劉 臣

(交通部 天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

瓊州海峽汽車輪渡港區(qū)泥沙運(yùn)動數(shù)值模擬研究*1

劉 臣

(交通部 天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

采用Delft3D軟件建立了瓊州海峽汽車輪渡改擴(kuò)建工程海區(qū)風(fēng)浪、潮流和泥沙耦合計(jì)算數(shù)學(xué)模型，并采用實(shí)測潮位、流速、含沙量和地形變化資料對模型進(jìn)行了率定。在數(shù)值計(jì)算成果與實(shí)測資料達(dá)到精度要求后，首先對潮流場分布進(jìn)行了分析，然后對工程前后工程海域含沙量分布及變化進(jìn)行了研究，最后給出了工程區(qū)域地形沖淤變化。

港口；汽車輪渡；防波堤；流場；含沙量；沖淤變化

海南為我國最南端離岸島省，海南島與內(nèi)陸相隔于瓊州海峽。目前，海南與內(nèi)陸之間交通除空中走廊，還有跨越海峽的火車、汽車輪渡。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，原有的汽車輪渡已滯后于社會發(fā)展的需求?？绾{汽車輪渡改擴(kuò)建工程海南省側(cè)港址位于?？谛潞８蹍^(qū)，海區(qū)東部為?？跒?、西部為澄邁灣，港區(qū)南部緊鄰粵海鐵路輪渡南港。

在自然狀態(tài)下，海域水動力和泥沙輸運(yùn)處于動平衡狀態(tài)，但建設(shè)涉水工程會對附近海域的水動力條件產(chǎn)生影響。規(guī)劃港口建成后，港區(qū)航道水流、波浪、含沙量和地形變化是港口建設(shè)必須考慮的問題。本研究利用Delft3D軟件，建立風(fēng)、浪、流和泥沙輸運(yùn)長時(shí)間系列耦合計(jì)算模型，研究預(yù)測了工程海域含沙量和地形變化并分析了長時(shí)間系列地形變化。

1 模型建立與驗(yàn)證

1.1 耦合計(jì)算基本流程

“風(fēng)吹成浪、波浪掀沙、潮流輸沙”是海區(qū)水動力對泥沙作用的基本機(jī)理。研究利用Delft3D軟件，為工程海區(qū)建立了“風(fēng)、浪、流和泥沙輸運(yùn)長時(shí)間系列”耦合計(jì)算模型，模擬分析港區(qū)及進(jìn)港航道水流[1]、波浪[2]、含沙量和地形變化。Delft3D是目前國際上廣為應(yīng)用的水動力軟件[3]。在泥沙輸運(yùn)模擬方面，模型進(jìn)行水流、風(fēng)、浪和泥沙耦合計(jì)算。

Delft3D水動力軟件潮流模塊為三維設(shè)置；風(fēng)浪模塊為目前應(yīng)用廣泛的SWAN(Simulating Waves Nearshore)第三代波浪模型；泥沙模型將泥沙分為粘性沙和非粘性沙，本工程區(qū)泥沙屬粘性沙，在粘性沙計(jì)算中既考慮懸沙，也考慮底沙。模型模擬計(jì)算流程見圖1。

圖1 計(jì)算流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of calculation process

1.2 模型建立

數(shù)值模擬計(jì)算域覆蓋整個(gè)瓊州海峽通道，北岸西起燈角樓，東至井鹽角；南岸西起紅石島，東至海南角(圖2)。模型邊界采用潮位控制，角點(diǎn)潮位初值采用潮汐軟件[3]預(yù)測成果；海域初始水位、含沙量取計(jì)算初始時(shí)刻H2點(diǎn)(圖3)實(shí)測值。

圖2 工程位置示意圖Fig.2 Sketch of the engineering construction location

圖3 潮流觀測位置Fig.3 Location of the tidal current observation

1.3 模型驗(yàn)證

1.3.1 潮位潮流含沙量驗(yàn)證

驗(yàn)證采用2012-04-11T10:00—12T11:00海口金沙灣海洋水文(大潮)實(shí)測資料，觀測點(diǎn)具體位置見圖3。在測點(diǎn)H1～H6進(jìn)行了潮流流速、流向及含沙量觀測，在測點(diǎn)H3進(jìn)行了潮位觀測。圖4～圖6分別為潮位、潮流和含沙量驗(yàn)證成果，潮位偏差小于0.05 m；流速變化過程計(jì)算與實(shí)測基本一致，漲落急同步；含沙量計(jì)算與實(shí)測十分接近。

圖4 測點(diǎn)H3潮位驗(yàn)證Fig.4 Verifiction oftidal level at H3 station

圖6 含沙量驗(yàn)證Fig.6 Verifiction of the sediment concentrations

1.3.2 地形沖淤驗(yàn)證

海床沖淤驗(yàn)證計(jì)算，起始地形為2006-05的水深資料，校核地形為2008-08的水深資料，期間風(fēng)資料采用美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心的NCEP同期數(shù)據(jù)。圖7為實(shí)測和計(jì)算地形平面圖，南港防波堤與岸線圍成的三角水域計(jì)算與實(shí)測淤積最大厚度均為0.75 m、基本厚度約為0.5 m，淤積量部位計(jì)算結(jié)果與實(shí)測資料吻合良好。

我真沒想到，她竟然這么看輕我，我很憤怒，身體仿佛被一把利刃割著，渾身蟲噬般痛苦，于是我大聲說：“你等著瞧！你有什么了不起，難道你是珠穆朗瑪峰嗎？我還不能超過了。”

圖7 地形變化驗(yàn)證Fig.7 Verifiction of the topographical variations

上述模型計(jì)算取得的潮位、流速、沖淤量和沖淤部位計(jì)算成果表明，模型計(jì)算精度滿足規(guī)程[5]要求。根據(jù)驗(yàn)證計(jì)算，得到地形變化相關(guān)計(jì)算參數(shù)：1)海域曼寧糙率為0.025；2)工程區(qū)海域床面可動泥沙中值粒徑約為0.010～0.200 mm，計(jì)算取0.035 mm；3)波浪計(jì)算參數(shù)采用軟件默認(rèn)值；4)水流方程組迭代計(jì)算時(shí)間步長30 s。

2 海域潮流分布分析

海峽潮流漲急時(shí)刻自西向東流、落急時(shí)刻自東向西流，東向流流速大于西向流流速，即流速在漲潮時(shí)大于落潮時(shí)的值；由于海峽寬度天尾角以東窄于天尾角以西，使得流速在天尾角以西水域小于以東水域；澄邁灣東岸近岸潮流基本為沿岸流；工程區(qū)位于天尾角西側(cè)、澄邁灣東海岸，漲、落急時(shí)刻潮流走向基本為NE—SW向往復(fù)流。工程區(qū)流速[1]在漲急時(shí)小于2.0 m/s、落急時(shí)小于0.5 m/s(圖8)。

圖8 瓊州海峽漲、落急時(shí)刻流場Fig.8 The current field at flood and ebb strength in the Qiongzhou Strait

3 工程區(qū)泥沙問題研究

瓊州海峽汽車輪渡港區(qū)位于粵海鐵路南港北部。建設(shè)方案：防波堤口門寬217 m；航道為10000GT雙向，航寬217 m，航道水深8.0 m。口門內(nèi)航道南邊線距光纜72 m(口門外水深大于8.0 m，航道與光纜線交匯處水深為10.5 m，不需疏浚施工)，航道北邊線距北防波堤堤頭26 m，調(diào)頭圓直徑384 m。

3.1 含沙量

采用針對2012-04-11T10:00—12T11:00時(shí)海口金沙灣海洋水文(大潮)實(shí)測資料模擬計(jì)算分析含沙量。

3.1.1 工程前

圖9為工程前海域漲落急時(shí)刻含沙量分布。天尾角以北淺灘水域水體含沙量略大，近岸淺水區(qū)小于近岸深水區(qū)，工程區(qū)附近海域含沙量大致小于0.03 kg/m3。在粵海鐵路港區(qū)含沙量大致小于0.026 kg/m3，落急時(shí)刻略大于漲急時(shí)刻。

3.1.2 工程后

圖10為工程后海域漲、落急時(shí)刻含沙量分布。漲急時(shí)刻海域北部含沙量略大于南部。1)對于汽車輪渡港區(qū)，工程后口門處基本為0.023 kg/m3、轉(zhuǎn)向圓中部基本為0.020 kg/m3、泊位處基本為0.018 kg/m3，光纜沿線含沙量比工程前略有減小，其中0.027 5 kg/m3等值線外移300 m、0.030 kg/m3等值線外移330 m。2)對于粵海鐵路南港，工程前后防波堤口門處基本均為0.022 5 kg/m3，汽車輪渡建設(shè)對南港港區(qū)幾乎無影響；口門外近區(qū)略有減小，其中北防波堤頭部0.025 kg/m3等值線外移70 m、0.027 5 kg/m3等值線外移100 m。

落急時(shí)刻：1)在汽車輪渡港區(qū)，工程后口門處為0.028 kg/m3、轉(zhuǎn)向圓中心處為0.025 kg/m3。2)在粵海鐵路南港，工程前后防波堤口門處基本為0.027 kg/m3，汽車輪渡建設(shè)對南港港區(qū)幾乎無影響；北防波堤頭部以西水域略有減小，其中0.030 kg/m3等值線距北防波堤頭部距離外移150 m。

圖9 工程前海域含沙量分布Fig.9 The distribution of sediment concentration before the engineering construction in the study area

圖10 工程后海域含沙量分布Fig.10 The distribution of sediment concentration after the engineering construction in the study area

3.2 港區(qū)地形變化

地形變化計(jì)算初始地形采用2008年實(shí)測最新資料，風(fēng)、浪和潮流條件采用前文地形變化驗(yàn)證成果。計(jì)算風(fēng)浪條件使用2006-06-2008-08 NCEP數(shù)據(jù)，歷時(shí)26個(gè)月，將計(jì)算成果按系數(shù)12(年月數(shù))/26(計(jì)算月數(shù))進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，得到年地形變化。圖11為港區(qū)年沖淤變化結(jié)果，可以看出，地形變化基本表現(xiàn)為防波堤口門外沖刷、口門及內(nèi)部港區(qū)淤積。

圖11 港區(qū)工程后地形沖淤變化Fig.11 Variations of scouring and silting terrain after the engineering construction in the study area

口門外，受防波堤影響，在北防波堤頭部以北區(qū)域發(fā)生沖刷，沖刷最大深度0.65 m。由于受防波堤掩護(hù)，近堤部位有所淤積；航道走向水域沖刷較弱，最大沖刷深度約為0.15 m。防波堤口門及其內(nèi)部港區(qū)淤積。淤積最大部位發(fā)生在口門處，最大淤積厚度小于0.25 m，向內(nèi)淤積逐漸減弱，轉(zhuǎn)向圓中心處為0.11 m，泊位處約為0.10 m。根據(jù)水深圖，口門處水深滿足通航要求，不需疏浚。疏浚區(qū)為港內(nèi)水域，疏浚面積341 886 m2，平均淤厚0.11 m，年清淤量為3.76×104m3。

4 結(jié) 論

1)模型驗(yàn)證結(jié)果表明，風(fēng)、浪、流和泥沙耦合模擬計(jì)算能較好地反映海域潮流、泥沙及地形變化特征。

2)瓊州海峽潮流在漲急時(shí)刻自西向東流、落急時(shí)刻自東向西流，漲潮流速大于落潮流速。工程區(qū)位于天尾角西側(cè)、澄邁灣東海岸，潮流走向基本為NE—SW向往復(fù)流。

3)根據(jù)2006-2008年風(fēng)況模擬，港區(qū)年淤積強(qiáng)度在口門處、調(diào)頭圓中心處和泊位處分別為0.25,0.11和0.10 m/a。

4)在汽車輪渡港，工程后防波堤口門處漲、落急時(shí)刻含沙量分別為0.023 kg/m3和0.027 kg/m3。汽車輪渡碼頭建設(shè)使得防波堤口門外側(cè)含沙量略有減小，其中在海底光纜處0.030 kg/m3等值線漲急時(shí)刻外移330 m。

5)在粵海鐵輪渡南港，汽車輪渡港建設(shè)對防波堤口門內(nèi)含沙量基本無影響，口門外側(cè)近區(qū)略有減小，其中0.030 kg/m3等值線距北防波堤頭部距離漲急時(shí)刻外移70 m。

[1]劉臣,李少年,馬殿光.瓊州海峽新海汽車輪渡碼頭通航水流條件分析[J].海岸工程,2014,33(2):12-19.

[2]劉臣,李少年,馬殿光.瓊州海峽?？谄囕喍纱a頭泊穩(wěn)條件分析[J].中國水運(yùn),2014,14(1):22-24.

[3]劉臣,閆建英.龍口港航道擴(kuò)建工程疏浚土輸移研究[J].中國港灣建設(shè),2010,(1):39-43.

[4]李夢國,鄭敬云.中國海域潮汐預(yù)報(bào)軟件Chinatide的應(yīng)用[J].水道港口,2007,28(1):65-68.

[5]JTS/T231-2-2010 海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2010.

NumericalSimulationStudyonSedimentMovementintheAutomobileFerryPortAreaofQiongzhouStrait

LIUChen

(TianjinResearchInstituteofWaterTransportEngineering,Tianjin 300456,China)

A coupling mathematical model of wind,wave,tidal current and sediment in the engineering area which is an expansion project for the automobile ferry port of Qiongzhou Strait,is established by using software Delft3D and calibrated based on the measured data of tidal level,current velocity,sediment concentration and topography.After the calculated results are consistent with the measured data,the distribution of tidal current field in the study area is firstly analyzed,and then the distributions and changes of sediment concentrations before and after the engineering construction are studied.Finally,the variations of scouring and silting terrain in the engineering area are described.

port;automobile ferry;breakwater;current field;sediment concentration;changes in scouring and silting

2014-03-19

劉 臣(1964-)，男，研究員，主要從事港口航道設(shè)計(jì)方面研究.E-mail:lctks@163.com(陳 靖 編輯)

U65

A

1002-3682(2014)03-0017-09