范紅霞,王建中,朱立俊

(南京水利科學研究院,江蘇 南京 210029)

梅山水道避風錨地潮流泥沙數(shù)值計算

范紅霞,王建中,朱立俊

(南京水利科學研究院,江蘇 南京 210029)

在地形及水文測驗資料收集整理的基礎上,建立了梅山水道附近海域平面二維潮流泥沙數(shù)學模型,模型經(jīng)水流泥沙運動相似驗證后在典型大、小潮水文條件下進行了工程方案計算,分析研究了梅山水道潮汐通道封閉后其附近海域潮流動力及泥沙沖淤變化情況。研究結果表明,梅山水道潮汐通道漲、落潮量占周邊其他水道比例較小,工程的實施未改變周邊海域整體潮流場結構及海床沖淤基本平衡的格局,工程后擬建南、北兩堤近堤附近海域海床因流速減小形成緩流、回流區(qū),從而使泥沙產(chǎn)生累積性淤積,附近水利設施的運行將受到不同程度影響。

梅山水道;避風錨地工程;潮流泥沙;數(shù)值計算

寧波市北侖區(qū)梅山島附近海域南臨東海,易遭臺風與風暴潮的侵襲。為了有效減少臺風帶來的災害,提高抵御超級臺風的能力,北侖區(qū)政府擬建設梅山水道抗超強臺風漁業(yè)避風錨地工程[1-2]。工程附近海域隸屬于舟山群島島鏈區(qū),其間島嶼密布、水道縱橫、口門眾多,潮流泥沙運動十分復雜[3-8]。梅山水道系典型的潮汐通道,工程的建設將引起附近海域潮流場及泥沙場的響應。

本文在資料收集和水文測驗的基礎上建立了較大范圍潮流泥沙數(shù)學模型,計算分析了工程前后附近海域潮流動力和泥沙沖淤變化,為設計及建設部門提供科學依據(jù)。

1 工程及水文泥沙概況

1.1 工程概況

梅山水道抗超強臺風漁業(yè)避風錨地工程位于北侖區(qū)穿山半島東南部的梅山水道,西鄰春曉園區(qū)、北瀕白峰上陽片、東靠梅山保稅港區(qū)、南接象山港,工程區(qū)南北總長13.5 km。擬建工程方案為兩頭采用出水堤攔截梅山水道,配以船閘、水閘等水利水運設施,將原有的潮汐通道打造成封閉式避風錨地。

工程所在海域地處舟山群島西南部,區(qū)內(nèi)島嶼密布(主要有六橫島、梅山島、蝦峙島、桃花島等),水道縱橫、口門眾多(主要有象山港、螺頭水道、梅山水道、佛渡水道、牛鼻山水道、條帚門、蝦峙門等),水動力條件復雜。工程區(qū)附近海域及工程方案平面布置見圖1。

圖1 工程位置及方案平面布置Fig.1 Location and layout of the project

1.2 水文泥沙概況

(1)潮汐:東海潮波經(jīng)舟山群島各水道和口門傳入本工程所在穿山半島東南側海域。根據(jù)2007年9月[9]及2010年4月[10]實測水文資料,工程所處海域屬于正規(guī)半日潮,1天有2個高潮和2個低潮,且2次高潮和2次低潮的潮位高度比較接近;工程區(qū)平均潮差在3 m左右,且西南側大于東北側;工程區(qū)內(nèi)東北側海域平均漲潮歷時小于落潮歷時,西南側平均漲落潮歷時相差不大。

(2)潮流:實測資料表明,工程水域正規(guī)半日潮流占絕對優(yōu)勢,淺海分潮流不明顯。在近岸、口門及梅山水道內(nèi),受地形及邊界的制約,潮流呈現(xiàn)典型的往復流形式;在開敞海域,潮流的旋轉特性比較明顯。2010年4月實測大潮結果顯示,梅山水道內(nèi)平均漲潮流速為0.41～0.61 m/s,平均落潮流速為0.46～0.74 m/s;象山港口門平均漲潮流速為0.5 m/s,平均落潮流速約為0.90 m/s;牛鼻山水道內(nèi)平均漲落潮流速為0.70～0.80 m/s;佛渡水道至峙頭洋,平均漲落潮流速為0.67～1.07 m/s;條帚門水道內(nèi)平均漲落潮流速約1.0 m/s?？梢?本海區(qū)潮流動力較強。

(3)泥沙:工程區(qū)海域泥沙運動與潮流、波浪、地形邊界、地理位置等因素密切相關,以懸沙運動為主,區(qū)內(nèi)泥沙的主要來源應為長江口南下經(jīng)杭州灣的泥沙。從季節(jié)上來看,冬春季的含沙量大于夏秋季;從空間分布來看,含沙量分布較均勻;大潮汛時含沙量為0.414～1.0 kg/m3。據(jù)有關資料統(tǒng)計,中潮時水體含沙量為大潮含沙量的75%～80%,小潮含沙量是大潮含沙量的(20～35)%。大潮汛懸沙中值粒徑為0.003 0～0.004 2 mm,小潮汛時為0.002 2～0.003 0 mm;底質主要為黏土質粉砂,中值粒徑約0.009 mm。

2 二維潮流泥沙數(shù)學模型的建立與驗證

2.1 控制方程及求解方法

式中:x,y為直角坐標系坐標;t為時間;h為平均水深;ζ為相對于平均海平面的潮位;Ux,Uy分別為x,y方向上的垂線平均流速;ρ為水體密度;g為重力加速度;Nx,Ny分別為x,y方向的水平紊動黏性系數(shù);f為科氏參數(shù);τx,τy分別為水流床面剪切應力在x,y方向的分量;S為垂線平均含沙量;Dx,Dy分別為x,y方向的泥沙紊動擴散系數(shù);Fs為泥沙沖淤函數(shù);γd為床沙干密度;ηb為海床床面的豎向位移(即沖淤變化量)。

底部沖淤函數(shù)Fs與底部剪切應力及泥沙特征有關,由下式確定:

式中:τ為水流底部剪切應力;τd為泥沙不淤臨界剪切應力;τe為泥沙起動臨界剪切應力;α為淤積概率;M為沖刷系數(shù)。

邊界條件可分為兩類:開邊界和閉邊界。閉邊界流體不可穿透岸壁;外海開邊界,采用潮位過程;泥沙開邊界分為入流和出流兩種情況。由于計算工程區(qū)附近灘地復雜,潮灘淹沒和露灘頻繁,為了準確模擬計算區(qū)域潮流形態(tài),模型閉邊界采用干濕判別動邊界處理技術。模型求解采用非結構網(wǎng)格中心網(wǎng)格有限體積法求解。

2.2 模型的建立與驗證

2.2.1模擬范圍及驗證水文條件 根據(jù)研究需要,本模型[11]選取北邊界為金塘水道的大榭島、南邊界為道人山～青山角的外海、西邊包含整個象山港,計算區(qū)域東西長約96 km,南北長約56 km,其中包含金塘水道、螺頭水道、佛渡水道、牛鼻山水道、條帚門以及蝦峙門等工程區(qū)附近海域的各水道和口門(模型計算范圍見圖1,工程區(qū)局部網(wǎng)格見圖2)。為保證計算精度及滿足要求,選用無結構網(wǎng)格對計算區(qū)域進行剖分,整個計算區(qū)域布設節(jié)點28 002個,單元數(shù)52 972個,工程區(qū)最小網(wǎng)格尺寸約30 m。

本次模型共進行了2007年9月12—14日實測大潮一、2010年3月31日至4月1日實測大潮二及2010年4月7—8日實測小潮3個測次。水文測驗資料包括潮位、流速、流向及含沙量過程線的驗證(實測大潮一測次水文測驗布置及流速矢量見圖3),地形沖淤驗證采用2007年及2010年實測地形資料。

圖2 工程區(qū)局部網(wǎng)格Fig.2 Local grid around the project

圖3 實測大潮一水文測驗布置及流速矢量Fig.3 Layout of hydrometry and velocity vector of the 1st spring tide

2.2.2有關計算參數(shù)的選取 根據(jù)驗證與率定計算,有關參數(shù)選取如下:床面阻力系數(shù)取0.012～0.015;根據(jù)實測資料率定紊動黏性系數(shù)為10;采用的時間步長Δt=15 s;根據(jù)實測泥沙資料,工程海域的泥沙屬于細顆粒泥沙,計算沉速時必須考慮絮凝作用,ω取值為0.000 45 m/s[12];泥沙紊動擴散系數(shù),實際計算中取紊動擴散系數(shù)與水流的渦動黏性系數(shù)一致;淤積物的干密度γ0=1 850×D0.18350。

2.2.3模型驗證 經(jīng)過反復調試和率定[11],模型的潮位、流速、流向、含沙量過程及工程區(qū)附近泥沙沖淤變化計算達到了較好的驗證精度。圖4為工程前大范圍大潮漲、落急流場示意圖;圖5和6為代表測站及垂線潮位、流速、流向過程驗證對比情況,圖7為梅山島周圍2007—2010年3年來實測地形沖淤幅度及模型計算驗證圖(梅山島東南部有工程施工,影響了局部沖淤驗證的精度)。

圖4 大潮漲、落急流場Fig.4 Flow field during max.flood and max.ebb tide

圖5 實測大潮一潮位過程驗證(郭巨,2007-09-12T16:00/09-14T17:00)Fig.5 Tide level verification against measured 1st spring tide

圖6 實測大潮一潮位流速、流向過程驗證(2007-09-12T16:00/09-14T17:00)Fig.6 Current velocity and direction verification of measured 1st spring tide

圖7 梅山島2007—2010年實測地形沖淤變化及模型計算驗證Fig.7 Changes in measured topography and calculated values from 2007 to 2010 around Meishan island

3 工程前后潮流流場變化計算分析

模型驗證后,選擇實測大潮二及小潮為典型代表潮型,對工程方案實施前后的潮流場進行了計算。

3.1 工程前后流態(tài)變化

工程前大、小潮漲潮過程中梅山水道西南側口門處有小范圍短歷時回流存在。工程實施后流態(tài)變化主要表現(xiàn)為:大潮漲、落潮及小潮落潮過程中,梅山水道西南側攔水堤外出現(xiàn)較大范圍回流;大潮漲潮過程中,東北側口門附近亦存在小范圍的回流。

3.2 工程前后各通道潮量變化

工程區(qū)口門、水道眾多,模型計算分析了工程后各通道的潮量變化情況。表1為大、小潮工程前后各通道潮量變化情況?？梢?工程實施前梅山水道進、出潮量分別為0.65和0.33億m3,相對其他通道量值較小;工程實施后,梅山水道潮汐通道被截斷,原通過梅山水道的潮量進行重新分配,除佛渡水道的進潮量變化超過1%外,其他通道進、出潮量變化值很小。這說明工程實施后,象山港、牛鼻山水道、條帚門和蝦峙門的潮量基本沒有變化,工程對整體海域的潮流場動力影響甚微。

表1 工程前后各通道潮量變化Tab.1 Tidal current changes around channels with and without the project 108m3

3.3 工程前后流速變化

工程實施后,截斷了原為潮汐通道的梅山水道,隨著潮量的重新分配,潮流流速場進行了相應的調整。工程后流速變化特征主要表現(xiàn)為:梅山水道兩攔水堤間潮流動力消失;擬建北堤～東北側口門留存的2 km長“盲腸”通道內(nèi)潮流動力微弱,最大漲、落潮流速僅為0.10 m/s;擬建南堤以西近岸海域、擬建北堤以東近岸海域為流速減小區(qū),流速減小0.05 m/s的最大影響范圍分別為自南堤以西約5.0 km、東北側口門以東北約7.0 km;七姓涂南大堤西端近堤海域、梅山島東部近岸海域為流速增加區(qū),流速增加的最大影響范圍至七姓涂南大堤外5.0 km和青龍山以東3.5 km。而小潮條件下流速變化幅度較大潮小。圖8為工程前后大潮漲、落急時刻流速差等值線分布情況。

圖8 工程前后大潮漲、落急流速差等值線分布Fig.8 Distribution of velocity change contour during max.flood and max.ebb with and without the project

4 工程后泥沙沖淤變化計算分析

工程的實施將封堵梅山水道,在工程區(qū)附近海域的潮流流場發(fā)生相應調整的同時,附近海域的海床亦將做出相應的沖淤變形響應。

模型計算了工程后初期1年及達到準平衡狀態(tài)3年時的泥沙沖淤情況。圖9為工程后1年及3年海床沖淤變化情況。由圖可見,工程后梅山島東南部海床為沖刷區(qū),但沖刷的深度不大,接近平衡時最大沖刷深度一般為0.4～0.6 m。擬建南、北兩側攔水堤外局部海域為泥沙累積性淤積區(qū)。南堤外側接近沖淤平衡時的最大淤積厚度達3.5 m,最大淤積部位位于口門外深槽內(nèi),0.5 m淤積厚度的淤積影響將延伸至南堤以外約4.0 km;北堤外至東北側口門之間的原梅山水道漲潮流出口段為累積性淤積區(qū),其準平衡狀態(tài)下的最大淤積厚度為1.5 m;東北側口門外海域接近沖淤平衡狀態(tài)時最大淤積厚度達3.5 m,最大淤積部位位于口門附近的航槽內(nèi),沿岸0.5 m厚淤積影響的最大范圍至口門外4.0 km處。

圖9 工程1年后和3年后泥沙沖淤分布Fig.9 Sediment erosion and deposition at the end of the 1st year and 3rd year after project completion

工程實施后,梅山島東部保稅港區(qū)碼頭前沿海域流速稍有增加,海床呈現(xiàn)輕微的沖刷狀態(tài),工程初期年沖刷幅度在0.1～0.2 m,達到準平衡狀態(tài)時的沖刷幅度在0.3～0.5 m?？傮w來看,工程的興建對碼頭前沿海床沖刷的影響較小,不會對該作業(yè)區(qū)碼頭的安全運行產(chǎn)生不利影響,而是更有利于碼頭前水深的維護。

除上述工程區(qū)附近的主要沖刷和淤積區(qū)以外,其他海域的海床沖淤變幅均在自然沖淤范圍內(nèi),基本沒有受到工程的沖淤影響。

5 結 語

通過潮流泥沙數(shù)學模型計算分析,得到梅山水道抗超強臺風漁業(yè)避風錨地工程實施后的主要影響:

(1)雖然工程實施封閉了作為潮汐通道的梅山水道,但由于梅山水道的潮量占鄰近佛渡水道等進出潮量的權重很小,象山港、牛鼻山水道、條帚門、蝦峙門、螺頭水道、佛渡島及六橫島等周邊海域的整體潮流動力基本沒有改變,大范圍海床沖淤趨勢也沒有發(fā)生明顯變化,因此工程的實施不會改變該海域整體潮流場結構及海床自然沖淤的格局。

(2)七姓涂南大堤西端～梅山島東部近岸海域為流速增加區(qū),海床產(chǎn)生輕微沖刷,不影響梅山島東部保稅港區(qū)碼頭的正常運行。

(3)擬建南堤以西及北堤以東近岸海域,出現(xiàn)范圍與歷時不同的回流流態(tài),處于流速減小區(qū),該區(qū)域海床將發(fā)生淤積,口門外深槽內(nèi)淤積幅度最大。處于該區(qū)的水閘、小型碼頭的正常運行需做好清淤疏浚措施。

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Tidal current and sediment numerical calculation for Meishan waterway

FAN Hong-xia,WANG Jian-zhong,ZHU Li-jun
(Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China)

A 2-D tidal current and sediment mathematical model for Meishan waterway sea area is established on the basis of analyzing the measured data.After flow and sediment motion verification,the model is applied to calculate and analyse the changes of the tidal current and the erosion-siltation variation caused by the anchorage shelter project under typical spring-neap tide conditions.The research results show that the flood and ebb tidal volume in the Meishan waterway constitutes a small percentage of those of the surrounding waterways,bringing no changes of the flow field and sediment balance in the large sea area.Cumulative deposition trend is shown in the recirculation and slow-flow region near the proposed two dikes at the south and north waterways because of velocity decreasing,which will give some impacts on the water conservancy facilities located in the adjacent areas. Therefore it is necessary to take protective measures to ensure safe operation of the small sluices and wharfs located in the sea area.The analysis research findings can provide a technical support for the project design and construction.

Meishan waterway;the anchorage shelter project;tidal current and sediment;numerical calculation

TV148

A

1009-640X(2014)06-0009-07

2014-05-17

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2012CB417001);國家“948”項目(201303)

范紅霞(1981-),女,江蘇阜寧人,工程師,碩士,主要從事港口航道及海岸工程水動力及泥沙研究工作。E-mail:hxfan@nhri.cn