張 娜，趙雪夫，韓志遠，陳 純

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津 300456；3.中國人民解放軍91053部隊，北京 100070)

曹妃甸港區(qū)位于渤海灣的-30 m深槽水域，具有天然優(yōu)良的水深條件。2003年3月，曹妃甸通島公路開始建設(shè)，標(biāo)志著曹妃甸大港建設(shè)正式拉開序幕[1]。同時，通道公路的建設(shè)也阻斷了淺灘潮道(納潮河)[2]。隨后的10年間，曹妃甸開始大規(guī)模建港行動，吹填形成了大量陸域，并形成五個港池，分別為中區(qū)一港池、中區(qū)二港池、東區(qū)一港池、東區(qū)二港池和東區(qū)三港池。截止到2015年，中區(qū)一、二港池內(nèi)已有部分碼頭建成，港池內(nèi)除最內(nèi)端保持自然水深外，大部分水域已疏浚至設(shè)計水深。2016年8月在對納潮河大橋橋下進行挖掘以及潮流自然的沖蝕下切下納潮河開通[2]。

很多學(xué)者都對曹妃甸圍海造陸不同階段流場進行了數(shù)模預(yù)測，但關(guān)注的主要是圍海造陸對周邊海域的影響。比如，戚健文[3]采用三維潮流數(shù)學(xué)模型對曹妃甸2009～2012和遠期規(guī)劃條件下流場進行模擬，分析不同階段港池和甸頭流速變化；王斌[4]應(yīng)用SMS軟件建立渤海二維潮流數(shù)學(xué)模型對曹妃甸圍海工程前、近遠期方案下水動力情況進行了模擬；陸永軍[5]應(yīng)用波流共同作用下二維泥沙數(shù)學(xué)模型研究了曹妃甸前島后陸的港區(qū)圍墾方案對水動力環(huán)境的影響問題, 包括該工程引起的曹妃甸甸頭以南深槽、老龍溝深槽及各港池的流速變化及底床的沖淤變形等。孫欽幫[6]利用有限差分ADI 方法建立曹妃甸海域平面二維水動力數(shù)學(xué)模型，對曹妃甸工業(yè)區(qū)圍填海工程前后曹妃甸海域的潮流場進行了模擬，分析了圍填海工程對曹妃甸海域的影響范圍及程度。

2014年后，曹妃甸圍海造陸工作基本完成，各港池、碼頭泊位主要實施疏浚工作。2016年納潮河開通一過水通道，現(xiàn)場實測資料顯示，納潮河的開通會對港池間流態(tài)產(chǎn)生一定的影響，因此本文在現(xiàn)場實測資料基礎(chǔ)上，采用二維潮流數(shù)學(xué)模型，對納潮河開通后流場進行了模擬，并對變化情況進行分析，為今后納潮河不斷拓寬，港內(nèi)碼頭安全運營提供參考依據(jù)。

1 潮汐特征

圖1 曹妃甸港區(qū)平面布置示意圖Fig.1 Plane layout of Caofeidian port area

(1)根據(jù)2000年10月～2001年10月現(xiàn)場實測潮汐資料，曹妃甸海區(qū)潮汐形態(tài)數(shù)(HO1+HK1)/HM2=0.81，屬于不規(guī)則半日潮。該海域的潮位特征值如下(基準面為當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?。

年最高高潮位： 3.38 m 年平均低潮位： 1.07 m

年最低低潮位： 0.14 m 年平均高潮位： 2.47 m

年平均海平面： 1.77 m 年平均潮差： 1.40 m

(2)2015年6月28日～8月5日、2017年2月23日～3月9日布設(shè)T1(中區(qū)一港池口門內(nèi)側(cè))、T2(中區(qū)二港池頂部)和T3(東區(qū)一港池)臨時潮位站(站位見圖1)進行潮位觀測，潮位特征如下：

根據(jù)2015年6月28日至8月5日期間潮位統(tǒng)計可知：T1、T2、T3站平均潮差分別為1.65 m、1.80 m、1.56 m，平均高潮位分別為2.80 m、2.86 m、2.67 m，平均低潮位分別為1.14 m、1.05 m、1.12 m，平均潮位為1.97 m、1.96 m、1.94 m。3站的平均潮差和平均高潮位T2>T1>T3，平均低潮位T1>T3>T2，平均潮位為T1>T2>T3。

根據(jù)2017年2月23日至3月9日期間潮位統(tǒng)計可知：T1、T2、T3站平均潮差分別為1.54 m、1.65 m、1.51 m，平均高潮位分別為2.46 m、2.51 m、2.46 m，平均低潮位分別為0.91 m、0.85 m、0.93 m，平均潮位為1.69 m、1.69 m、1.73 m。3站的平均潮差T2>T1>T3，平均高潮位T2>T3=T1，平均低潮位T3>T1>T2，平均潮位為T3>T2=T1。與2015年數(shù)據(jù)相比，T3站與T2站的平均高潮位、潮差差值有所減小，這可能與觀測期間東區(qū)港池和中區(qū)二港池已挖通有關(guān)。

2 現(xiàn)場潮流監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 納潮河開通前流場特征

在曹妃甸港建設(shè)過程中分別于2005年3月、2006年3月、2006年7月、2007年7月以及2014年6月分別進行過全潮水文觀測，多次監(jiān)測結(jié)果顯示：曹妃甸圍墾陸域建設(shè)過程中，并沒有改變該海域的整體潮流特征，水流依然呈現(xiàn)東西向往復(fù)流運動。漲潮時東側(cè)來的漲潮水體一部分沿老龍溝航道向東區(qū)各港池填充，一部分向甸頭方向流動，繞過甸頭后分別進入中區(qū)一、二港池，直到填充到港池最內(nèi)端。

落潮時水流基本呈反向流出，落潮水體從西側(cè)而來，一部分分別進入中區(qū)二港池和一港池，一部分沿邊界繼續(xù)向東流動，經(jīng)過甸頭后繼續(xù)向東，并于老龍溝航道下泄的落潮流匯合然后向灣外流出。在平面分布上，曹妃甸海域潮流流速具有甸頭附近和東側(cè)潮溝內(nèi)流速較大，淺灘與外海流速稍弱的分布規(guī)律。由于岬角效應(yīng)，甸頭深槽為水流最強區(qū)，這也是深槽水深能夠維持的主要動力因素。2014年6月現(xiàn)場實測流速矢量見圖1中C1～C5。

2.2 納潮河局部挖通后流場特征

2016年納潮河開通一過水通道，過水通道在低潮位時寬度在45 m以內(nèi)，實測水深小于4 m。2017年2月27～28日，在中區(qū)二港池和東區(qū)水域內(nèi)布置了5個水文測站，對納潮河局部開通后流態(tài)進行了監(jiān)測，不同時刻流速矢量如圖2所示。分析不同時刻流速情況可知：

C1～C4站基本為往復(fù)流，C2站漲潮主流向基本為SW向，落潮主流向基本為NE向，C4站則相反；C1站和C3站位于中區(qū)二港池中部，高潮位時為偏E向流，低潮位時為偏W向流。C5站位于中區(qū)二港池口門內(nèi)側(cè)，呈明顯的環(huán)流特征。

C2、C4站漲、落潮平均流速為0.08～0.18m/s，垂線平均最大流速為0.21～0.40 m/s；C1站和C3站東、西向流的潮段平均流速為0.13～0.16 m/s，垂線平均最大流速介于0.22～0.31 m/s之間；C5站平均流速為0.07 m/s，最大流速為0.18 m/s。

實測潮流資料表明，納潮河挖通后，受東西兩側(cè)傳入潮波影響，中區(qū)二港池頂部潮波發(fā)生變形，呈現(xiàn)前進波的特征，高潮位時為偏E向流，低潮位時為偏W向流。

圖2 二～三港池水域不同時刻潮流矢量(2017-02-28)Fig.2 Tidal current vectors at different times in harbour basin (2017-02-28)

3 數(shù)學(xué)模型建立及驗證

3.1 模型建立及網(wǎng)格剖分

潮流計算采用Mike系列軟件中的三角形網(wǎng)格水動力模塊(FM模塊)。該軟件由丹麥水工所開發(fā)，可以應(yīng)用于海洋、海岸、河口區(qū)域的二、三維水動力計算。FM模塊采用三角形網(wǎng)格，在處理潮流動邊界、復(fù)雜工程建筑物邊界等方面具有強大的功能，在國內(nèi)外許多工程項目研究中得到了廣泛應(yīng)用[7-10]。

圖3 網(wǎng)格剖分示意圖Fig.3 Sketch of grid mesh

為保證局部流場計算符合潮流場的整體物理特征，采用大、小兩重模型以嵌套方式進行計算。大模型包含整個渤海海域。小模型范圍包含了整個渤海灣，東西向最長約129 km，南北向最長約147 km。小模型開邊界條件由大模型提供。計算域采用三角形網(wǎng)格剖分。大模型共9 030個網(wǎng)格節(jié)點，計算時間步長從0.01～60 s自動調(diào)節(jié)。小模型約52 400個網(wǎng)格節(jié)點，網(wǎng)格最大空間步長約5 000 m，最小空間步長約10 m，計算時間步長從0.01～5 s自動調(diào)節(jié)。小模型網(wǎng)格剖分如圖3所示。

3.2 模型驗證

采用2014年6月、2017年2月水文全潮資料對模型進行驗證。部分驗證曲線如圖4所示。由實測與計算結(jié)果的比較可見，各測站的計算與實測潮位、流速、流向在連續(xù)的變化過程中都比較接近，基本滿足現(xiàn)行《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》要求?？傮w上看，本報告所建立的潮流模型比較全面地反映了工程區(qū)附近海域的潮流運動規(guī)律，可對納潮河開通后流場進行模擬，分析開通前后流場變化。

4-a 2014年6月

4-b 2017年2月圖4 實測與計算潮位、流速、流向?qū)Ρ菷ig.4 Comparisons between measured and calculated tidal level, current velocity and flow direction

4 納潮河開通前后水流運動模擬

4.1 納潮河開通前潮流特征

圖5 工程前流場(左：漲潮；右：落潮)Fig.5 Flow field before engineering(Left: flood tide; Right: ebb tide)

納潮河開通前，漲潮時東側(cè)來的漲潮水體一部分沿老龍溝向東區(qū)港池填充，一部分向甸頭方向流動，繞過甸頭后分別進入中區(qū)一、二港池，受口門防波堤挑流，港內(nèi)形成順時針回流。落潮時，落潮水體從西側(cè)而來，一部分分別進入中區(qū)二港池和一港池，一部分沿邊界繼續(xù)向東流動，經(jīng)過甸頭后繼續(xù)向東，并與沿老龍溝下泄的落潮流匯合然后向灣外流出。納潮河附近處于灣頂，中區(qū)二港池頂端，水流較弱。流場如圖5所示。

4.2 納潮河局部開通后潮流特征

圖6 納潮河開通后流場(左：漲潮；右：落潮)Fig.6 Flow field after the opening of the Nachao River (Left: flood tide; Right: ebb tide)

納潮河開通后，漲潮時東側(cè)來的漲潮水體一部分沿老龍溝向東區(qū)港池填充，一部分沿邊界經(jīng)甸頭向東流動，然后經(jīng)中區(qū)二港池口門進入向灣頂填充，在納潮河西側(cè)與東區(qū)漲潮水體匯合(圖6)，漲急過后水體繼續(xù)經(jīng)過納潮河向東運動，在納潮河?xùn)|側(cè)與東區(qū)漲潮水體相匯；東區(qū)港池南側(cè)水域水體始終保持向西運動趨勢。落潮時，從西側(cè)來的落潮流一部分進入中區(qū)二港池向內(nèi)涌入，然后經(jīng)納潮河進入東區(qū)水域，待3 h后(落潮時刻，圖6)，二港池內(nèi)水流反向流動，由向北向里轉(zhuǎn)為向南從口門流出，而三港池始終保持向東側(cè)流出狀態(tài)。由于中區(qū)一港池與其他港池沒有聯(lián)通，其漲潮呈現(xiàn)從口門向里，落潮呈現(xiàn)從口門向外流動趨勢。中區(qū)一港池口門內(nèi)5 km以內(nèi)始終處于回流區(qū)。

納潮河通道由于過水通道較窄，水深較淺，最大流速可達到1.7 m/s。中區(qū)一港池內(nèi)流速較小，大部分在0.20 m/s以內(nèi)。中區(qū)二港池流速呈口門外側(cè)大，納潮河通道處流速大，中間大部分流速在0.20 m/s以下。東區(qū)水域流速呈從西向東逐漸增大的趨勢，流速基本在0.60 m/s以內(nèi)。

4.3 規(guī)劃實施后潮流特征

圖7 規(guī)劃實施后局部流速矢量圖(左：漲潮；右：落潮)Fig.7 Vector map of flow velocity after the implementation of the plan (Left: flood tide; Right: ebb tide)

規(guī)劃方案實施后，中區(qū)一、二和東區(qū)港池全部連通，并疏浚至設(shè)計水深，中區(qū)一港池設(shè)計水深-15 m，二港池分南北兩部分，南側(cè)設(shè)計水深-13 m、北側(cè)設(shè)計水深-7 m，東區(qū)三個港池南側(cè)水域設(shè)計水深-11 m。數(shù)模模擬得到(圖7)，規(guī)劃方案實施后，漲潮時東側(cè)來的漲潮水體一部分沿老龍溝向東區(qū)港池填充，一部分沿邊界經(jīng)甸頭向東流動，經(jīng)三港池的漲潮水體會由納潮河進入中區(qū)二港池，從二港池流出，并與口門外由東向西的漲潮流匯合。漲潮初期，中區(qū)一港池呈進流狀態(tài)，口門處于回流區(qū)，待3 h后，受北部二港池水流影響，會有一小部分水體從北部涌入一港池，在一港池內(nèi)形成兩股水流的頂托，一港池內(nèi)水體流向不斷向南偏轉(zhuǎn)，但口門5 km內(nèi)始終處于回流區(qū)內(nèi)。

落潮時，水流基本呈反向，西側(cè)來的落潮水流一部分進入中區(qū)二港池后再經(jīng)東區(qū)老龍溝航道流出，一部分沿邊界向東流動，并與老龍溝下泄的落潮流匯合然后向灣外流出。待落急過后，從納潮河?xùn)|側(cè)水體反向，中區(qū)二港池內(nèi)水體向南轉(zhuǎn)向從口門流出。東區(qū)港池南側(cè)水體始終處于向東側(cè)流出趨勢。落潮初期，中區(qū)一港池北部水體進入二港池，南側(cè)處于逆時針回流區(qū)，隨落潮進行，一港池水體呈現(xiàn)向口門流出狀態(tài)，待低潮位時呈現(xiàn)向里流動趨勢。

從流速數(shù)值角度，規(guī)劃實施后，外海流速分布基本沒變，二港池內(nèi)流速明顯加大，納潮河通道處最大流速接近0.8 m/s，從納潮河向西流速基本呈減小趨勢；一港池流速呈現(xiàn)兩頭大中間小趨勢，口門和位于二港池相交的北端流速較大，但最大流速基本在0.30 m/s以內(nèi)。

4.4 納潮河開通影響分析

結(jié)合以上流場分析結(jié)果可知，納潮河開通后，雖然沒有改變大范圍潮流運動特征，但是對中區(qū)一、二港池和東區(qū)航道北部水域水流運動會產(chǎn)生一定影響。開通前，納潮河兩側(cè)為漲潮匯集點，但局部開通后，漲潮期間水流會從東區(qū)流向二港池，在二港池內(nèi)與從口門而入的漲潮流匯合，落潮時東區(qū)大部分水體沿老龍溝向外海流出，而少量會通過二港池流出；待納潮河全部開通并疏浚至設(shè)計水深，形成三港池連通后，漲潮時水體會經(jīng)由三港池向二港池流動，而落潮時二港池內(nèi)一部分經(jīng)二港池口門流出外，部分水體經(jīng)東區(qū)水域沿老龍溝航道流出，可見，隨著納潮河開通及浚深，曹妃甸港池內(nèi)水流流動趨勢發(fā)生了變化，且納潮河開通后竣深，一、二港池及東區(qū)老龍溝航道水域均為流速增加，增加幅度在0.02～0.32 m/s，對船舶靠泊可能會帶來一定的安全隱患，需要引起關(guān)注。

將納潮河全部開通并疏浚至設(shè)計水深，形成三港池連通前后工程海域全潮平均流速對比可知，納潮河開通后，中區(qū)一港池全潮平均流速增加，增幅在0.03～0.13 m/s之間；漲落潮最大流速為0.45 m/s，較工程前增加0.21 m/s，增幅93%。中區(qū)二港池漲落潮最大流速為0.44 m/s，較工程前減小了0.25 m/s，減幅37%；全潮平均流速有增有減，變化數(shù)值在-0.02～0.15 m/s之間。納潮河通道內(nèi)漲落潮最大流速為0.48 m/s，較工程前減小了0.21 m/s，減幅30.3%；全潮平均流速變化數(shù)值在-0.02～0.17 m/s之間。東區(qū)老龍溝航道內(nèi)漲落潮最大流速為0.87 m/s，較工程前增加0.03 m/s，增幅4%；全潮平均流速增加0.01～0.12 m/s之間。

甸頭附近流速略有變化。華能碼頭前流速以減小為主，最大流速最大減小數(shù)值為0.21 m/s，減小幅度為24%以內(nèi)，平均流速減小數(shù)值在0.04～0.11 m/s，減小幅度在8%～24%之間。礦石碼頭前流速變化幅度較小，以略有減小為主，最大減幅在2%以內(nèi)。原油碼頭前流速有增有減，最大流速變化數(shù)值為0.06 m/s，變幅為6%，全潮平均流速變幅4%以內(nèi)。LNG碼頭前最大流速變化數(shù)值最大為0.06 m/s，變幅6%，平均流速變化數(shù)值最大為0.04 m/s，變幅為7%，呈減小趨勢。

5 結(jié)語

本文采用現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬兩種手段對納潮河開通前后流場進行了研究，結(jié)果表明隨著納潮河局部開通，港池內(nèi)局部水流運動特征發(fā)生了變化：

(1)曹妃甸建港期間，納潮河一直呈封堵狀態(tài)，漲潮時漲潮水體分別從老龍溝航道和中區(qū)二港池涌入，填充至納潮河封堵處，落潮時反向流出，即納潮河封堵處為分流點。納潮河局部開通后，納潮河兩側(cè)漲落潮期間水流流態(tài)會發(fā)生變化。漲潮期間，水流會經(jīng)過老龍溝航道進入二港池，而落潮期間，二港池北部一部分水流也會經(jīng)東區(qū)老龍溝航道流出，表明納潮河開通后，其分流點向二港池方向移動；

(2)總體規(guī)劃實施，即中區(qū)和東區(qū)港池連通且疏浚至設(shè)計水深后，漲潮水體會經(jīng)老龍溝航道進入二港池并從二港池口門流出的趨勢，落潮期間，二港池一部分水體經(jīng)二港池口門流出，一部分會經(jīng)老龍溝航道流出，表明納潮河的開通對港池局部流態(tài)產(chǎn)生了一定影響，但不會影響甸頭及兩側(cè)大范圍流場；

(3)納潮河開通后，中區(qū)一、二港池及老龍溝航道水域均為流速增加，增加幅度在0.02～0.32 m/s，增加比率可達到150%以上，給船舶靠離泊可能會帶來一定的安全隱患，需要引起關(guān)注，建議下一步開展通航安全論證研究。