肖立敏，孫林云，孫波，韓信，劉建軍

（南京水利科學(xué)研究院，水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024）

南港工業(yè)區(qū)位于天津?yàn)I海新區(qū)南部，規(guī)劃面積200 km2，其中陸域面積162 km2，大部分由圍海造地而成，圍海深度至-4m等深線。天津港大港港區(qū)（南港工業(yè)區(qū)港區(qū)）于2011年8月正式開(kāi)港試通航，現(xiàn)有航道可通行5 000噸級(jí)船舶，且正在進(jìn)行5萬(wàn)噸級(jí)航道施工，并將隨后開(kāi)展10萬(wàn)噸級(jí)等級(jí)提升。為保障港區(qū)航運(yùn)安全、提高運(yùn)營(yíng)效率、完善港區(qū)規(guī)劃，建立平面二維潮流數(shù)學(xué)模型對(duì)港區(qū)口門(mén)布置水流條件進(jìn)行專(zhuān)題研究，初步確定口門(mén)的合理位置并優(yōu)化口門(mén)布置，為港區(qū)規(guī)劃建設(shè)提供技術(shù)依據(jù)。

本次研究港池航道均按10萬(wàn)噸級(jí)標(biāo)準(zhǔn)考慮，其中航道有效寬度300 m，港池航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高-15.0m。航道起點(diǎn)0+000位置。高程系統(tǒng)統(tǒng)一采用新港理論基準(zhǔn)面。

1 工程區(qū)潮汐潮流特征

工程海域潮汐類(lèi)型屬不規(guī)則半日潮，晝夜兩漲兩落，滯后約45 min，日潮不等現(xiàn)象明顯，漲潮歷時(shí)約為5.5 h，落潮歷時(shí)約為7 h。見(jiàn)表1。

工程區(qū)海域漲、落潮流向總體而言較為集中，基本呈現(xiàn)垂直于岸線的往復(fù)流性質(zhì)。近岸或建筑物附近，局部流向會(huì)受到約束而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。2011年在工程附近海域開(kāi)展了水文測(cè)驗(yàn)工作，測(cè)點(diǎn)位置及大潮期間流速矢量見(jiàn)圖1。南港實(shí)測(cè)站點(diǎn)流速值與離岸距離為正比關(guān)系，即離岸越遠(yuǎn)，垂線流速值越大，各個(gè)測(cè)點(diǎn)大、小潮漲潮流最大流速分別在0.74m/s和0.61m/s以?xún)?nèi)。

表1 潮位特征值Table1 Tidevalueeigenvaluem

圖1 港區(qū)平面布置及實(shí)測(cè)大潮流速矢量圖Fig.1 The harbor layoutand the vectorgraph of the measured spring tide velocity

2 平面二維潮流數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

2.1 模型建立

模型采用變步長(zhǎng)網(wǎng)格覆蓋研究區(qū)域，各變量轉(zhuǎn)換到正交曲線坐標(biāo)系，并對(duì)沿水深積分的連續(xù)方程和動(dòng)量方程經(jīng)差分離散后采用ADI法進(jìn)行計(jì)算，采用TDMA方法求解[1]。

2.2 模型驗(yàn)證

對(duì)工程區(qū)2011年6月12—13日、17—18日實(shí)測(cè)大潮的3個(gè)臨時(shí)潮位站的潮位以及9條垂線的流速、流向進(jìn)行驗(yàn)證[2-3]，各測(cè)站位置見(jiàn)圖1。圖2、圖3分別給出了部分測(cè)點(diǎn)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)的對(duì)比。由圖可見(jiàn)，潮位過(guò)程以及流速、流向的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合良好，能較好反映工程區(qū)潮流動(dòng)力特性，可用于不同工程方案的水動(dòng)力模擬計(jì)算。

圖2 大潮潮位過(guò)程驗(yàn)證曲線圖Fig.2 The curveof spring tide process verification

圖3 大潮流速流向驗(yàn)證曲線Fig.3 The curve of spring tide velocity and direction verification

3 方案介紹

依據(jù)天津港2011年至2030年總體規(guī)劃中的大港港區(qū)規(guī)劃，大港港區(qū)北側(cè)留有預(yù)留發(fā)展區(qū)，預(yù)留發(fā)展區(qū)與高沙嶺港區(qū)之間有一片水域暫未進(jìn)行規(guī)劃（簡(jiǎn)稱(chēng)“規(guī)劃條件”）。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，未來(lái)有可能進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，考慮將該水域圍填成陸（簡(jiǎn)稱(chēng)“北側(cè)未來(lái)開(kāi)發(fā)條件”）。

潮流數(shù)學(xué)采用2011年實(shí)測(cè)大潮作為代表潮型，開(kāi)展不同港區(qū)口門(mén)布置方案的水流條件計(jì)算分析。首先對(duì)口門(mén)防波堤長(zhǎng)度進(jìn)行初步比選，分別考慮防波堤長(zhǎng)度（以東防波堤為起算點(diǎn)）為2 km、3 km、4 km、5 km、6 km和7 km，見(jiàn)圖 4（a）。在初步確定合適的口門(mén)防波堤長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，針對(duì)口門(mén)建橫堤或束口對(duì)口門(mén)布置形式進(jìn)行研究?？陂T(mén)橫堤分別考慮橫堤位置距堤頭1.4 km和0.5 km，各方案口門(mén)凈寬度均為1 km，見(jiàn)圖4（b）。

圖4 方案平面布置示意圖Fig.4 Sketch of the layout scheme

4 計(jì)算成果分析

4.1 不同堤長(zhǎng)水流條件分析

圖5給出了口門(mén)防波堤長(zhǎng)度為4 km時(shí)的漲急流場(chǎng)分布。由圖可見(jiàn)，大港港區(qū)口門(mén)正對(duì)著潮波傳播方向，外海漲、落潮流方向基本與口門(mén)防波堤走向平行。規(guī)劃條件下，漲潮流進(jìn)入港區(qū)并在東港池附近形成回流區(qū)域，港池內(nèi)流速普遍較弱；落潮時(shí)，水流流態(tài)較為平順。北側(cè)未來(lái)開(kāi)發(fā)條件下，漲潮期間北側(cè)部分水流經(jīng)口門(mén)防波堤挑流后進(jìn)入港區(qū)，并在港池內(nèi)形成一定范圍的回流。

圖5 堤長(zhǎng)4 km方案大潮漲急流態(tài)Fig.5 Themaximum flood situation of the4 km length breakwater scheme

圖6 、圖7分別給出了不同堤長(zhǎng)方案漲落潮期間特征流速沿航道中心軸線分布，表2則統(tǒng)計(jì)了最大橫流流速及出現(xiàn)位置。由圖表可見(jiàn)在規(guī)劃條件下，口門(mén)防波堤長(zhǎng)度為2 km時(shí)，口門(mén)段（航道里程10+000—15+000段）流速相對(duì)較大，漲、落潮最大流速分別為0.96 m/s和0.52 m/s；港池內(nèi)流速普遍在0.25m/s以?xún)?nèi)。當(dāng)防波堤長(zhǎng)度在3～7 km之間變化時(shí)，漲落潮最大流速均在0.90 m/s左右，且在防波堤掩護(hù)段流速分布較為均勻，流向基本與航道走向平行。從航道橫流統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，口門(mén)防波堤長(zhǎng)度為2 km時(shí)，最大橫流在0.35 m/s左右，出現(xiàn)在11+000處，其余段橫流基本在0.10 m/s以?xún)?nèi)。當(dāng)口門(mén)防波堤長(zhǎng)度延長(zhǎng)至3 km時(shí)，橫流明顯減小，最大橫流在0.26 m/s左右。當(dāng)口門(mén)防波堤延長(zhǎng)至4～7 km時(shí)，航道中心軸線沿程橫流分布與防波堤長(zhǎng)度為3 km時(shí)基本一致。

圖6 不同堤長(zhǎng)方案沿航道軸線方向漲潮最大流速分布Fig.6 The flood tidemaximum velocity distribution along the channel axis of different length breakwater schemes

圖7 不同堤長(zhǎng)方案航道中心軸線最大橫流流速沿程分布Fig.7 Themaximum cross-flow velocity distribution along the channelcenter axisof different length breakwater schemes

表2 不同方案航道中心軸線最大橫流流速統(tǒng)計(jì)表Table 2 The statistical table of themaximum cross-flow velocity along the channelcenter axisof different length breakwater schemes

北側(cè)未來(lái)開(kāi)發(fā)條件下，漲潮期間，隨著口門(mén)防波堤的延長(zhǎng)，最大流速出現(xiàn)位置相應(yīng)外移并有一定程度增加。防波堤長(zhǎng)度分別為2 km、3 km、4 km、5 km、6 km和7 km時(shí)，口門(mén)附近最大流速分別為 0.94 m/s、1.01 m/s、1.03 m/s、1.05m/s、1.07 m/s和1.08 m/s。落潮期間，最大流速均在0.62 m/s左右。從航道橫流結(jié)果來(lái)看，當(dāng)口門(mén)防波堤長(zhǎng)度2 km時(shí)，最大橫流為0.46m/s，出現(xiàn)在11+700處，在口門(mén)防波堤堤頭（13+500）附近，最大橫流為0.17 m/s，其余段橫流均在0.10 m/s以?xún)?nèi)。隨著口門(mén)防波堤的延長(zhǎng)，東港池附近橫流明顯減小，最大橫流在0.20 m/s以?xún)?nèi)，但堤頭挑流作用越明顯。口門(mén)防波堤長(zhǎng)度分別為3 km、4 km、5 km、6 km和7 km時(shí)，堤頭附近最大橫流分別為 0.24 m/s、0.29 m/s、0.31 m/s、0.33 m/s 和0.35m/s。

從水流條件角度，考慮天津港總體布局規(guī)劃條件以及北側(cè)未來(lái)開(kāi)發(fā)條件，大港港區(qū)口門(mén)防波堤長(zhǎng)度不宜低于3 km；同時(shí)，在北側(cè)未來(lái)開(kāi)發(fā)條件下，口門(mén)防波堤長(zhǎng)度在3～7 km之間變化時(shí)，防波堤的延長(zhǎng)會(huì)使口門(mén)附近橫流有一定程度的增加。因而，防波堤長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)。綜合考慮，口門(mén)防波堤長(zhǎng)度選擇在4～5 km較為合適。4.2 口門(mén)布置形式水流條件分析

經(jīng)過(guò)初步比選，認(rèn)為口門(mén)防波堤長(zhǎng)度在4～5 km是較適宜的。在口門(mén)防波堤長(zhǎng)度為4 km條件下，進(jìn)一步論證口門(mén)布設(shè)橫堤或束口的水流條件。

圖8分別給出了橫堤和束口方案口門(mén)附近的漲落急流場(chǎng)分布。由圖可以看到，漲潮期間，橫堤方案由于橫堤距東港池較近，水流在東港池東端形成較為明顯的回流，因而從水流流態(tài)考慮，若要修建橫堤，橫堤不宜太靠近東港池，可以考慮適當(dāng)外移?？陂T(mén)束口方案形成后，在口門(mén)附近以及東港池均有明顯回流，從流態(tài)上看，橫堤方案要優(yōu)于束口方案。

圖8 不同口門(mén)布置形式大潮漲急流態(tài)Fig.8 Themaximum flood situation of differententrance layout schemes

圖9 給出了橫堤和束口方案最大橫流沿航道中心軸線分布，結(jié)合表2可見(jiàn)，與沒(méi)有設(shè)置橫堤或束口相比，主要在東港池對(duì)應(yīng)的航道9+000—12+500段，橫流有明顯增加，其余區(qū)域變化不大。其中在9+000—12+500段，橫堤距堤頭1.4 km和0.5 km以及束口方案最大橫流依次為0.46 m/s、0.40 m/s和 0.30m/s。

綜合上述分析，從水流結(jié)果來(lái)看，橫堤或束口方案會(huì)改變口門(mén)附近的水流流態(tài)，并在口門(mén)以及東港池附近形成一定區(qū)域回流，增加?xùn)|港池對(duì)應(yīng)的航道段的橫流流速，且橫堤方案要優(yōu)于束口方案。橫堤適當(dāng)外移能有效減小東港池的回流強(qiáng)度和范圍，并減小橫流流速。

圖9 不同口門(mén)布置形式最大橫流沿航道中心軸線分布Fig.9 Themaximum cross-flow distribution along the channel center axisof differententrance layout schemes

5 結(jié)語(yǔ)

1）綜合規(guī)劃條件以及北側(cè)未來(lái)開(kāi)發(fā)條件，口門(mén)防波堤長(zhǎng)度選擇在4～5 km較為適宜。

2）按照1 000m凈寬于口門(mén)內(nèi)建橫堤或束口方案，從流態(tài)上看建橫堤優(yōu)于束口；橫堤位置應(yīng)適當(dāng)外移，與港池開(kāi)挖區(qū)保持一定距離，能有效減小東港池的回流強(qiáng)度和范圍。

3）根據(jù)通航水流條件的不同方案比選結(jié)果，建議在防波堤長(zhǎng)度4～5 km和（或）口門(mén)內(nèi)設(shè)置橫堤的基礎(chǔ)上，再結(jié)合碼頭泊穩(wěn)條件和泥沙沖淤情況來(lái)對(duì)口門(mén)布置進(jìn)行綜合分析。

[1] 汪德?tīng)?計(jì)算水力學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社，1989.WANG De-guan.Computational hydraulics[M].Nanjing:Hohai University Press,1989.

[2] 肖立敏，孫波，韓信，等.天津南港工業(yè)區(qū)港區(qū)口門(mén)布置優(yōu)化波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算研究報(bào)告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2013.XIAO Li-min,SUN Bo,HAN Xin,et al.Report on wave current sedimentmathematicalmodel teston entrance location optimization in Tianjin Nangang Industrial Zone[R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2013.

[3] 孫波，韓信，劉建軍，等.天津港大港港區(qū)口門(mén)布置優(yōu)化試驗(yàn)研究報(bào)告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2013.SUN Bo,HAN Xin,LIU Jian-jun,et al.Test report on entrance location optimization in Dagang Harbor of Tianjin Port[R].Nanjing:NanjingHydraulic Research Institute,2013.