解鳴曉，李醒，李文丹，李鑫

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)工程研究所，北京 100141）

0 引言

作為我國水產(chǎn)行業(yè)的重要節(jié)點(diǎn)，漁港建設(shè)對漁業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到至關(guān)重要的作用，亦是振興漁村及周邊城市經(jīng)濟(jì)的重要樞紐。由于漁船噸級及船舶尺度較小，抵抗波浪和橫流能力較弱，對泊穩(wěn)和通航安全的要求較高，因此多布置在避風(fēng)條件較佳、水域較平靜的海區(qū)。在島群海域的避風(fēng)側(cè)建設(shè)漁港，島嶼可有效阻擋外海傳入的風(fēng)浪，泊穩(wěn)較佳，一般來說為較為優(yōu)良的港址。然而，多島嶼海域岸線復(fù)雜，島嶼間多存在狹窄的潮汐通道，常可形成較強(qiáng)束流，流速較高，多超過1.0 m/s，對船舶通航存在隱患。此外，漁港規(guī)模及投資均較低，港池、航道開挖后的回淤量直接影響維護(hù)成本，也是需重點(diǎn)關(guān)注的問題。

基于以上原因，以建設(shè)于典型多島嶼、強(qiáng)潮流海域的漁港為例，通過水動力泥沙分析結(jié)合平面二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型試驗的研究手段，探討此種類型海域漁港平面布置的基本原則，有關(guān)研究結(jié)論可為相關(guān)決策提供科學(xué)依據(jù)。

寧波石浦港區(qū)位于浙江中部沿海，為我國四大漁港之一，屬典型島群海域，其由東門島、對面山島、南田島、高塘島諸島圍列，由銅瓦門、東門、下灣門、林門及三門口5條水道與外海相通（見圖1）。本文以石浦港區(qū)作為典型案例開展研究。多家學(xué)者分別采用實測資料統(tǒng)計、數(shù)學(xué)模型試驗、現(xiàn)場觀測分析等技術(shù)手段，針對該港區(qū)水動力泥沙條件進(jìn)行了相關(guān)研究，提供了有益參考[1-5]。

圖1 工程區(qū)位與水文測站位置示意圖Fig.1 Location map of the project and hydrological station

1 自然條件

1.1 風(fēng)況

該區(qū)風(fēng)向呈季節(jié)性變化。據(jù)石浦當(dāng)?shù)貧庀笳径嗄觑L(fēng)資料統(tǒng)計，春夏季盛行SW向風(fēng)，夏末至秋冬盛行偏N向風(fēng)，常風(fēng)向為SW和N向，頻率分別為17%、16%，年平均風(fēng)速為5.4 m/s，強(qiáng)風(fēng)向為NE向，年最大風(fēng)速可達(dá)40 m/s（ENE）。

1.2 波浪

石浦港水域缺乏有效的長期波浪觀測資料，采用南側(cè)約80 km處的大陳島海洋站資料進(jìn)行統(tǒng)計分析。全年常浪向主要為ENE～SE向及N、NNE向，波高主要集中在0.6～2.5 m。強(qiáng)浪向為E向，最大波高為9.1～9.5 m，次強(qiáng)浪向為ENE向和N向。港內(nèi)波浪主要是風(fēng)成浪，波高一般小于0.8 m，臺風(fēng)過境時，最大波高在1.5 m左右。

1.3 潮流

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計[3]（水文泥沙測站位置見圖1），潮汐性質(zhì)屬正規(guī)半日潮，平均潮差在3.00 m以上，最大潮差可達(dá)6.08 m；東西向水道潮段流速均在0.50 m/s以上，最大在1.14 m/s以上，銅瓦門，東門水道內(nèi)段落潮最大流速分別可達(dá)1.20 m/s、0.92 m/s，下灣門水道內(nèi)段漲落潮最大流速可達(dá)1.29 m/s，漲落潮流向基本為方向相反的往復(fù)流，與岸線或水道深泓線基本一致。

1.4 泥沙環(huán)境

工程海域含沙量隨潮差變化。大潮漲落潮平均含沙量分別為0.286 kg/m3、0.261 kg/m3，口門外漲落潮含沙量分別為0.154 kg/m3，0.233 kg/m3，小潮平均含沙量為大潮的1/3～1/4；懸沙中值粒徑為0.008 2 mm，主要為黏土質(zhì)粉砂、粉砂，其中粉砂物質(zhì)主要在垂線流速較大的地方出現(xiàn)。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 計算理論

潮流數(shù)學(xué)模型建立采用Mike21軟件包的FM水動力模塊[6]，其理論基于平面二維淺水方程組，控制方程基本形式見式（1）~式（3）。

式中：h=η+d，η和d分別為水面高度和靜水深；x和y分別為橫軸和縱軸坐標(biāo)；t為時間；g為重力加速度；u和v 分別為沿x和y方向的深度平均流速；f為科氏力系數(shù)；ρ為流體密度；ρ0為參考密度；S為點(diǎn)源流量；us與vs為點(diǎn)源流速；Tij為應(yīng)力項，包括黏性應(yīng)力、紊流應(yīng)力和對流等，根據(jù)水深平均的流速梯度計算。

模擬中計算域剖分采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，并采用大、小尺度模型嵌套手段。圖2中示意了模型計算范圍與網(wǎng)格配置情況，其中最小網(wǎng)格尺度為20 m。大尺度模型潮位邊界條件由東中國海潮波運(yùn)動模型提供，并考慮8個主要分潮（S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M2）。

圖2 計算模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division of the computational model

波浪傳播采用Mike21軟件包的SW模型進(jìn)行計算[7]，控制方程可表示為式（4）～式（7）。

式中：N為動譜密度；t為時間；x 為笛卡爾坐標(biāo)系Δ；v 為波群速度；S為能量平衡方程中的源項；為微分算子；Δs為波浪的傳播方向；θ和m為垂直于s的方向；x 為在x空間上的二維微分算子。

經(jīng)實測資料分析[3]，石浦海域床面表層底質(zhì)類型屬典型淤泥質(zhì)，從而泥沙運(yùn)動形態(tài)以懸移質(zhì)為主，推移質(zhì)輸沙甚微。因此，泥沙運(yùn)動模擬采用平面二維懸沙輸移擴(kuò)散方程[8]，形式如式（8）。床面沖淤變化方程可由式（9）表示。底部沖淤函數(shù)Fs與底部剪切應(yīng)力及泥沙特征有關(guān)，由式（10）確定。

式中：C為垂線平均含沙量；Dx，Dy分別為x，y方向的泥沙擴(kuò)散系數(shù)；Fs為泥沙沖淤函數(shù)。

式中：γd為床沙干容重；ηb為海底床面的豎向位移（即沖淤變化量）。

式中：τ為水流底部剪切應(yīng)力；τd為臨界淤積切應(yīng)力；τe為臨界起動切應(yīng)力；M為沖刷系數(shù)；ωs為泥沙絮凝沉降速度。

2.2 模型驗證

潮位、潮流及含沙量驗證依據(jù)2011年8月現(xiàn)場實測大、小潮水文測驗數(shù)據(jù)（見圖1）。為節(jié)約篇幅，僅以大潮為例給出部分結(jié)果，如圖3、圖4中所示；地形驗證采用天然條件下的岸灘演變資料，自三門口至汏網(wǎng)嶼每隔600 m布設(shè)1個驗證斷面。限于篇幅，其它驗證成果可詳見文獻(xiàn)[4]。計算值與實測值吻合良好，符合現(xiàn)行JTS/T 231-2—2010《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》要求。

圖3 大潮V1流速流向驗證Fig.3 Verification of the flow velocity and direction of the tide V1

3 漁港選址及方案布置原則

對港區(qū)選址而言，應(yīng)根據(jù)港口功能綜合考慮當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，包括水深、波浪、潮流、泥沙等環(huán)境，合理地選擇建港位置。在平面布置選取時，更應(yīng)兼顧結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并盡可能節(jié)省投資、減少建港后的港口維護(hù)費(fèi)用。分別采用自然條件分析及數(shù)學(xué)模型試驗手段，以石浦港區(qū)為例，全面探討島群強(qiáng)潮流海域的漁港方案布置原則。在方案分析中，采用400 Hp級漁船為例，即港池底標(biāo)高-6.3 m。

3.1 建港條件分析

3.1.1 天然水深分析

在港口建設(shè)時，應(yīng)盡量避免開挖，充分利用天然水深。圖5中示意了石浦海域的水下地形圖，由圖可見，除部分淺灘外，灣內(nèi)水深一般均超過10 m；幾個通?？陂T處水深條件較佳，其中銅瓦門水道水深10～42 m，東門水道水深4～56 m，下灣門水道深泓線水深可達(dá)19～60 m。總體來說，該海域自然水深良好，具備建設(shè)400 Hp級漁港的水深條件。

圖5 石浦海域水下地形示意圖Fig.5 Sketch of the underwater topography of the Shipu sea area

分別選擇A、B、C、D 4個不同區(qū)域作為擬建碼頭位置分別進(jìn)行研究，其中A為石浦港灣內(nèi)，B為東門水道，C為下灣門，D為銅瓦門及東門間水道。由于A區(qū)近岸多有淺灘，選擇此處建設(shè)400 Hp級碼頭，需進(jìn)行局部開挖，同時B區(qū)、C區(qū)口門附近伴有島、礁等地形，如在此區(qū)域建設(shè)港址，需要局部炸礁。因此，從節(jié)省工程量角度，宜考慮D區(qū)。

3.1.2 波浪環(huán)境分析

多個島嶼在灣口形成天然屏障，對灣內(nèi)水體形成了明顯的掩護(hù)，灣內(nèi)波浪多為外海涌浪繞射產(chǎn)生，因此研究區(qū)域內(nèi)主要以小風(fēng)區(qū)所產(chǎn)生的風(fēng)成浪為主，風(fēng)區(qū)長度成為主要的影響因素。而灣內(nèi)（A區(qū)）及東門水道（B區(qū)）風(fēng)區(qū)較長，易在風(fēng)驅(qū)動下產(chǎn)生較大的波浪；通過對比，下灣門及東門島西側(cè)（C區(qū)、D區(qū)）完全處于島嶼的掩護(hù)區(qū)，且風(fēng)區(qū)長度較短，更利于船舶作業(yè)安全。

3.1.3 潮流環(huán)境分析

圖6中示意了數(shù)值模擬所得的大潮漲、落急流場矢量圖及流速等值線。根據(jù)潮流計算結(jié)果，該海域潮流運(yùn)動具有如下特征：

1）漲潮時外海潮波分別由銅瓦門、東門和下灣門流入并在灣內(nèi)匯集并經(jīng)由三門口流出，灣內(nèi)各處水流平順，基本與岸線平行作往復(fù)運(yùn)動，各處流態(tài)差異不大；落潮與漲潮時流路基本一致，方向相反，但在三門附近受地形影響流態(tài)略為復(fù)雜。

2） 海域附近潮流較強(qiáng)，各處漲急時流速較大，多處流速超過1.0 m/s，在各口門由于潮流通道迅速收縮，最大流速可達(dá)2.0 m/s。

3）近岸由于島嶼眾多，岸線復(fù)雜，外海潮流運(yùn)動至近岸時，受到島礁影響，出現(xiàn)挑流與回流，流態(tài)較為復(fù)雜，流速變化也比較明顯，島嶼間的潮流通道內(nèi)基本為雙向流。

圖6 大潮流態(tài)平面分布情況Fig.6 Planedistribution of the flow state of thetide

3.1.4 泥沙環(huán)境分析

據(jù)實測資料統(tǒng)計，該海域大潮漲落潮平均含沙量為0.254 kg/m3，0.265 kg/m3，水體含沙量相對較高，泥沙主要受到強(qiáng)潮流搬運(yùn)作用。根據(jù)研究成果[1，4]，在石浦港區(qū)現(xiàn)有漁港中，挖槽后淤積問題相對較重。因此，在港區(qū)選址中，應(yīng)盡可能避免挖槽，或盡可能避免造成港區(qū)處動力環(huán)境的減弱。

綜合以上對自然水深、波浪及潮流的相關(guān)分析，灣內(nèi)（A區(qū)）如建設(shè)3 000 t級碼頭需開挖，可能引起一定淤積，且風(fēng)區(qū)較長，對泊穩(wěn)不利；東門（B區(qū)）較為開敞，外海波浪可傳入對泊穩(wěn)不利；東門島西側(cè)（D區(qū)）與下灣門（C區(qū)）水深較佳，且波浪直接可受島嶼阻擋，泊穩(wěn)條件應(yīng)較佳，且潮流條件類似，均具備一定的建港條件。然而，考慮到下灣門（C區(qū)）水深較大，對于小規(guī)模的港口建設(shè)造價較高，同時口門處也存在明礁及暗礁，會對船舶航行有一定的影響。綜上所述，東門島西側(cè)（D區(qū)）為最優(yōu)建港位置。

3.2 方案平面布置原則

通過對自然條件的綜合分析，初步選取了較為適宜的港址。以D區(qū)港址為例，進(jìn)一步探討港區(qū)方案的平面布置形式。

目前，海港建設(shè)中廣泛采用的平面形式可分為環(huán)抱式和開敞式，而開敞式碼頭又可分為重力式和高樁式。

1）環(huán)抱式布置多用于港內(nèi)掩護(hù)較差的條件，通過修建防波堤構(gòu)成局部口門，可抵御外海波浪，保證港內(nèi)正常作業(yè)。實際上，對D區(qū)港址而言，由于島嶼的天然屏障作用，港內(nèi)波高本極小，進(jìn)一步掩護(hù)略顯多余。此外，如采用環(huán)抱式布置方案，其防波堤軸線位置較難選擇，特別是在堤頭挑流作用下，如進(jìn)港航道軸線與潮流主軸垂直，則易造成接近1.0 m/s的較強(qiáng)橫流，且在口門內(nèi)形成回流，造成集中淤積。因此，碼頭平面布置宜采用開敞式。

2） 考慮到島群海域潮流主軸與岸線基本平行，碼頭軸線及航道選線宜采用順岸走向，可保證碼頭前緣流態(tài)平順，此外亦可降低進(jìn)港航道的橫流。

3） 在碼頭結(jié)構(gòu)選取上，存在重力式及高樁式。其中重力式碼頭優(yōu)點(diǎn)為橫流低，無離岸開流，對船舶靠泊有利，但整體造價高。高樁式碼頭由于可透水，可能存在一定開、攏流問題，但由于該區(qū)水流平順，如其軸線設(shè)計合理，造成的開、攏流應(yīng)較低，且其整體造價較低。對石浦港區(qū)而言，由于地基為軟基，采用重力式造價不菲，從而推薦選取高樁形式。

綜合以上對港址、方案布置的全面分析，表1中列出了不同位置的建港條件及推薦布置形式。

表1 擬建港位置建港條件分析Table 1 Locations of the proposed ports and the condition analysison theports

3.3 方案特征參數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)上節(jié)中對漁港選址、方案布置原則的探討，圖7中據(jù)其思路設(shè)計了一個漁港方案，其中港區(qū)選址在D區(qū)，碼頭采用順岸高樁式，航道及碼頭前沿軸線選取與潮流主軸平行，碼頭與岸側(cè)以引橋連接，碼頭長度為200 m，航道及港池疏浚底高程為理論基面-6.3 m。

圖7 擬建工程布置示意圖（等深線為理論最低潮面）Fig.7 Sketch of the proposed project layout（the isobath is the abstractly lowest water level）

分別采用波浪、潮流和泥沙運(yùn)動數(shù)學(xué)模型試驗，對方案建成后的主要特征參數(shù)進(jìn)行研究，經(jīng)分析得到以下主要結(jié)論：

1）由于高樁碼頭下部為透水結(jié)構(gòu)，工程建設(shè)后僅會對局部流場產(chǎn)生影響，大范圍內(nèi)仍保持工程前流態(tài)，但受樁基阻力的影響，局部流速略有降低，由于天然水深條件滿足要求，不存在航道人工開挖維護(hù)，僅由于樁基阻流在碼頭前緣局部造成淤積，經(jīng)計算年淤強(qiáng)約為0.4 m/a，通過正常維護(hù)疏浚即可解決，不會大幅度增加維護(hù)費(fèi)用。

2）由于碼頭及航道軸線均與潮流主軸平行，從而航道最大橫流僅為0.2 m/s，最大碼頭前緣開流在0.10 m/s左右。這種橫流與開流量級均已較低，不會對船舶通航及漁船靠離泊造成影響。

3）采用美國海岸防護(hù)手冊推薦的SMB方法對小風(fēng)區(qū)波浪進(jìn)行計算[9-10]，取風(fēng)區(qū)長度為650 m，計算等級為6級風(fēng)，取最大風(fēng)速13.8 m/s，計算結(jié)果為H13%=0.30 m、Ts=1.9 s，在5級風(fēng)作用下，取最大風(fēng)速10.7 m/s，H13%=0.22 m、Ts=1.7 s。根據(jù)SC/T 9010—2000《漁港總體設(shè)計規(guī)范》8.6.8中規(guī)定，可滿足作業(yè)條件。

根據(jù)以上模擬成果，基于本文中提出的原則，所設(shè)計的概念方案無論在波浪、潮流還是泥沙淤積方面均較佳，進(jìn)一步證實了所提出漁港建設(shè)原則的合理性。

4 結(jié)語

本文全面評價及探索多島嶼、強(qiáng)流速海域中漁港建設(shè)中的水動力泥沙問題，并提出優(yōu)化漁港布置的相應(yīng)原則，為漁港建設(shè)提供技術(shù)依據(jù)。經(jīng)歸納總結(jié)，在多島嶼、強(qiáng)流速海域建設(shè)漁港工程時，建議采用以下主要原則：

1）由于漁船噸位較小，抵抗波浪能力弱，從而宜充分利用當(dāng)?shù)氐膷u嶼條件，將其作為天然的波浪防護(hù)屏障，減少波浪對工程區(qū)域的直接作用。

2）漁港工程投資額一般較小，航道港池設(shè)計宜利用天然水深，盡量避免或減少人工開挖，規(guī)避淺灘開挖導(dǎo)致的回淤，以達(dá)到降低維護(hù)疏浚費(fèi)用的目的。

3）島群海域潮流運(yùn)動受岸線歸束，多為往復(fù)形式。航道及碼頭前沿線的選取宜與潮流主軸平行，以規(guī)避較強(qiáng)的航道橫流及泊位處開、攏流的影響。

4）在口門布置上，應(yīng)盡量避免雙環(huán)抱結(jié)構(gòu)布置形式，而宜采用開敞式結(jié)構(gòu)。

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