式

利用Roe格式的近似黎曼解求解方式，計(jì)算出n時(shí)刻各控制體積的界面通量。對(duì)同一個(gè)界面兩側(cè)的2個(gè)有限體積，一個(gè)流出的界面通量在數(shù)量上恰好等于流入另一個(gè)有限體積的量值，兩者很好地達(dá)到平衡，從而使整個(gè)計(jì)算域在通量上達(dá)到平衡，有效地保證了方程的守恒性［9］。

（1）首先利用歐拉方程的旋轉(zhuǎn)不變性，將二維淺水方程求解化為局部坐標(biāo)下一維問(wèn)題（即沿邊界法向通量求解）；然后，將“一維化”的方程系數(shù)矩陣局部線性化，求出線性化矩陣的特征值和特征向量，進(jìn)一步沿特征方向分解界面兩側(cè)一維化后的守恒變量差值，從而得到特征分解系數(shù)，最后求出界面的數(shù)值通量Fn。為了在空間上達(dá)到二階精度，在界面通量求解前需要利用狀態(tài)插值法（MUSCL）對(duì)界面上的守恒變量進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)采用了Van Lee限制器函數(shù)。

（2）對(duì)底坡源項(xiàng)采用特征分解法，對(duì)摩擦源項(xiàng)采用半隱格式離散，保證格式的和諧性。

（3）用歐拉向前格式計(jì)算n+1時(shí)刻的預(yù)測(cè)解，由預(yù)測(cè)解和n時(shí)刻的解平均得到n+1/2時(shí)刻的解，最后用時(shí)間中心格式在n+1/2進(jìn)行求解，得到n+1時(shí)刻的具有二階時(shí)間精度的解。

1.3 模型范圍

以瓊州海峽作為模型計(jì)算域，模型外海邊界取潮位過(guò)程控制，南渡江以流量控制（圖3）。雖然大模型計(jì)算范圍較大，但是通過(guò)控制區(qū)域內(nèi)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的疏密控制整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量，進(jìn)而控制總體計(jì)算量。

1.4 模型驗(yàn)證

圖3 模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Scope and mesh of the model

2009年12 月16～17日對(duì)?？跒澈^(qū)進(jìn)行了全潮水文測(cè)驗(yàn)（圖3），潮位測(cè)站T1、T2恰好與潮流測(cè)站5#、8#位置重合，潮流測(cè)站包含流速、流向、懸沙含沙量等，覆蓋了整個(gè)?？跒?，適合本模型驗(yàn)證。

驗(yàn)證模擬過(guò)程中，在模型域施加當(dāng)日實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，南渡江作為流量邊界條件給出，流量取值為年平均流量212 m3/s。通過(guò)邊界、糙率調(diào)整，對(duì)海口灣實(shí)測(cè)水文過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，潮位、流速、流向過(guò)程的驗(yàn)證結(jié)果如圖4～圖5所示［1］。本試驗(yàn)驗(yàn)證誤差控制在“海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程”規(guī)定誤差范圍內(nèi)，可以用來(lái)進(jìn)行工程模擬計(jì)算。

圖4 潮位驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 Verification of tidal level

圖5 流速流向驗(yàn)證結(jié)果Fig.5 Verificaton of flow velocity and direction

2 方案前后水動(dòng)力條件變化分析

作為?？诟?萬(wàn)t級(jí)航道代表的特征點(diǎn)，在自港池至外海-12.2 m水深處，沿航道軸線布設(shè)10個(gè)統(tǒng)計(jì)點(diǎn)，航道長(zhǎng)約5 km，各點(diǎn)間距離約500m，（圖6）。本研究基于這10個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析。

圖7是優(yōu)化方案工程后海口灣海區(qū)漲潮東向（以下簡(jiǎn)稱(chēng)東向）、落潮西向（以下簡(jiǎn)稱(chēng)西向）流最大流速時(shí)刻流場(chǎng)圖?？傮w上看，工程后除人工島北側(cè)局部水域及西南側(cè)東向流時(shí)段流速增大外，其他海區(qū)包括航道所在海域漲落潮流基本呈減小趨勢(shì)。

海口港3萬(wàn)t級(jí)航道走向?yàn)?63°08′～343°08′，因此垂直航道的橫流方向?yàn)?3°08′～253°08′，設(shè)73°08′為橫流正值方向，對(duì)工程前后西向和東向最大流速時(shí)刻航道特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流速和流向變化值、流向與航道軸線夾角變化值、橫流大小變化值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（表1）。工程前后最大流速值基本呈減小趨勢(shì)，總體上東向流速度降幅大于西向流，9號(hào)點(diǎn)東向流減小了0.13m/s，為最大速度降幅點(diǎn)，這是導(dǎo)致航道橫流減小的原因之一；工程后大部分點(diǎn)的流向與航道軸線夾角變小，說(shuō)明工程建設(shè)后跨越航道的潮流流向更偏向于航道軸線走向，4號(hào)點(diǎn)東向流流向和航道軸線的夾角減小了77°，使得該點(diǎn)流向基本和航道軸線走向一致，這也是導(dǎo)致航道橫流減小的原因之一；將航道各特征點(diǎn)流速向垂直航道軸線的方向投影，得到工程前后航道橫流強(qiáng)度，大部分點(diǎn)橫流強(qiáng)度均有不同程度的減小，沒(méi)有強(qiáng)度增大點(diǎn)出現(xiàn)，8、9、10三點(diǎn)的橫流減小幅度最大，9號(hào)點(diǎn)東向流橫流減小0.2m/s，為最大減小值點(diǎn)，通過(guò)橫流變化值分析，東向流橫流減小幅度總體大于西向流橫流減小幅度，這說(shuō)明人工島對(duì)航道東向流遮擋強(qiáng)于對(duì)航道西向流的頂托。綜上分析，工程實(shí)施減小了航道橫流強(qiáng)度。

圖6 工程位置及航道特征點(diǎn)分布圖Fig.6 Sketch of project location and feature points in channel

圖7 工程后東向流速最大時(shí)刻流場(chǎng)圖Fig.7 Flow field of rapid eastward flow

圖8 工程后西向流速最大時(shí)刻流場(chǎng)圖Fig.8 Flow field of rapid westward flow

3 航道沖淤變化分析

目前多采用半經(jīng)驗(yàn)半理論的公式進(jìn)行正常天氣情況下航道和港池的泥沙分析計(jì)算，雖有一定的局限性，但在解決工程問(wèn)題方面起到了很大的作用［10-12］。本研究采用挾沙力基本公式，推導(dǎo)開(kāi)敞式航道淤積計(jì)算公式，對(duì)人工島建設(shè)前后?？诟?萬(wàn)t級(jí)航道泥沙淤積進(jìn)行估算。

規(guī)范推薦的開(kāi)敞式航道淤積公式也是由挾沙力基本公式經(jīng)相應(yīng)假設(shè)而得到的。由于本文要考察的航道淤積變化不是航道開(kāi)挖前后的淤積變化比較，而是航道附近人工島的建設(shè)改變了已有航道的水流條件，從而引起航道淤積發(fā)生變化，因此，基于最近本的依賴(lài)于泥沙含量變化的航道淤?gòu)?qiáng)公式，推導(dǎo)依賴(lài)于航道開(kāi)挖深度及航道橫流變化的航道淤?gòu)?qiáng)公式是回答本研究的關(guān)鍵。

利用床沙和懸沙交換原理建立交換平衡方程，進(jìn)而推導(dǎo)出非平衡輸沙公式。假設(shè)研究對(duì)象為均勻沙，則海床變形方程為

表1 工程前后最大流速時(shí)刻航道橫流變化統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Comparison to channel cross-flow after implementation of project

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，本海區(qū)懸沙中值粒徑d50約為0.008mm，據(jù)泥沙動(dòng)水沉降試驗(yàn)結(jié)果，取泥沙沉速為0.06 cm/s。采用數(shù)值模擬得到的相關(guān)結(jié)果潮段平均流速和航道設(shè)計(jì)水深數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得到航道沿程淤?gòu)?qiáng)并繪圖如圖9所示。

現(xiàn)狀和南海明珠二期工程實(shí)施后外航道代表點(diǎn)處淤?gòu)?qiáng)計(jì)算結(jié)果表明，外航道年淤?gòu)?qiáng)呈雙峰分布，最大峰值出現(xiàn)在1.5 km處，3.5 km處次之?，F(xiàn)狀及二期工程實(shí)施后，外航道年淤積量分別為38.1萬(wàn)m3/a、40.85萬(wàn)m3/a，二期工程實(shí)施后，整個(gè)外航道的年淤積量比現(xiàn)狀情況下增加了2.75萬(wàn)m3/a。其中在航道里程3.0～4.0 km附近區(qū)域影響最大，工程前后淤?gòu)?qiáng)最大變化值為0.10m。

圖9 現(xiàn)狀及工程實(shí)施后外航道淤?gòu)?qiáng)沿程分布Fig.9 Silting intensity along channel

4 結(jié)論

水動(dòng)力數(shù)值模擬結(jié)果表明，工程實(shí)施使海口港3萬(wàn)t級(jí)航道橫流強(qiáng)度比工程前有所減小，航道水動(dòng)力條件有所減弱，這對(duì)通航條件改善有利。工程實(shí)施后航道總淤積量略有增加，年淤積量約增加2.75萬(wàn)m3，航道淤積分布趨勢(shì)基本不變，淤積位置無(wú)明顯變化，說(shuō)明工程實(shí)施對(duì)航道淤積變化影響不大，工程建設(shè)平面布置方案是可行的。

［1］康蘇海，王建軍，張明進(jìn).南海明珠人工島二期工程建設(shè)對(duì)?？诟?萬(wàn)噸級(jí)航道影響論證報(bào)告［R］.天津:交通運(yùn)輸部天津水科所，2011.

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(1.Hainan Oceania Point Investment&Development Co.,Ltd.,Haikou 570203,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,

Ministry of Transport,Tianjin 300456,China)

Research on effect of Nanhaimingzhu artificial island on channel of Haikou Harbor

ZHAO Yong-yin1,KANG Su-hai2,LIW ang-sheng2

In this paper,the 2D mathematical model with finite volume method was established,and the Qiongzhou Strait including the Haikou Bay was within the scope of themodel.The suitable experiential formula on channel siltation was derived from the basic sediment formula.Then,the variation quantity of sediment siltation in the channel of Haikou Harbor was analyzed.Impacts on the channel of Haikou Harbor due to the project construction were demonstrated from the aspects of hydrodynamic force and sediment siltation.

mathematical model;sediment siltation;channel

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2013）04-0311-06

2013-01-16；

2013-03-19

國(guó)家自然科學(xué)基金（51209112）；交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目（2011329224170、201132874640、201132800050）

趙永?。?984-），男，海南省人，工程師，主要從事港口航道工程相關(guān)工作。

Biography：ZHAO Yong-yin（1984-）,male,engineer.