水利学报

年月水利学报第卷第期收稿日期基金项目国家重点基础研究发展计划资助项目国家自然科学基金资助项目作者简介陆永军男江苏南通人教授级高级工程师主要从事河流海岸泥沙研究文章编号海湾型潮汐通道中大型深水港开发的水沙问题研究陆永军季荣耀左利钦黄健维南京水利科学研究院河港研究所水文水资源及水利工程科学国家重点实验室江苏南京摘要正在建设中的我国钢铁基地曹妃甸的前沿深槽属于典型的海湾型潮汐通道潮流在深槽内基本为东西向的往复流是维持深槽水深的主要动力其泥沙的运动受波浪与潮流共同作用风浪掀沙作用对含沙量场影响明显针对这类海湾型潮汐通道的波浪潮流泥沙及海床演变的特点建立了波流共同作用下的二维泥沙数学模型并进行了年冬夏季大小潮潮流泥沙的验证验证结果表明本海域潮位及条同步垂线流速流向含沙量过程的计算值与实测值吻合良好矿石码头港池前沿计算的冲淤厚度及其分布趋势与实测值接近在此基础上研究了曹妃甸深水港开发引起甸头以南深槽老龙沟深槽各港池的流速变化及港池航道内的回淤和台风暴潮引起的骤淤等问题为论证沿海潮汐通道的保护利用以及港口工业的发展等提供依据关键词波浪潮流泥沙数学模型海湾型潮汐通道深水港中图分类号文献标识码研究背景潮汐通道是指有潮海岸海湾泻湖和河口湾等被陆地包围的水域与外海交换水体的通道潮流是维持其水深的主要动力海湾型潮汐通道的特点是其纳潮水域为海湾或与海湾相似无较大河流注入径流的影响可以忽略口门相对开敞与外海畅通因此波浪对湾内和通道本身的影响不可忽略具有波流共同作用下泥沙运动的特点水沙运动过程比一般潮汐通道更为复杂海湾型潮汐通道口门深槽规模与水深较大适合于建设深水航道和大型深水海港口门内侧水域则具有良好的避风或泊稳条件同时大片纳潮水域的浅滩还具有良好的匡围条件可缓解日益突出的港口工业发展用地短缺的矛盾但由于其水沙条件复杂因此如何避免港口航道开发后通道内的泥沙回淤维持或增加口外潮汐通道水深在港口开发中如何寻求纳潮维持与浅滩匡围两者资源开发效应昀大化的平衡点均成为该类型通道深水港开发中的难点和焦点问题其对我国航运与港口的开发建设以及社会经济的持续发展意义重大我国潮汐通道研究历史还不长至今方兴未艾在某些研究领域仍然存在许多薄弱环节在研究方法上过去注重对潮汐通道体系动力地貌过程的研究采用数值及物理模拟方法进行研究相对较少因此随着模拟技术的不断成熟及在河口海岸工程中的广泛应用应着重加强对该体系动力过程的模拟用于揭示潮汐通道不同发育阶段的泥沙输移沉积过程的控制机制与滩槽冲淤变化过程此外还应加强多学科的交叉研究紧密结合工程实践解决实际问题不断提高和丰富我们的认识曹妃甸地处渤海湾湾口北侧介于天津港和京唐港之间其西距塘沽海里东北距京唐港约海里图曹妃甸岛为向的带状沙岛距离大陆岸线约在平均海平面以上沙岛长约宽约初步规划面积达的唐山曹妃甸工业区已于年月被列入国家十一五重点开发工程其具有良好的建港条件面向大海有深槽背靠陆地有浅滩为大型深水港口建设和临港产业发展提供了优越条件曹妃甸前沿深槽属典型的海湾型潮汐通道昀大水深达是渤海沿岸唯一不需开挖航道和港池即可建设万级大型泊位的天然港址但由于口门较开敝除了塑造与维持通道深槽水道的主要潮流动力外波浪对湾内和通道本身的影响不可忽略水沙动力过程复杂泥沙输运具有波流共同作用下运动的特点由于大型海洋工程的建设必将对当地水动力环境及水沙运动特性产生一定的影响因此随着曹妃甸接岸大堤年建成万级矿石码头年底投产以及年即将进行的首钢整体搬迁极有必要对该潮汐通道体系的水沙动力过程以及港区开发后对周边水沙动力环境的影响港池航道内的回淤和台风暴潮作用下的骤淤等问题进行深入研究相关研究对提高我国深水港建设及航道治理技术水平沿海潮汐通道的保护利用以及港口工业的发展等都具有重要的指导和借鉴意义图渤海湾曹妃甸港区位置水文测点布置模型计算域及港区规划示意水沙运动特征潮汐与潮流特征曹妃甸海域主要受南渤海潮波系统控制其潮汐性质属于不规则半日潮平均潮差由东向西逐渐增大据统计甸头平均高潮位为平均低潮位为平均潮差为对于海湾型潮汐通道而言由于湾口变窄而加速了的涨落潮流冲刷海床其动力主轴对应着口门水道的深槽使得湾口潮流从旋转流变为往复流整个海湾也由海湾环流系统转换为具有自由射流特性的潮流场并以涨急和落急时的口内外流场昀为典型据年月年月年月和年月等多次同步水沙全潮观测资料分析甸头以南深槽基本为东西向的往复流图虽潮差较小但独特的甸头岬角效应使其成为本海域水流昀强区这也是维持深槽水深的主要动力年月大潮潮差实测涨潮昀大流速落潮昀大在近岸浅海区受地形变化影响主流流向有顺岸或沿等深线方向流动的趋势甸头北侧浅滩区以漫滩水流为主此水流的汇集与分散是维持各潮沟的主要动力波浪及风暴潮特征由于海湾型潮汐通道口门相对开敞与外海畅通故波浪对湾内和通道本身的影响不可忽略它是塑造潮汐通道动力地貌体系中的重要动力因素特别是台风暴潮对潮汐通道的稳定性有着重要影响本海域常浪向为出现频率为次常浪向为出现频率为强浪向为该方向波能占次强浪向为和两方向波能分别占和表风浪对含沙量影响明显?的中浪和大浪波能占说明波浪对岸滩演变起到重要作用该海区波浪对泥沙图年月曹妃甸海域大潮流速矢量的作用主要反映在横向输沙的沙坝塑造作用和对潮滩滩面的掀沙侵蚀作用沿岸输沙量相对较弱为分析曹妃甸港区水域的平均波况利用国家海洋环境预报中心对年年年分方向统计成果按波能平均的方法计算曹妃甸港区的偏西和偏东方向的代表波要素统计波浪方向以方向的波浪分析偏东方向代表波以方向的波浪分析偏西方向的代表波通过分析得出曹妃甸港区偏东方向的波浪出现频率为波向指向偏向代表波高?对应波周期偏西方向的波浪出现频率为波向指向偏向代表波高?对应波周期表曹妃甸各向波高频率统计波高?合计合计渤海湾沿岸是我国风暴潮昀严重地区之一据塘沽海洋站年资料统计年中发生增水以上的风暴潮次平均每年次以上次平均年一次昀大增水值为年月风暴潮主要发生在秋冬季占全年的由和向持续大风引起曹妃甸海域发生风暴潮的气象背景与塘沽基本一致但由于位于渤海湾口北部突出部位缺乏水体集聚的地理条件初步分析其增减水幅度约为塘沽的泥沙输移特征海湾型潮汐通道及附近岸段同处于一个共沙系统中潮汐通道对沿岸输沙起着拦截捕获分配和转运的作用由于波浪对湾内和通道本身的影响较大因此该系统中的泥沙具有在波浪与潮流共同作用下运动的特点主要表现为波浪掀沙潮流输沙的形式其水沙动力过程比一般潮汐通道更为复杂在小浪或无浪气象条件下曹妃甸海域含沙量并不大近年水文测验表明整体上近岸水域的水体含沙量普遍大于外海深水域外海深水区约为近岸约为近岸水域又以甸头为界西部水域平均含沙量明显大于东部如大潮平均含沙量西部和东部海域年月实测分别为和年月为?和?年月为和分析表明风浪的掀沙作用是影响本海区含沙量变化的重要因素潮流影响较弱近年来平均含沙量呈总体减少趋势与滦河来沙量骤减有关甸西含沙量明显大于甸东天津港抛泥及风浪引起的周边海滩细颗粒泥沙随潮流输移对含沙量的影响不容忽视据年月底质取样粒度分析结果可知沉积物的分布由陆向海呈细粗细的规律变化中值粒径也沿水深的分布呈现岸滩粗深槽细的特点以甸头分界沉积物中值粒径分布由西向东呈由小到大的变化趋势其中西侧海区中值粒径为东侧海区为两侧中值粒径相比变化可达几倍甸头以西海域沉积物分选程度一般东部海域由岸到海分选程度呈分选一般分选好分选一般分布甸东离岸沙坝海域分选程度昀好说明其受波浪动力作用较强波流作用下二维泥沙数学模型海岸的演变特征和综合治理受制于泥沙问题波浪与潮流是引起泥沙输移的主要动力因素波浪掀沙潮流输沙是其主要运动形式因此波流作用下的泥沙输移这一问题就成为科学开发利用海岸的基础由于波增加了壁面切应力起动的泥沙明显增加紊动强度的增加又使得泥沙可以悬浮到脱离底床的水流层因此从含沙量剖面来看波流作用下水体下半部分的含沙量远远大于纯流时的值也就是说波动会在底床聚集产生较大的含沙量而潮流的作用则使起动和悬浮的泥沙得以迅速输移故与纯流情况比较波动可使得泥沙输移量显著增加波流作用下泥沙运动模拟的研究尚处于探索阶段等和等开发了波流作用下的悬移质输移模型对英吉利海峡巴布亚岛海湾海峡中波流相互作用下的泥沙运动进行了研究丁平兴等将流场和悬沙场分别分解成三种不同时间尺度的速度和悬沙浓度的叠加给出了波流作用下一般形式的三维悬沙扩散方程白玉川等根据近岸带及河口区潮流波浪湍流各自物理尺度的不同建立了模拟波流共同输沙及海岸冲淤演变的二维模式给出了潮流作用下近岸波浪传播方程波浪作用下的潮流运动方程及波流作用下不平衡输沙计算中泥沙起悬与沉降量的确定方法由于波浪周期远小于潮汐周期目前对于波流作用下的泥沙数学模型主要采用两种模式一是把周期变化的潮流概化成某一时段的恒定流引入波浪运动方程来模拟动力场结构在短时段内的变化另一是把波浪运动过程概化为在潮周期中具有平均意义的波浪流要素引入潮流运动方程来计算长时段的流场结构以及其对泥沙的作用本文采用后一种模式模拟波流共同作用下工程前后的流场及泥沙场的变化模型中引入近些年发展起来的边界贴体坐标采用贴体正交曲线网格系统来克服边界复杂等困难贴体正交曲线坐标系下二维泥沙数学模型的基本方程包括水流运动方程悬沙不平衡输移方程床沙级配调整方程及底床变形方程其中潮流运动方程引入了辐射应力波流作用下的悬沙运动方程与纯水流作用下的运动方程在形式上是一致的不同潮位下的波浪场由波浪数学模型给定需要说明的是海湾型潮汐通道床沙多为粉细沙或淤泥组成泥沙起动后即悬浮以推移质运动形式所占比例很小文中暂不考虑该部分泥沙对造床的贡献控制方程水流运动方程水流连续方程方向动量方程??方向动量方程??式中分别为正交曲线坐标系中个正交曲线坐标分别为沿方向的流速为水深为水位为正交曲线坐标系中的拉梅系数为紊动应力其中为紊动黏性系数?可采用模型计算一般情况下为摩阻流速为时间为海水密度分别为波浪底质点速度为波长为波浪周期为波浪与潮流相互影响系数当波流同向时当两者互相垂直时当方向不定时和表示波浪辐射应力张量的个分量分别为波高和波向分别为波速和波群速悬沙不平衡输移方程非均刀悬沙按其粒径大小可分成组且表示第组粒径含沙量用表示此粒径悬移质含沙量所占的比值则针对非均刀悬沙中第组粒径的含沙量二维悬沙不平衡输沙基本方程为式中为第组泥沙的挟沙能力为第组泥沙的含沙量恢复饱和系数近海泥沙沉速受含氯度影响含沙量验证计算表明用式计算沉速当小于?时应取絮凝后沉速?当超过?时则采用式计算值床沙级配方程式将混合层一维模型扩广到二维模型为混合层厚度上式中左端第项的物理意义为混合层下界面在冲刷过程中将不断下切底床以求得底床对混合层的补给进而保证混合层内有足够的颗粒被冲刷而不致于亏损当混合层在冲刷过程中波及到原始底床时否则表示原始床沙级配表示床沙级配底床变形方程底床总冲淤厚度本文采用压力校正法水深校正即算法原理求解控制方程初始条件边界条件及动边界技术初始条件二维模型给定各计算网格点上水位流速和含沙量初值边界条件开边界给定潮位过程线开边界给定含沙量过程线动边界技术对于边滩及心滩随水位的升降边界发生变动时采用动边界技术即根据水深水位结点处河底高程可以判断该网格单元是否露出水面若不露出糙率取正常值反之取一个接近于无穷大如的正数并在露出单元水深点给定微小水深几个关键问题的处理底床冲淤判别条件采用含沙量与挟沙能力对比的判别条件即当含沙量大于挟沙能力底床淤积当且含沙量小于挟沙能力且流速大于起动流速底床冲刷考虑容重随时间变化的黏性泥沙采用唐存本公式?式中?为泥沙的稳定湿容重一般取为为淤泥的实际湿容重与淤积历时有关随时间逐渐增大潮流与波浪挟沙能力波浪与潮流共同作用下的各粒径泥沙分组挟沙能力可采用下式对于引进前期或背景含沙量的概念由实测含沙量与水力因子间的关系回归得到对于波浪挟沙能力采用窦国仁公式式中模型验证模型的东边界定在京唐港西边界定在涧河口图海域外边界取在甸头以南约水域总覆盖面积约本次计算采用年月实测地形图沿潮流方向布置个网格与潮流方向基本垂直的方向布置个网格点对重点研究地区进行网格局部加密处理经正交曲线计算形成正交曲线网格除岸边个别点外网格交角为模型计算区域包括个网格点网格间距为为了更好地从整体上认识工程所在海域复杂的水流