張 強(qiáng)

（中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津300456）

珠海中燃桂山油庫多點(diǎn)系泊碼頭技術(shù)改造項(xiàng)目的工程海區(qū)在桂山島附近，位于伶仃洋口外。其東北側(cè)是大嶼海峽，即大濠島深槽，為廣州港南沙港區(qū)深水航道經(jīng)過的海區(qū)；桂山島以西是赤灘島、三角島、大碌島、大頭洲等島嶼。從桂山島向西水深逐漸減小，距-10 m等深線3.2 km，從桂山島向南水深逐漸增大，距-20 m等深線最短約10.5 km（圖1）。

本文結(jié)合自然條件，對珠海中燃桂山油庫多點(diǎn)系泊碼頭技術(shù)改造項(xiàng)目3種平面方案進(jìn)行了二維潮流數(shù)值模擬及泥沙回淤和驟淤計(jì)算分析。針對需要解決的工程水流泥沙問題，為準(zhǔn)確提供模型邊界值、工程區(qū)域的流速、流向變化值，建立了2套數(shù)學(xué)模型，即伶仃洋內(nèi)外整體二維潮流數(shù)學(xué)模型和桂山島工程海區(qū)局部二維潮流數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)模擬和預(yù)報模擬珠海中燃桂山油庫多點(diǎn)系泊碼頭技術(shù)改造項(xiàng)目工程前后泊位、調(diào)頭圓、航道的流速、流向的變化。在采用數(shù)學(xué)模型對流場模擬計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對各方案的泥沙淤積強(qiáng)度、淤積量進(jìn)行了計(jì)算，并對驟淤進(jìn)行了分析。

1 工程海區(qū)自然條件分析

1.1 潮汐

2008年4月初實(shí)測的桂山島大潮平均潮差為1.55 m，最大潮差為1.86 m，2008年3月底實(shí)測的小潮平均潮差為 1.23 m，最大潮差為 1.27 m［1］。

1.2 潮流

2008年3月29日21時～31日0時和2008年4月6日14時～7日18時，在桂山島工程海區(qū)進(jìn)行了6條垂線大、小潮過程水文全潮測量。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：（1）工程海區(qū)潮流基本為往復(fù)流，大潮往復(fù)流特征好于小潮。小潮過程的3#點(diǎn)和6#點(diǎn)呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)流特征。（2）大潮時，桂山島附近的1#點(diǎn)～5#點(diǎn)漲潮流速大于落潮流速，6#點(diǎn)漲潮流速小于落潮流速；小潮時，1#點(diǎn)～6#點(diǎn)落潮流速大于漲潮流速。（3）工程海區(qū)大潮漲潮平均流速為 0.30～0.57 m/s，漲潮平均流向?yàn)?303°～333°，落潮平均流速為 0.35～0.46 m/s，落潮平均流向?yàn)?140°～160°；小潮漲潮平均流速為 0.14～0.20 m/s，漲潮平均流向?yàn)?356°～360°，落潮平均流速為 0.27～0.35 m/s，落潮平均流向?yàn)?128°～169°［1］。

1.3 含沙量

桂山島工程海區(qū)的含沙量較低，正常天氣條件下漲落潮平均含沙量均小于0.1 kg/m3。大潮含沙量大于小潮含沙量，漲落潮含沙量相當(dāng)［1］。

1.4 底質(zhì)

為進(jìn)一步了解工程海區(qū)的自然條件，為潮流數(shù)模提供泥沙方面的參數(shù)，在2008年3月～4月進(jìn)行了潮流觀測，同時在工程海域進(jìn)行了水下底質(zhì)取樣工作［1］。

1.4.1 沉積物中值粒徑分布特征

樣品分析結(jié)果表明：除去近岸淺水點(diǎn)（30號樣）外，本區(qū)的泥沙粒徑偏細(xì)，平均中值粒徑為0.015 5 mm。航道開挖段泥沙平均中值粒徑為0.013 9 mm。沿碼頭東西方向（即由里向外）5條取樣斷面的平均中值粒徑看，沉積物中值粒徑的變化顯示了調(diào)頭區(qū)水域自里向外呈逐步減小的變化規(guī)律。

1.4.2 沉積物分選程度變化

樣品分析結(jié)果表明：本區(qū)分選系數(shù)在0.68～2.49變化，按海洋監(jiān)測劃分標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)劃分為三級，即0.6～1.4為分選好等級，1.4～2.2為分選中常等級，2.2～3為分選差等級。本區(qū)平均分選系數(shù)為1.66，屬分選中常范疇。進(jìn)港航道開挖段泥沙平均分選系數(shù)為1.64。從調(diào)頭區(qū)各斷面分選系數(shù)看，各斷面平均分選系數(shù)在1.45～1.98變化，規(guī)律性變化程度不明顯。

1.4.3 沉積物沉積類型

樣品分析結(jié)果顯示：本區(qū)沉積物沉積類型較單一，以粘土質(zhì)粉砂（YT）分布為主，僅20、27、30號點(diǎn)分別為砂-粉砂-粘土、粉砂和粗砂。除去30號點(diǎn)后的29個樣品中，砂平均占12.5%，粉砂平均占57.3%，粘土平均占30.2%。航道與航道開挖段泥沙則全部為粘土質(zhì)粉砂（YT）。

2 基于TK-2D軟件［2-3］的二維潮流場數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 二維潮流數(shù)學(xué)模型的建立

2.1.1 基本方程及定解條件

二維潮流基本方程包括連續(xù)方程和動量方程，即

式中：t為時間；x、y為與靜止海面重合的直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；u、v分別為沿x、y方向的流速分量；h為海底到靜止海面的距離（靜水深），H=h+ζ；ζ為自靜止海面向上起算的海面起伏（水位）；f為柯氏參數(shù)；g為重力加速度；ε為水平渦動粘性系數(shù)；c為謝才系數(shù)，n為曼寧糙率系數(shù)。

基本方程的定解條件包括邊界條件和初始條件，對于邊界條件，開邊界取流速或潮位的實(shí)測或分析值，固邊界取流速的法向分量為零；對于初始條件，流速一律取零值，潮位取初始時刻的值。

2.1.2 數(shù)值計(jì)算方法

采用基于三角形網(wǎng)格的有限差分?jǐn)?shù)值方法［4］。在時間方向采用向前差分格式，空間導(dǎo)數(shù)采用顯式離散格式，則可將二維基本方程（1）、（2）、（3）分別離散并整理成如下計(jì)算公式

式中：M為節(jié)點(diǎn)號；K為時間層數(shù)；Δt為時間步長。

2.2 伶仃洋內(nèi)外整體大范圍二維潮流數(shù)學(xué)模型

2.2.1 計(jì)算域的確定及網(wǎng)格剖分

根據(jù)所研究問題的需要，確定整個計(jì)算域范圍（圖2）：南邊界在大萬山島以南的21°52′N緯度線，北邊界在虎門附近的22°49′N緯度線，西邊界在113°30′E經(jīng)度線，東邊界在114°6′E經(jīng)度線，東西距離約 63 km，南北距離約102 km。整個計(jì)算域包括伶仃洋西四口門、香港水道、伶仃洋外萬山群島。

用不規(guī)則三角形網(wǎng)格剖分計(jì)算域（圖3），考慮大小島嶼55個。圖3中的三角形網(wǎng)格較好地概括了伶仃洋內(nèi)外復(fù)雜的岸線、島嶼和地形特征。最大空間步長（三角形網(wǎng)格最大邊長）1 113.98 m，最小空間步長（三角形網(wǎng)格最小邊長）45.11 m，三角形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)69 169個，三角形單元數(shù)134 432個。

2.2.2 模型驗(yàn)證

對建立的潮流模型進(jìn)行了大潮、中潮的流速、流向、潮位過程驗(yàn)證。大潮和中潮的驗(yàn)證見文獻(xiàn)［4］。

2.3 桂山島工程海區(qū)局部二維潮流數(shù)學(xué)模型

2.3.1 計(jì)算域的確定及網(wǎng)格剖分

從研究需要出發(fā)，本工程海區(qū)數(shù)學(xué)模型計(jì)算域見圖4，東邊界到113°51′E，西邊界到113°46′E，北邊界到22°12′N，南邊界到 22°3′N，南北距離約 15.8 km，東西距離約 9.5 km。

采用三角形網(wǎng)格剖分計(jì)算域。三角形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為14 263個，三角形個數(shù)為27 817個，相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)最大間距為195.83 m，最小間距為29.92 m（圖5）。

2.3.2 模型驗(yàn)證

本模型由大模型提供邊界條件，但仍需要進(jìn)行驗(yàn)證，選擇2008年4月6日14時～7日18時29 h大潮過程和3月29日21時～31日0時28 h小潮過程進(jìn)行驗(yàn)證。用于潮位驗(yàn)證的站位有1個。用于流速流向驗(yàn)證的站位有6個。大潮和小潮的潮位、流速流向驗(yàn)證曲線見圖6～圖9。

從模型的驗(yàn)證過程來看，計(jì)算的量值及位相均與實(shí)測值基本吻合，漲、落潮流態(tài)與海區(qū)地形輪廓相符，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》［5］的規(guī)定。因此可以認(rèn)為模型的驗(yàn)證是成功的，可以應(yīng)用本模型對計(jì)算海區(qū)內(nèi)的各種工程方案前后的潮流場進(jìn)行數(shù)值模擬的計(jì)算分析。

2.3.3 工程方案計(jì)算

桂山油庫碼頭改造工程共有3個方案（圖10～圖12）。

在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對上述桂山油庫多點(diǎn)系泊碼頭的3個方案的潮流場進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，工程方案實(shí)施后流場變化僅限于工程附近。為了定量分析桂山油庫改造工程實(shí)施后對附近海域潮流的影響，選取了29個特征點(diǎn)［4］，計(jì)算這些特征點(diǎn)工程前后的大潮潮段平均流速和流向，結(jié)果表明：

（1）現(xiàn)狀下3個方案的航道大潮漲潮平均流速為0.36～0.56 m/s，漲潮平均流向?yàn)?12°～316°，大潮落潮平均流速為 0.45～0.52 m/s，落潮平均流向?yàn)?135°～145°；小潮漲潮平均流速為 0.17～0.21 m/s，漲潮平均流向?yàn)?354°～355°，小潮落潮平均流速為 0.35～0.39 m/s，落潮平均流向?yàn)?133°～143°。

（2）3個方案的航道工程后漲落潮平均流速變化僅為0.01 m/s，漲落潮平均流向不變。

（3）現(xiàn)狀下方案1調(diào)頭地大潮漲潮平均流速為0.44～0.61 m/s，大潮落潮平均流速為0.32～0.51 m/s；泊位大潮漲潮平均流速為0.18～0.41 m/s，大潮落潮平均流速為0.10～0.25 m/s。泊位、調(diào)頭地開挖后漲落潮平均流速均減小，減小幅度0.01～0.05 m/s，漲落潮流向有所調(diào)整。

（4）現(xiàn)狀下方案2調(diào)頭地大潮漲潮平均流速為0.57～0.61 m/s，大潮落潮平均流速為0.40～0.56 m/s；泊位大潮漲潮平均流速為0.45～0.57 m/s，大潮落潮平均流速為0.29～0.33 m/s。泊位、調(diào)頭地不用開挖，工程后漲落潮流速不變，泊位處漲落潮流向有1°～2°的調(diào)整。

（5）現(xiàn)狀下方案3調(diào)頭地大潮漲潮平均流速為0.52～0.61 m/s，大潮落潮平均流速為0.35～0.52 m/s；泊位大潮漲潮平均流速為0.36～0.55 m/s，大潮落潮平均流速為0.23～0.30 m/s。調(diào)頭地不用開挖，工程后漲落潮流速不變，泊位處漲落潮流速減小0.01～0.03 m/s，流向相應(yīng)調(diào)整。

（6）從潮流場角度考慮，3個方案都是可行的；方案2不用開挖，維持了現(xiàn)狀流速，是最優(yōu)方案。

3 泥沙淤積計(jì)算與驟淤分析

3.1 泥沙淤積計(jì)算

本文分別計(jì)算了各方案港池及航道浚深后的平均淤強(qiáng)和淤積量［6］，計(jì)算結(jié)果表明：

（1）方案1。10萬t級油碼頭泊位平均淤強(qiáng)為0.30 m/a，淤積量為1.1萬m3/a；調(diào)頭地（開挖區(qū)）平均淤強(qiáng)為0.21 m/a，淤積量為2.4萬m3/a。航道開挖區(qū)里、中、外段平均淤強(qiáng)分別為0.02 m/a、0.03 m/a和0.01 m/a，淤積量分別為0.4萬m3/a、0.6萬m3/a和0.2萬m3/a，航道開挖區(qū)淤積總量為1.2萬m3/a。

（2）方案2。泊位和調(diào)頭區(qū)均布置在水深較大的水域，自然水深即可滿足設(shè)計(jì)水深要求，無須開挖，也不存在淤積問題。需開挖的航道段與方案1布置是相同的，故航道淤強(qiáng)和淤積量也與方案1相同。

（3）方案3。碼頭位置較方案2靠近岸邊，調(diào)頭地自然水深仍可滿足設(shè)計(jì)水深要求，但泊位處自然水深不能滿足設(shè)計(jì)水深要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，泊位平均淤強(qiáng)為0.07 m/a，淤積量為0.2萬m3/a。該方案需開挖的航道段與方案1布置也是相同的，故航道淤強(qiáng)和淤積量也與方案1相同。

（4）3個方案對比，方案2充分利用了天然水深，基本不需開挖，淤積輕微，可以忽略；方案3泊位需部分開挖，淤積量居中；方案1港池布置在相對較淺的區(qū)域，淤積總量約為3.5萬m3/a，淤強(qiáng)和淤積量最大。3個方案對比，方案2最優(yōu)。但考慮到3個方案淤強(qiáng)和淤積量值都不大，因此三者都是可行的。

3.2 驟淤計(jì)算

本文分別計(jì)算了各方案50 a一遇風(fēng)浪情況下港池及航道的平均淤強(qiáng)和淤積量。當(dāng)出現(xiàn)大風(fēng)天氣時，水體紊動強(qiáng)烈，挾帶泥沙粒徑較大，在計(jì)算中對泥沙沉速和含沙量等參數(shù)都作了相應(yīng)的調(diào)整。另外，由于大風(fēng)天氣持續(xù)時間長短不一，本文統(tǒng)一按24 h淤積強(qiáng)度和淤積量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：不同方案在50 a一遇SE向或S向風(fēng)浪作用時的淤積量較正常天氣要明顯增大，但淤強(qiáng)值僅介于0.02～0.12 m/d，平均值僅為0.05 m/d左右，其量有限，而在其他方向50 a一遇風(fēng)浪作用下的淤強(qiáng)和淤積量會更小，因此只要預(yù)留一定的備淤深度，完全可以滿足船舶正常航行的要求。另外，從廣州港航道數(shù)年實(shí)踐來看，廣州港沿伶仃航道不斷實(shí)施浚深工程（目前航道水深為-15.0m左右），且經(jīng)歷了多次臺風(fēng)的影響，但從未出現(xiàn)過驟淤。因此在本港池工程海域，雖然波浪掀沙會在短期內(nèi)對淤積產(chǎn)生影響，但不會形成驟淤。

4 結(jié)論

本文建立了伶仃洋內(nèi)外整體二維潮流數(shù)學(xué)模型和桂山島附近工程區(qū)局部二維潮流數(shù)學(xué)模型，在驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對珠海中燃桂山油庫多點(diǎn)系泊碼頭技術(shù)改造項(xiàng)目的3個平面方案的潮流場進(jìn)行了模擬，對泥沙回淤和驟淤進(jìn)行了計(jì)算和分析。研究結(jié)果表明從潮流場和泥沙淤積角度考慮，以方案2為最優(yōu)，但考慮到3個方案淤強(qiáng)和淤積量值都不大，因此3個方案都是可行的。

［1］李孟國，韓西軍，李文丹，等.珠海中燃桂山油庫多點(diǎn)系泊碼頭技術(shù)改造項(xiàng)目潮流數(shù)學(xué)模型與泥沙回淤研究報告［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2008.

［2］李孟國，張華慶，陳漢寶，等.海岸河口多功能數(shù)學(xué)模型軟件包TK-2D的開發(fā)研制［J］.水運(yùn)工程，2005（12）：1-4.LI M G，ZHANG H Q，CHEN H B，et al.Development of multi-functional mathematical model software package TK-2D on coast and estuary［J］.Port&Waterway Engineering，2005（12）：1-4.

［3］李孟國，張華慶，陳漢寶，等.海岸河口多功能數(shù)學(xué)模型軟件包 TK-2D 的研究與應(yīng)用［J］.水道港口，2006，27（1）：51-56.LI M G，ZHANG H Q，CHEN H B，et al.Study on multi-function mathematical model software package TK-2D and its application for coast and estuary［J］.Journal of Waterway and Harbor，2006，27（1）：51-56.

［4］李孟國.三角形網(wǎng)格在水動力水環(huán)境數(shù)學(xué)模型中的應(yīng)用［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報，2001（3）：59-64.LI M G.Application of triangular mesh in mathematical models of hydrodynamic and hydro-environment field［J］.Hydro-Science and Engineering，2001（3）：59-64.

［5］JTJ/T233-98，海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程［S］.

［6］JTJ/T213-98，海港水文規(guī)范［S］.