許 婷

（交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

根據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，大連政府有關(guān)部門擬開展大連登沙河工業(yè)園區(qū)港區(qū)規(guī)劃論證工作。港區(qū)規(guī)劃方案位于登沙河口外馬坨子南側(cè)，東臨黃海。本文在研究工程海區(qū)潮流動(dòng)力及泥沙現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，采用數(shù)學(xué)模型手段計(jì)算分析了港區(qū)工程實(shí)施后的流場(chǎng)及泥沙淤積情況。

1 自然條件

1.1 潮汐特征

該工程海區(qū)潮汐為不規(guī)則半日潮，根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ毯Ｓ虺蔽煌扑?，其理論最低潮面?5國(guó)家高程基準(zhǔn)面下1.65 m，在大連港筑港零點(diǎn)上0.5 m。該海域平均潮差約為2.8 m，最大潮差約為4.5 m，其潮差的變化由遼東半島東側(cè)南端向北逐漸增大。漲潮平均歷時(shí)略短于落潮歷時(shí)23 min。

1.2 潮流特征

根據(jù)2009年5月最新實(shí)測(cè)水文全潮資料，海區(qū)潮流主流向基本順著里長(zhǎng)山海峽，漲潮近東北方向，落潮近西南方向。主槽內(nèi)各站流速呈現(xiàn)落潮大于漲潮的變化規(guī)律，大潮時(shí)漲落潮潮段平均流速分別達(dá)0.31～0.37 m/s、0.37～0.42 m/s。

1.3 波浪特征

大窯灣港區(qū)位于工程西南向，距工程約30 km，測(cè)波點(diǎn)位于大窯灣灣口，距岸邊約7 km，測(cè)點(diǎn)水深為-28 m，據(jù)1985年6月～1986年5月的實(shí)測(cè)波浪資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該工程所在海域常浪向?yàn)镾E向，次常浪向?yàn)镹向，所占頻率分別為29.13%和15.03%，強(qiáng)浪向?yàn)镾E向。工程以南老虎灘長(zhǎng)期海洋站2004年12月～2005年10月實(shí)測(cè)波浪資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，該海域常浪向?yàn)镹向和SSE向，次常浪向?yàn)镾E向，所占頻率分別為16.94%、11.04%和8.58%，強(qiáng)浪向?yàn)镾E向。綜合以上波浪分析結(jié)果來看，本工程所在海域常浪向?yàn)镹向和SE向，強(qiáng)浪向?yàn)镾E向。從本工程所在地理位置來看，E向和S向均有島嶼或大陸掩護(hù)，因此應(yīng)主要考慮NE、ENE、ESE、SE 和SSE 向浪對(duì)工程的影響［1-2］。

1.4 含沙量分布特征

根據(jù)2009年5月最新實(shí)測(cè)水文全潮資料分析，該工程海域各站漲落潮平均含沙量大潮時(shí)分別為0.008～0.018 kg/m3和 0.008～0.019 kg/m3，小潮時(shí)分別為 0.007～0.012 kg/m3和 0.008～0.011 kg/m3，大、小潮各站漲落潮平均為0.012 kg/m3。因此總體上該水域水體含沙量處于0.04 kg/m3左右，相對(duì)較小。從含沙量變化的規(guī)律看，該水域含沙量變化表現(xiàn)為大潮含沙量大，小潮含沙量小，淺邊灘及里長(zhǎng)山深槽未端含沙量大、靠岸側(cè)漲潮槽漲落潮含沙量較小。懸沙平均中值粒徑d50為0.012 7 mm，其成份為粘土質(zhì)粉砂。工程海域受城山頭及對(duì)面里長(zhǎng)山列島的掩護(hù)，水域含沙量低，泥沙來源微弱。

1.5 底質(zhì)泥沙分布特征

樣品結(jié)果表明，各垂線底質(zhì)中值粒徑在0.009 0～0.675 8 mm變化，其物質(zhì)種類分屬粗中砂、砂質(zhì)粉砂、粘土質(zhì)粉砂，樣品的分選系數(shù)在0.37～1.42變化。表明了工程區(qū)水域波浪、潮流動(dòng)力的差異較大。

潮間帶沉積物質(zhì)以中粗砂和中細(xì)砂分布為主，分選程度很好。水下沉積物質(zhì)以中細(xì)砂、粉砂和粘土質(zhì)粉砂分布為主，占全部沉積物的71.25%。沉積物質(zhì)由岸至海的分布趨勢(shì)為由粗漸細(xì)。

1.6 河流徑流及輸沙

登沙河發(fā)源于遼東半島南端大連金州區(qū)和普蘭店境內(nèi)，河流全長(zhǎng)27.15 km，流域面積229.2 km2，河道以平均比降2.58%自西向東南經(jīng)鹽大澳灣流入黃海。登沙河水文站距入?？?0.75 km，其上端河道長(zhǎng)6.4 km，控制流域面積128 km2，河道平均比降達(dá)5.07%。登沙河為河短、坡陡、流小的季節(jié)性山區(qū)性河流，其徑流主要靠降水，河道洪水主要由暴雨形成，洪峰水量的大小取決于暴雨的程度，一般年內(nèi)發(fā)生1～2次暴雨。河道輸沙主要來源于河道控制流域內(nèi)水土在暴雨洪水下的侵蝕，由于該河流域面積有限，且處于掩護(hù)條件相對(duì)較好的環(huán)境中，因此隨洪水下泄的侵蝕物質(zhì)極為有限。

2 工程方案介紹

登沙河工業(yè)港區(qū)規(guī)劃方案主要分為3種，工程平面布置見圖1。

（1）方案一。西側(cè)依托于登沙河北側(cè)約2.6 km的岸線向東圍墾水域至馬坨子島附近，東西長(zhǎng)約5.6 km，港池口門SSE朝向，寬約350 m，港區(qū)港池呈環(huán)抱布置。外航道呈N163°～N343°走向布置，航道寬150 m，水深-13.0 m（以理論深度基準(zhǔn)面計(jì)）。

（2）方案二。港區(qū)布置類似方案一，口門改朝E向，外航道走向N100°～N280°，開挖尺度同方案一。

（3）方案三。明顯不同于前2種方案依托于天然岸線向外海圍墾，而是采用離岸式圍墾方式，最靠近岸線側(cè)圍墾邊緣距離岸線在1.2～2.2 km，向東圍墾水域至馬坨子島嶼附近，由一條長(zhǎng)約1.4 km的棧橋通道與大陸相連。該方案圍墾南北長(zhǎng)約2.6 km，東西長(zhǎng)約3.4 km，口門朝E向，寬約350 m。外航道走向及開挖尺度同方案二。

3 潮流泥沙數(shù)學(xué)模型的建立及計(jì)算

3.1 計(jì)算方法及方程

（1）潮流場(chǎng)數(shù)值模擬。

平面二維水流控制方程如下

式中：x、y為直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；t為時(shí)間；h為水深（基準(zhǔn)面到床面的距離）；ζ為潮位（基準(zhǔn)面到自由水面的距離）；u、v分別為x、y方向的垂線平均流速分量；f為科氏系數(shù)；g為重力加速度；Ex、Ey分別為x、y方向的水平紊動(dòng)粘性系數(shù)；τx、τy分別為波流共同作用下床面剪切力在x、y方向的分量；Sxx、Sxy、Syy分別為各方向的波浪輻射應(yīng)力，可表示為

（2）二維懸沙輸移擴(kuò)散方程。

懸沙運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的基本方程為

式中:u、v為水平流速，m/s；s為懸沙濃度，kg/m3；h 為水深，m；Dx、Dy為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Fs為泥沙源匯函數(shù)或沖淤函數(shù)。

（3）地形變化數(shù)值模擬。

基本方程為

式中：η為床面變形量；γ0為航道回淤泥沙干容重，取0.65 t/m3；α為經(jīng)驗(yàn)回淤系數(shù)，根據(jù)實(shí)測(cè)資料確定；S*為挾沙率；ω為沉速，本次計(jì)算中取ω=0.000 5。

3.2 計(jì)算域的確定及網(wǎng)格剖分

本文數(shù)學(xué)模型的計(jì)算域東邊界取至海洋島以東約6.5 km，至青堆灣；南邊界取至海洋島以南6.6 km；北邊界和西邊界依托于遼東半島。該計(jì)算域東西長(zhǎng)126.4 km，南北長(zhǎng)約84 km，總面積達(dá)10 617.6 km2。

本次計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格剖分共采用了大、中、小三層嵌套模式，三層嵌套模型計(jì)算網(wǎng)格逐步加密。模型采用正方形網(wǎng)格，第1層計(jì)算網(wǎng)格空間步長(zhǎng)180 m，計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)327 834個(gè)；第2層計(jì)算網(wǎng)格空間步長(zhǎng)60 m，計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)1 040 400個(gè)；第3層計(jì)算網(wǎng)格空間步長(zhǎng)20 m，計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)1 203 408個(gè)。

3.3 模型驗(yàn)證

流場(chǎng)和含沙量場(chǎng)的驗(yàn)證采用2009年5月的全潮水文資料。全潮水文觀測(cè)站布置見圖2。通過潮位、流速、流向、含沙量的驗(yàn)證，模型中無論計(jì)算的位相、量值還是過程線，均與原型吻合良好，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》［4］的要求，模型驗(yàn)證成功，達(dá)到了相似要求，可以用來進(jìn)行工程方案流場(chǎng)模擬計(jì)算研究［3］。

3.4 潮流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果表明：各方案實(shí)施后，大范圍海域流場(chǎng)的總體特征與現(xiàn)狀流態(tài)基本相同，即漲落潮主流方向順著里長(zhǎng)山海峽，漲潮近東北方向，落潮近西南方向，其次流態(tài)分布受控于陸地岸線和島嶼岸線?？傮w來看，各方案的實(shí)施并未影響該海域大范圍流場(chǎng)的整體特征，僅對(duì)工程所在局部區(qū)域產(chǎn)生小范圍影響。港池內(nèi)流場(chǎng)特征：3個(gè)方案實(shí)施后，港內(nèi)靠近口門處均會(huì)出現(xiàn)約2 h的環(huán)流，環(huán)流覆蓋范圍介于0.57～0.72 km2，環(huán)流最大強(qiáng)度約為0.20 m/s，環(huán)流平均強(qiáng)度在0.10 m/s左右。港內(nèi)整體流速呈現(xiàn)從口門到港內(nèi)側(cè)越來越小的規(guī)律，流速較工程前減小57%～88%，降幅明顯，口門處全潮平均流速介于0.10～0.15 m/s，港內(nèi)泊位處全潮平均流速均在0.10 m/s以下［5］。

外航道流場(chǎng)特征：方案一實(shí)施后，相比于天然情況下，漲急時(shí)刻航道所在區(qū)域流向由WNN—WNW偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度在15°～45°，落急時(shí)刻，流向由天然下的ESS—ESE偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度大于漲急時(shí)刻。沿航道里程全潮平均流速介于0.18～0.31 m/s，最大流速介于0.30～0.51 m/s。方案一航道所在區(qū)域流向與航道軸線夾角較小，在30°以下，因此航道所在區(qū)域橫流最大流速較小，介于0.06～0.15 m/s。方案一口門朝向海域深槽方向，因此航道開挖尺度在1.2 km左右即可滿足開挖航道深度與天然水深的過渡，所以該方案航道開挖量明顯小于其他2個(gè)方案。方案二和方案三航道走向一致，因此流場(chǎng)特征基本相同，2個(gè)方案實(shí)施后，航道所在海域（口門附近除外）流向相比工程前偏轉(zhuǎn)較小，流速有增有減，但幅度較小。2個(gè)方案實(shí)施后，沿航道里程全潮平均流速介于0.18～0.35 m/s，最大流速介于0.36～0.54 m/s，這與方案一相差很小，但由于這2個(gè)方案航道走向與主流向夾角較大，因此航道所在區(qū)域橫流最大流速較大，介于0.35～0.55 m/s。工程實(shí)施前后漲落急流態(tài)見圖3。

3.5 泥沙淤積計(jì)算結(jié)果分析

圖3 工程海域漲落急流態(tài)圖Fig.3 Flow field at flood and ebb strength of tide

港池航道泥沙淤積情況數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可以看出，工程區(qū)域年平均淤積強(qiáng)度較小，這是由于該區(qū)域泥沙來源較少。工程區(qū)域附近雖有登沙河暴雨泄洪，但其流域坡陡流短，沿程基巖暴露，使得沖刷下泥沙物質(zhì)甚少。該區(qū)域岸灘為岬角相間，基巖出露，岸線穩(wěn)定，其泥沙運(yùn)移較少。漲落潮水流攜沙淤積為該區(qū)域泥沙淤積的主要來源。但由于海域漲潮水流由大于-20 m的深海水域流入，攜沙量極其有限；落潮時(shí)落潮水流集中于里長(zhǎng)山水道深槽，槽深達(dá)-10 m以上，槽內(nèi)泥沙難于起動(dòng)，同時(shí)水道內(nèi)漲落潮水流主要沿深槽作往返運(yùn)動(dòng)，由于沿邊灘運(yùn)動(dòng)的水體較淺，運(yùn)動(dòng)的水量有限，因此其攜沙運(yùn)到邊灘水域淤積的量甚少。如遇風(fēng)浪作用，邊灘泥沙將被掀起并帶入主槽或至緩流區(qū)淤積，使得邊灘床面泥沙物質(zhì)粗化，邊灘水域床面泥沙在水流作用下難于再起動(dòng)運(yùn)移［6］。

表1 各方案實(shí)施后港池航道淤積情況Tab.1 Siltation of basin channel after the project

3.6 各方案實(shí)施后對(duì)周邊水域的影響

為分析工程的實(shí)施對(duì)周邊水域的影響，將工程前后全潮平均流速進(jìn)行差值分析（圖4），從圖4可以明顯看出，3個(gè)方案實(shí)施后，周邊水域流速發(fā)生變化的區(qū)域面積較小，僅限于工程附近區(qū)域。

4 結(jié)論

利用二維水動(dòng)力模型對(duì)登沙河港區(qū)工程所處海域進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，3個(gè)方案實(shí)施后對(duì)周邊水域影響均較小，港內(nèi)雖有環(huán)流出現(xiàn)，但強(qiáng)度較低，停泊區(qū)域全潮平均流速基本在0.10 m/s以下，外航道區(qū)域方案一橫流強(qiáng)度明顯小于其他2個(gè)方案。3個(gè)方案港池航道年平均淤?gòu)?qiáng)在0.08～0.12 m，淤積很輕，其中方案三的年淤積總量略小于其余2個(gè)方案。

綜上所述，從水流、泥沙計(jì)算結(jié)果看，該工程是可行的，其中從流場(chǎng)角度來看，方案一較優(yōu)，從泥沙淤積角度來看，方案三略優(yōu)。最終方案的選取應(yīng)根據(jù)進(jìn)港航道主線方向、圍海造陸的需求，港區(qū)規(guī)模和實(shí)際用海范圍等因素并結(jié)合上述研究結(jié)果綜合考慮。

［1］李孟國(guó)，李文丹.大連長(zhǎng)興島北港區(qū)（30萬噸礦石碼頭和30萬噸原油碼頭）自然條件分析、潮位計(jì)算與潮流泥沙數(shù)學(xué)模型研究［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.

［2］嚴(yán)冰，肖輝.大連葫蘆山灣南部工業(yè)岸線波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.

［3］李孟國(guó)，鄭敬云.中國(guó)海域潮汐預(yù)報(bào)軟件 Chinatide 的應(yīng)用［J］.水道港口，2007，28（1）：65-68.LI M G，ZHENG J Y.Introduction to Chinatide software for tide prediction in China seas［J］.Journal of Waterway and Harbor，2007，28（1）：65-68.

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

［5］李孟國(guó)，李文丹.潮段平均流速計(jì)算方法研究［J］.水道港口，2008，29（2）：82-87.LI M G，LI W D.Study on methods to calculate average tidal current velocity during flood tide or ebb tide［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008，29（2）：82-87.

［6］許婷，李孟國(guó).大連港登沙河港區(qū)潮流泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算研究報(bào)告［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.