吳園園，婁安剛，張 坤，方雪原

(中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

海陽中心漁港建設(shè)對(duì)附近海域沖淤的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)

吳園園，婁安剛，張 坤，方雪原

(中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

利用MIKE21二維水動(dòng)力模型，對(duì)海陽中心漁港建設(shè)前，以及兩種預(yù)選方案建設(shè)后海域潮流分別進(jìn)行數(shù)值模擬。在潮流模擬驗(yàn)證正確的基礎(chǔ)上，建立了海底沖淤預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)了工程建設(shè)前后靜風(fēng)條件下全年沖淤趨勢(shì)。并運(yùn)用MIKE21 Coupled ModelFM模塊，模擬了極端天氣條件(SE15 m/s大風(fēng))浪流共同作用下工程附近海域的沖淤情況。根據(jù)方案建設(shè)前后潮流場(chǎng)、沖淤趨勢(shì)進(jìn)行分析，確定最優(yōu)方案，為海陽中心漁港的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供決策參考。

MIKE21；海陽中心漁港；數(shù)值模擬；沖淤模型

海陽市南瀕黃海，海岸線東起與乳山市交界的琵琶島官廳咀，西至與萊陽市交界的丁字灣，海岸線長(zhǎng)229.4 km。海陽近海及周邊海域有眾多的漁場(chǎng)，漁業(yè)資源豐富，但現(xiàn)有的漁港規(guī)模不能適應(yīng)當(dāng)前和今后漁業(yè)發(fā)展的需要，并成為制約當(dāng)?shù)貪O業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的主要瓶頸，建設(shè)海陽中心漁港勢(shì)在必行。

海陽中心漁港用海位置為海陽市鳳城鎮(zhèn)寨前村南海域，位于121°18′～121°19′E,36°42′～36°43′N。建設(shè)海陽中心漁港，可有效整合沿海岸線的零散漁業(yè)資源，是沿岸整體規(guī)劃，提升其生產(chǎn)和避風(fēng)條件和漁港的配套功能的需要。漁港的建設(shè)是漁區(qū)城鎮(zhèn)化建設(shè)和漁業(yè)產(chǎn)業(yè)化調(diào)整有機(jī)結(jié)合，符合國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策，對(duì)促進(jìn)當(dāng)?shù)貪O業(yè)多元化和可持續(xù)發(fā)展、振興地方經(jīng)濟(jì)、保障漁業(yè)生產(chǎn)和漁民生命財(cái)產(chǎn)安全、安置轉(zhuǎn)產(chǎn)轉(zhuǎn)業(yè)漁民、提高漁民生活水平等具有重要意義。

MIKE21模型是丹麥水力研究所開發(fā)的系列水動(dòng)力軟件之一，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外水動(dòng)力模擬當(dāng)中，取得了較好的效果[1-8]，是目前國(guó)際上較為先進(jìn)的模型之一。本文利用MIKE21構(gòu)建海陽中心漁港二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型以及泥沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)工程前和不同方案建設(shè)后的流場(chǎng)以及海底沖淤情況進(jìn)行數(shù)值模擬，為海陽中心漁港的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供決策參考。

1 預(yù)選方案的提出

海陽中心漁港位于膠東半島南岸的乳山口與丁字河口之間的鳳城近岸海域。港區(qū)西側(cè)約200 m處為海陽港東港區(qū)海上疏港路工程(在建)，海上疏港路全長(zhǎng)3 700 m(其中橋梁200 m)、路基全寬45 m，其中距起點(diǎn)1 000 m處建設(shè)200 m長(zhǎng)的橋梁一座。

本工程屬漁港基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)內(nèi)容包括碼頭和防波堤、引堤、港池、航道和錨地，現(xiàn)有兩個(gè)平面方案布置(圖1,2)。

方案1漁港布置：沿河口入?？诘臇|側(cè)建一寬12 m，長(zhǎng)440 m的棧橋式引堤(引堤為透空式結(jié)構(gòu))，便于漁港港池內(nèi)外水體交換。在引堤入海口端頭通過人工填海形成陸域，陸域東西向長(zhǎng)323 m，南北向長(zhǎng)615 m，總面積為20.39萬 m2。在陸域的西側(cè)建設(shè)長(zhǎng)600 m的順岸碼頭，陸域的北側(cè)、東側(cè)及南側(cè)為護(hù)岸。在陸域的西南側(cè)分別建設(shè)東、西防波堤，東防波堤的走向?yàn)镾SW-NNE，長(zhǎng)度為250 m；西防波堤走向?yàn)镋-W，W側(cè)接正在建設(shè)的海陽港區(qū)東港區(qū)的海上疏港路，西防波堤長(zhǎng)度為150 m。東、西防波堤之間門口寬度為190 m，兩堤共形成港池水域面積83.94萬 m2。

方案2漁港布置：沿河口入?？诘臇|側(cè)建一寬12 m，長(zhǎng)379 m的棧橋式引堤(引堤為透空式結(jié)構(gòu))，便于漁港港池內(nèi)外水體交換。在引堤入海口端頭通過人工填海形成陸域，陸域東西向長(zhǎng)320 m，南北向長(zhǎng)660 m。在陸域西側(cè)建設(shè)長(zhǎng)660 m的順岸式重力式碼頭，陸域東側(cè)及南側(cè)為防波堤，陸域北側(cè)為直立式岸壁，在陸域的西南側(cè)建設(shè)防波堤建碼頭，防波堤走向?yàn)镾SW-NNE，長(zhǎng)度為400 m。共形成陸域面積25.863 6萬 m2。防波堤兼碼頭與正在建設(shè)的煙臺(tái)港海陽港區(qū)東港區(qū)的海上疏港路之間口門寬度為200 m，兩堤共形成港池水域面積為82.68萬 m2。

圖1 方案1平面圖Fig.1 Layout of plan 1

圖2 方案2平面圖Fig.2 Layout of plan 2

2 規(guī)劃港區(qū)潮流和泥沙特性

2.1 潮流特征

本海區(qū)潮汐類型屬規(guī)則半日潮，表現(xiàn)為較強(qiáng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，主流向?yàn)槠玏-E向，其中偏W向?yàn)闈q潮流向，偏E向?yàn)槁涑绷飨騕9]。

2.2 泥沙來源

泥沙來源主要有4個(gè)方面：1)河流來沙；2)由鄰近岸灘搬運(yùn)而來；3)海岸侵蝕來沙；4)海底來沙。

沿岸泥沙的主要來源為河流輸沙，而岸灘侵蝕來沙和外海來沙極小。工程區(qū)附近有東村河和留格莊河兩條較大入海河流，東村河位于工程的西南側(cè)，留格莊河位于工程的東北側(cè)。影響該區(qū)泥沙來源主要是東部河流，西部對(duì)該海域影響極小。

留格莊河年輸沙量約為9.7～16.1萬t，1994年留格莊河上中游已興建1座中型水庫，可攔截0.16萬t的泥沙。來沙量主要集中在洪水季節(jié)，粗顆粒物質(zhì)沿程堆積，細(xì)顆粒下泄入海，據(jù)目前情況估計(jì)約有8.0萬t泥沙，在浪和流的作用下向西運(yùn)移[10]。

海陽中心漁港東側(cè)為礁石等基巖海岸，在波浪和潮流作用下，受到侵蝕，侵蝕下來的泥沙發(fā)生搬運(yùn)，但其泥沙來源較鄰近岸灘搬運(yùn)來沙少。

規(guī)劃區(qū)海底處于輕微侵蝕狀態(tài)，海底侵蝕的泥沙也可進(jìn)行再配，成為沙源之一。根據(jù)工區(qū)海洋動(dòng)力條件及底質(zhì)狀況分析，用海區(qū)域附近海底來沙甚少。

2.3 表層沉積物

海陽中心漁港海灘上沉積物主要是砂質(zhì)沉積物，包括細(xì)砂、中細(xì)砂、粗中砂等四種類型沉積物。港區(qū)海底沉積物顆粒以粉砂和粘土為主，根據(jù)資料調(diào)查，泥砂粒徑平均值選取為10 μm，泥沙干容重2.8 g/cm3。

2.4 含沙量

該海區(qū)含沙量變化比較小，大潮期平均含沙量的變化范圍在27.8～60.0 mg/L。小潮期，平均含沙量的變化范圍為23.9～57.9 mg/L[11]。

3 潮流數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算域設(shè)置及網(wǎng)格設(shè)置

利用MIKE21建立的模型計(jì)算域坐標(biāo)范圍為121°00′～121°38′E,36°15′～36°50′N。采用不規(guī)則的三角形網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算網(wǎng)格總的網(wǎng)格數(shù)為5 594，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 980，網(wǎng)格分布見圖3。

3.2 水深和岸界

水深和岸界根據(jù)中華人民解放軍航海保證部制作的12310號(hào)海圖及工程附近海域水深地形資料確定。

3.3 開邊界

從《渤海 黃海 東海海洋圖集：水文》[12]中摘得古龍嘴、丁字河口和千里巖三個(gè)站點(diǎn)的M2、S2、K1和O1四個(gè)分潮調(diào)和常數(shù)，然后用MIKE21對(duì)開邊界潮位進(jìn)行預(yù)報(bào)。

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格分布圖Fig.3 Grid distribution in the computed domain

3.4 潮流及潮位的驗(yàn)證

驗(yàn)證點(diǎn)資料為中國(guó)海洋大學(xué)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證點(diǎn)位置見表1。

表1 驗(yàn)證點(diǎn)坐標(biāo)Table 1 Coordinates of the stations for validation

將數(shù)值模擬結(jié)果與驗(yàn)證資料進(jìn)行比對(duì)，得出驗(yàn)證曲線(圖4)。

根據(jù)潮流對(duì)比驗(yàn)證圖可以看出，模型基本反映了實(shí)際流速的漲急落急的狀態(tài)。無論是潮位、流速大小還是流向，計(jì)算值與實(shí)際值基本吻合，說明模型采用的參數(shù)基本合理，計(jì)算方法可靠，再現(xiàn)了規(guī)劃港區(qū)海域的潮流運(yùn)動(dòng)特性，能夠滿足進(jìn)一步預(yù)測(cè)和研究的需要。

3.5 漁港建設(shè)前后潮流模擬結(jié)果

圖5a和圖5b是模擬出的工程前漲、落急時(shí)刻的潮流場(chǎng)分布。港區(qū)附近海域的潮流場(chǎng)有如下特點(diǎn)：漲急時(shí)刻潮流流向整體呈E-W向，最大漲潮流速48～52 cm/s；落急時(shí)刻潮流流向整體上呈W-E向，最大落潮流速為56～60 cm/s。潮流基本為往復(fù)流形式，潮流流速在水平方向上表現(xiàn)為在近岸海域流速較遠(yuǎn)岸小。

圖4 潮流對(duì)比驗(yàn)證Fig.4 Comparison and verification of the tidal currents

圖5c和圖5d為方案1建設(shè)后漲、落急時(shí)刻的潮流場(chǎng)分布，漲急時(shí)刻潮流流向整體呈E-W向，最大漲潮流速為44～48 cm/s；落急時(shí)潮流流向整體上呈W-E向，最大落潮流速為52～56 cm/s。由于漁港工程的阻礙，在漁港附近，潮流場(chǎng)受到一定的影響，擬建碼頭和岸線之間的水道流速明顯增強(qiáng)，漲急時(shí)流速增加13～15 cm/s，落急時(shí)流速增加14～15 cm/s。同時(shí)擬建引橋港池出口處的流向也發(fā)生了改變，漲急時(shí)由E-W向變?yōu)镾-N向，落急時(shí)由W-E向變?yōu)镹-S向。

圖5e和圖5f為方案2建設(shè)后漲、落急時(shí)刻的潮流場(chǎng)分布。漲急時(shí)刻潮流流向整體呈E-W向，最大漲潮流速為44～48 cm/s；落急時(shí)潮流流向整體呈W-E向，最大落潮流速為48～52 cm/s。由于受到漁港的阻礙，在漁港附近，潮流場(chǎng)受到一定的影響，擬建碼頭和岸線之間的水道流速明顯增強(qiáng)，漲急時(shí)流速增加14～15 cm/s，落急時(shí)流速增加9～15 cm/s。同時(shí)擬建引橋港池出口處的流向也發(fā)生了改變，漲急時(shí)由E-W向變?yōu)镾-N向，落急時(shí)由W-E向變?yōu)镹-S向。

圖5 模擬流場(chǎng)圖Fig.5 The simulated flow fields

4 沖淤趨勢(shì)模擬

4.1 靜風(fēng)條件下全年沖淤趨勢(shì)預(yù)測(cè)

在MIKE 21建立的水動(dòng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)上，耦合MT模型，模擬了靜風(fēng)條件下全年工程前和兩種方案建設(shè)后海底泥沙沖淤趨勢(shì)(圖6)。因?yàn)橛?jì)算海域范圍較大，水體中的泥沙很難在整體上達(dá)到平衡狀態(tài)，為了研究擬建工程附近海區(qū)沖淤變化影響，將工程前后泥沙初始條件設(shè)為一致。在該模塊中沒有加入波浪，只考慮了在潮流作用下海底全年的沖淤趨勢(shì)。

圖6 模擬全年沖淤圖Fig.6 The simulated annual erosion-deposition graphs

工程建設(shè)前，在不考慮波浪條件下，由于受地形的影響，冷家莊和海陽港之間的外海海域處于沖刷狀態(tài)，沖刷程度在0.8～3.0 cm/a，海陽港二期西南角附近海域和工程西側(cè)疏港路附近海域沖刷較強(qiáng)，沖刷程度局部大于5.0 cm/a。冷家莊和海陽港之間的岸邊附近海域以及冷家莊南部部分海域處于微淤積狀態(tài)，年淤積程度在0.8～2.0 cm/a。工程附近海域工程兩側(cè)岸邊小范圍內(nèi)處于淤積狀態(tài)，程度小于1.0 cm/a，擬建工程西側(cè)疏港路橋梁下的水道沖刷程度較大，約為5.0 cm/a。

工程(方案1)建設(shè)后，由于工程改變了岸線，對(duì)工程附近海區(qū)沖淤狀況改變較大，其余海區(qū)改變較小。方案1建設(shè)后，冷家莊和海陽港之間的外海海域沖刷程度略有減小，其岸邊附近海域淤積程度略有增強(qiáng)，改變量值在-0.2～0.4 cm/a。擬建東、西防波堤之間的海域處于沖刷狀態(tài)，程度在0.8～5.5 cm/a，擬建碼頭和岸線之間的水道沖刷程度明顯增強(qiáng)，程度約5.4 cm/a。淤積加強(qiáng)的區(qū)域多集中在港池區(qū)域以及工程的南側(cè)，淤積強(qiáng)度約為1.0 cm/a。擬建西防波堤和海上疏港路之間的夾角處也處于淤積的狀態(tài)，淤積程度約為0.8 cm/a。

由于方案1與方案2在平面布置上差別不是很大，因此方案2建設(shè)后，相比于方案1其余海區(qū)沖淤狀況的改變也較小，僅工程附近海域的影響較大，擬建碼頭防波堤西南側(cè)海域處于沖刷狀態(tài)，程度在0.8～5.0 cm/a，擬建碼頭和岸線之間的水道沖刷程度明顯增強(qiáng)，程度約4.5 cm/a。擬建碼頭兩側(cè)淤積范圍和程度稍微有所增強(qiáng)，淤積加強(qiáng)的區(qū)域多集中在疏港路的西側(cè)，擬建工程的東側(cè)和南側(cè)以及工程的港池區(qū)域，淤積強(qiáng)度約為1.0 cm/d。

4.2 SE向大風(fēng)條件下24 h沖淤趨勢(shì)分析

根據(jù)南黃島觀測(cè)站(距本項(xiàng)目最近約33 km)1984～1994年的波浪統(tǒng)計(jì)資料，該區(qū)強(qiáng)波向?yàn)镾E。海陽氣象站的調(diào)查資料顯示SE向最大風(fēng)速為15 m/s。在模型中，打算使用風(fēng)生浪來計(jì)算波浪，因此結(jié)合波浪和風(fēng)資料，選擇極端天氣條件(SE大風(fēng)15 m/s)來進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測(cè)。

采用MIKE21 Coupled Model FM模型，耦合HD、SW以及MT模塊，對(duì)SE大風(fēng)條件24 h后的沖淤趨勢(shì)進(jìn)行數(shù)值模擬，沖淤趨勢(shì)圖見圖7。

SE大風(fēng)(15m/s)作用24 h后，海陽港與冷家莊之間的外海海域處于沖刷狀態(tài)，沖刷程度在0.4～2 cm/d，海陽東港區(qū)海上疏港路和冷家莊之間的岸邊附近海域受波浪和潮流的影響也處于微沖刷狀態(tài)，沖刷程度小于0.4 cm/d；疏港路東側(cè)部分區(qū)域處于輕微的淤積狀態(tài)。海陽港二期西南角附近海域和海陽東港區(qū)海上疏港路附近海域沖刷較強(qiáng)，沖刷程度局部分別大于5.0 cm/d和3.0 cm/d。

方案1建設(shè)后，SE大風(fēng)(15 m/s)作用24 h后，漁港的建成僅對(duì)其附近海區(qū)沖淤狀況改變較大。沖刷加強(qiáng)的區(qū)域?yàn)閿M建碼頭和岸線之間的水道、東西防波堤之間的航道，沖刷程度最大增加量分別約為0.8 cm/d和0.7 cm/d。工程西側(cè)疏港路橋梁下的水道沖刷強(qiáng)度約3.0 cm/d，比工程前減小約2.0 cm/d。淤積加強(qiáng)的區(qū)域多集中在疏港路的西側(cè)，擬建工程的東側(cè)和南側(cè)以及工程的港池區(qū)域，淤積強(qiáng)度增加范圍為0～0.15 cm/d。擬建西防波堤和海上疏港路之間的夾角處也處于淤積的狀態(tài)，淤積程度約為0.4 cm/d。漁港的建設(shè)對(duì)其余海區(qū)的影響較小，僅在海上疏港路西側(cè)小面積區(qū)域淤積增強(qiáng)，增加幅度約0.4 cm/d。

方案2建設(shè)后，SE大風(fēng)(15 m/s)作用24 h后，漁港的建成只對(duì)其附近海區(qū)沖淤狀況改變較大。沖刷加強(qiáng)的區(qū)域?yàn)閿M建碼頭和岸線之間的水道、防波堤及海上疏港路之間的航道，沖刷程度最大增加量分別約為1.2 cm/d和0.6 cm/d。工程西側(cè)疏港路橋梁下的水道沖刷強(qiáng)度約為2.5 cm/d，比工程前減小約為2.5 cm/d。淤積加強(qiáng)的區(qū)域多集中在疏港路的西側(cè)，擬建工程的東側(cè)和南側(cè)以及工程的港池區(qū)域，淤積強(qiáng)度增加范圍為0～0.21 cm/d。

圖7 模擬SE大風(fēng)沖淤圖Fig.7 The erosion-deposition simulated under big SE wind

5 結(jié) 論

1)海陽中心漁港建設(shè)只對(duì)附近海域流場(chǎng)影響較大，導(dǎo)致局部流場(chǎng)發(fā)生改變。方案1以及方案2建設(shè)后在引堤透空段的水動(dòng)力條件均增強(qiáng)。方案1建設(shè)后漲、落潮流速增加分別為13～15 cm/s和14～15 cm/s，方案2建設(shè)后漲、落潮流速增加分別為14～15 cm/s和9～15 cm/s。方案1與方案2建設(shè)后漁港航道水流流向均發(fā)生了改變，漲急時(shí)由E-W向變?yōu)镾-N向，落急時(shí)由W-E向變?yōu)镹-S向。除了港池航道處水動(dòng)力改變差別較大外，方案1與方案2水動(dòng)力改變差別不大。

2)在靜風(fēng)條件和SE大風(fēng)條件下，方案1建設(shè)后，西防波堤和海陽港東港區(qū)海上疏港路工程之間的夾角均處于淤積狀態(tài)，由于淤積程度較小，不會(huì)影響通航；方案2建設(shè)后，防波堤和疏港路之間的航道均處于沖刷狀態(tài)。因此，在其他海域沖淤情況差別不大的基礎(chǔ)上，采用方案1利于海陽港東港區(qū)海上疏港路的穩(wěn)定，方案1優(yōu)于方案2。

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NumericalSimulationandPredictionofErosion-DepositionCausedbytheConstructionoftheHaiyangCentralFishingHarbor

WUYuan-yuan,LOUAn-Gang,ZHANGKun,FANGXue-yuan

(Environmentalscienceandengineeringcollege，OceanUniversityofChina，Qingdao 266100，China)

The tidal currents in the waters before and after the construction of the Haiyang Central Fishing Harbor are numerically simulated by using the MIKE21 two-dimensional hydrodynamic model.On the basis of correct verification of the tidal current simulation,a model for predicting the erosion-deposition on the sea bed is built up,by which the annual erosion-deposition trend under a calm wind is predicted for the waters before and after the harbor construction.By using the MIKE21 Coupled Model FM，the erosion and deposition under the extreme weather (SE wind: 15m/s) and the co-action of wave and current are simulated.Based on the results,optimal plans are suggested,thus providing references for the planning and designing of the Haiyang Central Fishing Harbor.

MIKE21； Haiyang Central Fishing Harbor； numerical simulation； erosion-deposition model

2013-09-25

“山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)”建設(shè)的海洋空間布局優(yōu)化技術(shù)體系及決策服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用示范——“藍(lán)色”建設(shè)的海洋空間布局優(yōu)化對(duì)策研究(201205001-4)

吳園園(1991-)，女，碩士研究生，主要從事海洋水動(dòng)力數(shù)值模擬及泥沙數(shù)值模擬方面研究.E-mail:wyuanyuan91@163.com(杜素蘭 編輯)

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1002-3682(2014)01-0001-11