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        港口工程建設(shè)對萊州灣水動力環(huán)境影響的數(shù)值研究

        2013-06-05 09:39:22劉建強馬林娜張永強胡澤建
        海洋開發(fā)與管理 2013年4期
        關(guān)鍵詞:廣利分潮萊州灣

        劉建強,馬林娜,張永強,胡澤建

        (1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 青島 266110;2.國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061)

        萊州灣位于渤海西南端,為一半封閉性海灣,灣內(nèi)水深較淺,水交換能力較差。近年來,萊州灣內(nèi)港口工程建設(shè)及規(guī)劃步伐較快,岸線發(fā)生較大變化,濰坊港于2005年建成萬噸級碼頭、航道及防波擋沙堤,2010年建成雙堤環(huán)抱、單一口門的港口布局。根據(jù) 《東營港廣利港區(qū)總體規(guī)劃》,廣利港航道整治工程擬建設(shè)5 000噸級進港航道、防潮堤和航道兩側(cè)的防沙堤,兩道防潮堤及防沙堤總長約34 178 m,如圖1所示。

        圖1 萊州灣規(guī)劃港口布局

        本研究基于MIKE21模型建立萊州灣二維平面潮流數(shù)值模型,對濰坊港擴建前后和廣利港規(guī)劃方案的流場變化進行數(shù)值模擬,分析討論不同港口工程建設(shè)對萊州灣水動力環(huán)境的影響,旨在為萊州灣內(nèi)港口設(shè)計和施工工藝提供參考。

        1 數(shù)值模型

        1.1 模型方程

        本研究采用MIKE21平面二維潮流數(shù)值模擬,其連續(xù)方程和動量方程為:

        式中:t為時間;h=η+d,其中η、d分別為水位和水深;分別為流速在x、y方向的分量;f為科氏力系數(shù);g為重力加速度;ρ為水的密度;sxxsxysyxsyy為輻射應(yīng)力張量分量;Txx、Txy、Tyy為水質(zhì)點側(cè)向應(yīng)力,包括黏滯摩擦力、紊流摩擦力和對流力等;τsx、τsy分別為海面風(fēng)摩阻在x、y方向分量;τbx、τby分別為海底摩阻在x、y方向分量。

        1.2 模型配置和參數(shù)設(shè)置

        1.2.1 模型配置

        大區(qū)域模型計算范圍 WE向為117°35′11.48″E~122°2′3.32″E,NS 向 為 37°9′13.22″N~40°49′33.42″N,計算區(qū)東西寬約410 km,南北長約436 km,模型計算網(wǎng)格步長約3 500 m。為了能清楚了解本工程附近海域的潮流狀況,將主要研究區(qū)海域黃河口至刁龍咀西南海域(圖2)進行加密,重點研究區(qū)計算網(wǎng)格空間分辨率約100 m。

        圖2 研究區(qū)域和水深

        開邊界通過水位變化來驅(qū)動,在計算中將流場分解為潮流場和余流場的疊加,故水位的表達(dá)式為

        式中:A0為余水位;fi為各分潮的交點因子;(υ0+u)i為分潮的交點訂正角,由地理位置和具體日期確定;ωi為分潮的角頻率;Hi和gi為分潮的振幅和遲角;N為分潮個數(shù),在模式計算中,考慮了研究區(qū)域的7個主要分潮,即M2、S2、K1、O1、M4、MS4、S4,在開邊界處的振幅和遲角參考1993年出版的 《渤海黃海東海海洋圖集》(1993年)選取,計算時,結(jié)合實測數(shù)據(jù)予以修正。

        計算岸線為東營市政府公布岸線,海域海圖0 m以深水深值由數(shù)字化海圖得到,0 m以淺的潮灘水深由最高高潮和0 m等深線內(nèi)插得到。

        1.2.2

        干濕邊界值陸地值為0.01 m,漫水區(qū)為0.05 m,濕水區(qū)為0.1 m。渦黏系數(shù)采用Smagorinsky常系數(shù),取Cs=0.28。海底摩阻曼寧數(shù)取常系數(shù)M=40。

        1.3 模型驗證

        采用工程海域2007年10月26日10時至27日11時兩站大潮期實測海流 (L1~L2)及水位 (W1)數(shù)據(jù)和2007年11月10日12時至11日13時4站大潮海流觀測數(shù)據(jù) (H1~H4)對模型進行驗證,觀測站位見圖3。

        潮位及各站流速、流向?qū)崪y值與計算值的驗證曲線見圖4(a)~圖4(g),由圖可見,各測站計算值與實測值二者總體趨勢差異不大。

        2 計算結(jié)果

        濰坊港單堤時萊州灣海域流場特征圖5和圖6,漲急時刻,計算域內(nèi)的潮流由萊州灣外向灣內(nèi)流動,其中萊州淺灘、老黃河口東南側(cè)流速仍較大,分別為101 cm/s、94 cm/s;流向特征總體體現(xiàn)為,海流從萊州灣灣口沿偏S向向灣內(nèi)流入,在萊州淺灘與老黃河口一線,流向偏為SW向,后在黃河三角洲南側(cè)轉(zhuǎn)為偏W向、在萊州淺灘南側(cè)轉(zhuǎn)為偏S向。落急時刻,計算域內(nèi)的潮流由萊州灣內(nèi)向灣外流動,整個萊州灣海域存在3個高流速區(qū),為屹坶島西北側(cè)、萊州淺灘、老黃河口東南側(cè),其最大流速分別為69 cm/s、104 cm/s和98 cm/s,流向特征則體現(xiàn)為,黃河三角洲南側(cè)海域為偏E向,萊州淺灘南側(cè)海域為偏N向,萊州灣灣口附近總體呈現(xiàn)為偏NE向。

        濰坊港雙堤建設(shè)后萊州灣海域流場特征圖7和圖8,漲落急時刻萊州灣海域流場特征與單堤時相比,除濰坊港處外總體基本一致,濰坊港雙堤建設(shè)對潮流場的改變主要集中在濰坊港鄰近海域。漲急時刻,在濰坊港防波堤西北側(cè)及防波堤口門處潮流流速略大,約49 cm/s、75 cm/s,濰坊港雙堤北側(cè)海域,潮流主流向為偏W向,在濰坊港雙堤附近潮流流向則體現(xiàn)明顯的順堤流特征;落急時刻,濰坊港防波堤北端與老黃河口南端為兩者形成半封閉海域的“灣口”,兩者之間流速較大,約59 cm/s,潮流流向總體呈現(xiàn)為偏E向,在濰坊港雙堤兩側(cè)和堤內(nèi),順堤流較明顯。

        廣利港實施后萊州灣海域流場特征見圖9和圖10,由于廣利港規(guī)劃防波堤軸線與潮流主流向交叉角較小,規(guī)劃防波堤的實施對黃河三角洲南岸潮流主流向影響有限。漲急時刻,潮流主流向為偏W向,濰坊港雙堤北側(cè)順堤流明顯,且濰坊港和廣利港堤頭處均存在明顯的挑流,兩者之間流速約33 cm/s;落急時刻,廣利港堤頭北側(cè)流速大于其南側(cè)流速,約58 cm/s,潮流主流向總體呈現(xiàn)為偏E向。

        3 結(jié)論

        通過萊州灣的連續(xù)實測海流數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進行比較,可以看出兩者趨勢基本符合,說明該模型能較精確地重演該海域的潮流場分布情況。

        1 濰坊港雙堤建設(shè)后,濰坊港雙堤堤身兩側(cè)潮流流速有所減小,堤頭附近潮流流速明顯增大,廣利港規(guī)劃方案實施后也存在同樣的變化趨勢,其中位于新形成 “灣”內(nèi)的潮流流速均存在不同程度的減弱,而 “灣”口潮流流速均增大,港口工程實施對 “灣”的影響程度則略輕。

        (2)由于廣利港防波堤軸線與研究海域主流向基本一致,對流場的影響略小,港口工程建設(shè)對潮流場的影響主要集中在工程鄰近海域,又由于濰坊港和廣利港的布局占據(jù)了萊州淺灘至老黃河口南側(cè)海域的近1/4,因此港口工程的實施對潮流場的影響還是明顯存在的。

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