曲紅玲，尤 薇，馬洪亮(江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇省水運(yùn)工程技術(shù)研究中心，江蘇南京 211100)

南通港洋口港區(qū)位于如東縣海岸外輻射沙洲潮汐通道黃沙洋主槽與爛沙洋深槽匯合處。近年來，洋口港區(qū)開發(fā)步伐明顯加快，爛沙洋北水道一期工程已于2010 年底前建成，航道利用自然水深可滿足10 萬t級(jí)油輪減載后雙向乘潮通航。隨著洋口港區(qū)西太陽沙LNG接收站建成投產(chǎn)，眾多大型能源、倉儲(chǔ)、物流等項(xiàng)目擬落戶洋口港區(qū)，大型LNG運(yùn)輸船到港頻率日益增多。為滿足洋口港區(qū)發(fā)展需求，應(yīng)對(duì)船舶大型化趨勢(shì)，滿足到港LNG船“少乘潮以至不乘潮”的要求，根據(jù)港區(qū)總體規(guī)劃急需開展?fàn)€沙洋北水道自然水深航道浚深的可行性研究。

圖1 洋口港二期工程進(jìn)港航道位置Fig.1 Approach channel location of the second phase of Yangkou port

1 自然條件

1.1 潮汐和潮流

輻射沙洲區(qū)是一特殊的潮汐環(huán)境，潮波和潮流分布對(duì)沙脊群的作用，一直為學(xué)者們所關(guān)注。20世紀(jì)80年代，一些研究者依據(jù)全國海岸帶綜合調(diào)查的水文資料，并結(jié)合部分潮波數(shù)值計(jì)算成果，認(rèn)為南黃海兩大潮波系統(tǒng)在瓊港附近輻合，強(qiáng)潮流促使岸外沙脊發(fā)育是構(gòu)成沙脊輻射狀分布的重要因素[1-4]。

西太陽沙海域的潮汐屬規(guī)則半日潮。據(jù)1996年10月至1997年10月實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，潮位特征值(當(dāng)?shù)乩碚摶?為：最高高潮位8.42 m，最低低潮位0.21 m，平均高潮位6.07 m，平均低潮位1.46 m，平均潮差4.61 m，最大潮差8.08 m，最小潮差1.79 m，平均海面3.93 m。

根據(jù)1992-08-22—1992-09-15和2003-04-19—2003-04-25現(xiàn)場實(shí)測大、中、小潮全潮資料分析，本海區(qū)潮流屬規(guī)則半日潮流，前后兩個(gè)半潮的漲落潮歷時(shí)和漲落潮流速基本一致；潮流最大流速出現(xiàn)在半潮位附近，呈明顯駐波性質(zhì)；不同水域的測點(diǎn)，漲落潮流歷時(shí)與強(qiáng)弱、余流的大小與方向、優(yōu)勢(shì)流、優(yōu)勢(shì)沙的方向等存在明顯差異。西太陽沙北側(cè)的爛沙洋深槽表現(xiàn)出落潮水道性質(zhì)，而南水道在一定程度上表現(xiàn)出漲潮水道性質(zhì)；黃沙洋與爛沙洋水道之間存在頻繁的潮量交換。

1.2 波 浪

本海區(qū)常浪向?yàn)镹向，次常浪向?yàn)镹NW向，出現(xiàn)頻率分別為19.60%和10.51%。強(qiáng)浪向?yàn)镹，NNE，NE和ENE向，H13%≥1.3 m的波高出現(xiàn)頻率分別為0.80%，0.63%，0.20%和0.24%，H13%≥1.6 m的波高出現(xiàn)頻率分別為0.20%，0.16%，0.12%和0.20%。工程海域形成大浪的主要天氣過程為寒潮和臺(tái)風(fēng)(含熱帶風(fēng)暴，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴)。由于西太陽沙外圍沙洲高潮時(shí)淹沒、低潮時(shí)出露，工程區(qū)海域的波浪強(qiáng)度也隨潮位高低而不同，高潮位時(shí)波浪較大，低潮位時(shí)外圍沙洲掩護(hù)作用明顯，波浪強(qiáng)度明顯減弱，寒潮、臺(tái)風(fēng)期間的大浪過程更是如此。

1.3 懸 沙

根據(jù)2003年4月19至25日現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，本海區(qū)懸沙粒徑為0.007～0.065 mm，懸沙平均中值粒徑為0.016 mm；大、中、小潮含沙量的平面分布總體上表現(xiàn)為外海水體含沙量較小，自外向內(nèi)呈遞增變化。大、中、小潮漲潮潮段含沙量分別為0.339 ，0.277和0.094 kg/m3，落潮潮段含沙量分別為0.361，0.288和0.105 kg/m3，落潮潮段含沙量略大于漲潮潮段含沙量。

1.4 底 質(zhì)

根據(jù)2003年現(xiàn)場399個(gè)底質(zhì)取樣資料分析，本海區(qū)底質(zhì)主要以黏土質(zhì)粉砂、粉砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、細(xì)砂和中砂組成。底質(zhì)中值粒徑約介于0.007～0.258 mm之間，其中粒徑小于0.1 mm的泥沙主要分布在爛沙洋及黃沙洋的各個(gè)深槽內(nèi)，太陽沙、西太陽沙及岸灘等水深較淺區(qū)域泥沙顆粒較粗，但在岸灘中潮位以上部分，底質(zhì)泥沙均呈相對(duì)較細(xì)分布。

2 二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型

2.1 二維潮流運(yùn)動(dòng)基本方程

波浪作用下的二維淺水方程包括以下3個(gè)方程：

其中：uw，vw為波浪底質(zhì)點(diǎn)速度，無浪時(shí)其值為零；B為波浪潮流相互影響系數(shù)，B=0.359；fw為波浪底部摩阻系數(shù)，取為：

其中：γ*為床面粗糙尺度，γ*=120d50；ab為床面附近水質(zhì)點(diǎn)的振幅。

2.2 懸沙濃度控制方程

泥沙運(yùn)動(dòng)以懸移質(zhì)為主時(shí)，采用考慮沉降和再懸浮的對(duì)流擴(kuò)散方程：

(4)

泥沙沉降和再懸浮的公式如下：

其中：S為泥沙濃度，Sm為底邊界泥沙通量；τb為瞬時(shí)床底剪切應(yīng)力，τcd為淤積臨界剪切應(yīng)力，τce為侵蝕臨界剪切應(yīng)力；εt為泥沙擴(kuò)散系數(shù)；E為控制侵蝕速度的比例因子；α為軟底床的侵蝕系數(shù)；n為硬底床的侵蝕指數(shù)；ω為泥沙沉降速度；Sb為泥沙近底濃度。

2.3 懸移質(zhì)引起的海床演變方程

已有研究表明，洋口港區(qū)地形沖淤變化主要由懸移質(zhì)輸移引起。由于流速引起的泥沙輸移遠(yuǎn)大于泥沙自然擴(kuò)散，因此在計(jì)算海床演變方程中，泥沙擴(kuò)散系數(shù)εt項(xiàng)可以不考慮[7]，η為由懸沙造成河床淤積或沖刷的厚度，γs為泥沙的干密度。

2.4 定解條件

(1)初始條件 初始時(shí)刻給定水位為常數(shù)，流速場為零。

(2)邊界條件 固邊界條件：水流固壁邊界的法向方向流速滿足不可入邊界條件，其法向流速為0；開邊界條件：即水域邊界條件，本次研究中開邊界采用潮位控制，邊界處潮位過程采用MIKE21自帶的global軟件生成后調(diào)試得到。

(3)動(dòng)邊界 模型中考慮了動(dòng)邊界內(nèi)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的干濕變化。采用hdry，hflood和hwet三個(gè)參數(shù)判定網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)干濕狀態(tài)，確定潮灘處網(wǎng)格單元是否露灘和是否參與計(jì)算；通常hdry

2.5 數(shù)值求解方法

采用有限體積法(Finite Volume Method)求解數(shù)學(xué)模型。從各個(gè)物理量在有限大小的控制體積中守恒的原理出發(fā)，其離散方程要求因變量的積分守恒對(duì)任意一組控制體積都得到滿足，自然對(duì)于整個(gè)計(jì)算區(qū)域也得到滿足，這是有限體積法最大的優(yōu)點(diǎn)[8]，其方程離散及求解過程請(qǐng)參考文獻(xiàn)[9]。

模型計(jì)算網(wǎng)格為三角網(wǎng)格，采用顯式格式離散方程。

3 潮流泥沙數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

3.1 潮流模型驗(yàn)證

為準(zhǔn)確模擬工程區(qū)域水動(dòng)力和泥沙運(yùn)動(dòng)，模型計(jì)算范圍取東西長約105 km，南北寬約41 km，該計(jì)算域三面(南、北、東)為開邊界，一面(西)為岸邊界。數(shù)學(xué)模型計(jì)算網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)70 096個(gè)，三角單元個(gè)數(shù)139 729個(gè)，相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)最大間距800 m，最小間距50 m。采用2003年4月實(shí)測潮流、泥沙驗(yàn)證資料。各計(jì)算潮型的水文測驗(yàn)情況分別為(驗(yàn)潮站為洋口港站，北漁站和太陽沙南站)：2003-04-19 07:00—04-20 09:00，大潮；2003-04-21 09:00—04-22 10:00，中潮；2003-04-24 06:00—04-25 09:00，小潮。測點(diǎn)位置見圖2。限于篇幅，文中僅給出部分測點(diǎn)小潮潮流驗(yàn)證結(jié)果(圖3～4)，其余參見文獻(xiàn)[10]。

圖2 水文測站位置示意Fig.2 Location of hydrologic stations

(a) 太陽沙南站 (b) 北漁站 (c) 洋口站圖3 小潮潮位驗(yàn)證Fig.3 Verification of tidal level during neap tide

(a) 1#測點(diǎn)流速 (b) 1#測點(diǎn)流向 (c) 2#測點(diǎn)流速

(d) 2#測點(diǎn)流向 (e) 3#測點(diǎn)流速 (f) 3#測點(diǎn)流向

(g) 4#測點(diǎn)流速 (h) 4#測點(diǎn)流向圖4 小潮流速流向驗(yàn)證Fig.4 Verification of velocity and flow direction during neap tide

3.2 含沙量驗(yàn)證

在潮流場驗(yàn)證良好的基礎(chǔ)上，對(duì)洋口港工程區(qū)域?qū)崪y含沙量過程進(jìn)行驗(yàn)證，泥沙參數(shù)主要取值如下：本海區(qū)懸沙平均中值粒徑為0.016 mm，泥沙沉降速度為0.08 cm/s；按照沙玉清的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算臨界淤積剪切應(yīng)力，按照張瑞謹(jǐn)?shù)慕?jīng)驗(yàn)公式計(jì)算臨界沖刷切應(yīng)力；港區(qū)的海床分為兩層：上層為軟底床，即泥沙最新落淤的床層。軟泥的干密度為100～400 kg/m3，具體數(shù)值取決于各自的環(huán)境，同時(shí)和新淤積泥沙的濕重度也有密不可分的關(guān)系[11]，而硬泥則是由底質(zhì)粒徑按照公式γd=1 750×d0.183計(jì)算[12]；床層間的泥沙轉(zhuǎn)換率取為0.01 kg/ (m2·s)。圖5為部分測點(diǎn)小潮含沙量驗(yàn)證，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)潮周期內(nèi)各測點(diǎn)平均含沙量計(jì)算值與實(shí)測值的誤差基本滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》(JTS/T 231-2-2010)中誤差小于30%的要求。

(a) 1#測點(diǎn) (b) 2#測點(diǎn) (c) 3#測點(diǎn)

(d) 4#測點(diǎn) (e) 5#測點(diǎn)圖5 小潮含沙量驗(yàn)證Fig.5 Verification of sediment concentration during neap tide

3.3 地形驗(yàn)證

采用2009年4月至2010年4月實(shí)測水下地形為模型驗(yàn)證地形。圖6為洋口港區(qū)爛沙洋北水道航槽內(nèi)實(shí)測和計(jì)算的對(duì)應(yīng)一年內(nèi)的淤積分布圖，航槽內(nèi)實(shí)測年淤積量為361.45萬m3，年平均淤積厚度為0.34 m。模型計(jì)算的航槽內(nèi)年淤積量約為312.2萬m3，平均淤積厚度為0.3 m，計(jì)算平均沖淤厚度與實(shí)測值誤差為13.6%，滿足規(guī)程中計(jì)算與實(shí)測平均沖淤厚度偏差小于30%的要求。

(a) 實(shí)測地形變化

(b) 模擬計(jì)算地形變化圖6 爛沙洋北水道地形變化驗(yàn)證Fig.6 Verification of topographic change of the northern Lanshayang tidal channel

4 航道方案工程前后潮流特性分析

二期航道需進(jìn)行疏浚增深，工可階段布置2個(gè)方案；為研究工程建設(shè)后航道附近流場變化，沿航道軸線布置36個(gè)采樣點(diǎn)(圖7)，各采樣點(diǎn)漲落潮時(shí)最大橫流流速見表1。

方案1(一期航道軸線的延伸)：航道口門A0點(diǎn)設(shè)置在20 m等深線附近(15萬t級(jí)油輪開始乘潮進(jìn)港處)。船舶由口門A0點(diǎn)，按一期工程航道延伸方向進(jìn)港，船舶按航向274°航行32.6 km至A1點(diǎn)，轉(zhuǎn)航向281°航行約 5.7 km至港池水域前沿的A2點(diǎn)。航道全長約38.2 km。

(a) 航道方案

方案2(軸線北偏，減少疏浚工程量)：考慮建設(shè)疏浚工程量、并與現(xiàn)有LNG內(nèi)錨地保持一定安全距離要求布置航道平面。船舶由口門B0點(diǎn)，按276°航向航行21.6 km至太陽沙南側(cè)B1點(diǎn)，轉(zhuǎn)航向271°航行約12.3 km至B2點(diǎn)，轉(zhuǎn)航向281°航行約4.4 km至港池及連接水域。航道全長38.2 km。航道最淺自然水深約11.5 m(當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?，下?。航道與LNG內(nèi)錨地保持350 m安全距離(1倍船長)，全長約38.9 km。

(b) 采樣點(diǎn)布置圖7 航道方案和采樣點(diǎn)布置Fig.7 Layout of two schemes and their measuring points

12HD1-40.240.24HD2-40.240.25HD1-50.250.26HD2-50.250.27HD1-60.280.28HD2-60.280.29HD1-70.300.30HD2-70.300.30HD1-80.320.32HD2-80.320.32HD1-90.330.33HD2-90.380.30HD1-100.370.32HD2-100.380.31HD1-110.360.31HD2-110.380.31HD1-120.350.31HD2-120.370.30HD1-130.350.28HD2-130.370.2912HD1-140.370.29HD2-140.380.29HD1-150.400.31HD2-150.400.32HD1-160.410.32HD2-160.420.33HD1-170.420.33HD2-170.450.34HD1-180.430.33HD2-180.460.35HD1-190.440.34HD2-190.480.36HD1-200.420.33HD2-200.500.37HD1-210.410.31HD2-210.480.35HD1-220.390.29HD2-220.380.28

分析工程前后航道內(nèi)流速及橫流情況，可以得到以下主要結(jié)論：

(1)工程方案實(shí)施后，航道疏浚段內(nèi)漲潮流速變化略有減小；落潮流速略有增加，其中，方案1落潮流平均流速最大增幅為0.05 m/s，方案2落潮平均流速最大增幅為0.03 m/s，體現(xiàn)了一定的落潮歸流特點(diǎn)。

(2)工程方案實(shí)施后，2個(gè)方案港池內(nèi)漲落潮平均流速呈減小趨勢(shì)，且落潮平均流速減小幅度略大于漲潮平均流速的減小幅度，最大減幅均為0.03 m/s。

(3)方案1航道開挖段的最大橫流流速為0.44 m/s(HD1-19)，方案2航道開挖段的最大橫流流速為0.50 m/s(HD2-20)；由于外海旋轉(zhuǎn)流特征明顯，因此航道非開挖段測點(diǎn)的橫流較大。

5 航道方案回淤計(jì)算分析

5.1 常風(fēng)天泥沙回淤計(jì)算

采用2003年4月水文驗(yàn)證中的大潮、中潮和小潮組合潮型作為潮位邊界，采用西太陽沙測波站-12 m等深線處平均潮位有效波高為0.41 m的波高驗(yàn)證推算相應(yīng)的平均波浪場。為定量分析航道沿程的泥沙淤積情況，分別對(duì)航道方案1、2進(jìn)行了分段統(tǒng)計(jì)分析，見圖8和表2。

(a) 方案一

(b) 方案二圖8 航道分段Fig.8 Channel sections

表2 航道疏浚段常年淤積強(qiáng)度及淤積量Tab.2 Annual siltation in dredging sections of two schemes

由表2可見，從各分段的疏浚深度及相應(yīng)的回淤強(qiáng)度來看，疏浚深度越大，泥沙回淤強(qiáng)度也越大。

5.2 大風(fēng)天泥沙回淤估算

采用水文驗(yàn)證中的大潮潮型作為潮位邊界，波浪按照10年一遇不利風(fēng)向的風(fēng)速進(jìn)行推算，其中9級(jí)風(fēng)按SSE向風(fēng)作用6 h、風(fēng)速為22.73 m/s；10級(jí)風(fēng)按NNE向風(fēng)作用6 h、風(fēng)速為26.48 m/s。

大風(fēng)天氣時(shí)水體紊動(dòng)強(qiáng)烈，挾帶泥沙粒徑大于常風(fēng)天懸沙平均粒徑。實(shí)測資料顯示，6級(jí)風(fēng)作用下，水體底層懸沙中值粒徑為0.09 mm左右，水體表層中值粒徑為0.016 mm，因此本次計(jì)算中考慮泥沙的粒徑分組，即采用0.016和0.090 mm兩種中值粒徑，泥沙沉速分別取為0.8 和4.0 mm/s，泥沙干密度分別為821 和1 126 kg/m3。計(jì)算結(jié)果表明，一場10級(jí)風(fēng)作用下，航道分段最大回淤強(qiáng)度小于30 cm。

需要補(bǔ)充說明的是：由于本次研究缺少大風(fēng)天泥沙實(shí)測資料，無法開展大風(fēng)天泥沙回淤驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)際是有區(qū)別的，泥沙物理過程的一些參數(shù)選取決定了淤積強(qiáng)度的大小。

6 結(jié) 語

本文采用洋口港區(qū)海域大范圍二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型開展工程區(qū)域潮流場和航道回淤研究，計(jì)算結(jié)果表明：航道開挖方案實(shí)施后，海區(qū)內(nèi)潮流場變化不大，航道內(nèi)漲、落潮流速變化幅度小于0.05 m/s；方案1和2航道開挖段的最大橫流流速分別為0.44和0.50 m/s；方案1實(shí)施后，航道疏浚段內(nèi)回淤強(qiáng)度最大值為1.40 m/a，平均回淤強(qiáng)度為1.03 m/a，回淤總量為693.2 萬m3/a；方案2實(shí)施后，航道內(nèi)回淤強(qiáng)度最大值為1.26 m/a，平均回淤強(qiáng)度為0.94 m/a，回淤總量為570.4萬m3/a；一次10級(jí)大風(fēng)過程航道內(nèi)分段最大淤積強(qiáng)度小于30 cm。因此，初步論證了爛沙洋北水道航道開挖是可行的，且方案2優(yōu)于方案1。

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