孫 波，孫林云，韓 信，劉建軍，肖立敏

(1. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2. 河海大學(xué) 港口航道及近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；3. 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

渤海灣南港工業(yè)區(qū)港池航道回淤研究

孫 波1,2，孫林云1,3，韓 信1,3，劉建軍1,3，肖立敏1,3

(1. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2. 河海大學(xué) 港口航道及近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；3. 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

天津南港工業(yè)區(qū)位于渤海灣典型的淤泥質(zhì)海岸，其港區(qū)為環(huán)抱式有掩護(hù)的平面布局，規(guī)劃建設(shè)10萬(wàn)噸級(jí)航道。為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)港池航道的泥沙回淤狀況，采用雙向嵌套網(wǎng)格建立波浪潮流共同作用下的泥沙運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，考慮波浪輻射應(yīng)力作用，以及波浪引起的紊動(dòng)和波浪增強(qiáng)海床底部切應(yīng)力對(duì)懸沙輸移的影響。模型選取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)大潮作為代表潮，以工程海域附近測(cè)波資料的能量加權(quán)平均結(jié)果作為代表波，對(duì)鄰近的天津港15萬(wàn)噸級(jí)航道年均回淤進(jìn)行了驗(yàn)證，確定數(shù)學(xué)模型中相關(guān)泥沙運(yùn)動(dòng)與底床沖淤的計(jì)算參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)了南港工業(yè)區(qū)規(guī)劃的港池航道總的年均回淤量，與天津港主航道資料類(lèi)比，計(jì)算的南港工業(yè)區(qū)港區(qū)10萬(wàn)噸級(jí)航道泥沙回淤分布與淤積總量是合理的。

波流共同作用；懸沙輸移；航道回淤；南港工業(yè)區(qū)

新建港口的港池航道泥沙淤積量及其分布，直接用于評(píng)估港口基建投資和運(yùn)行維護(hù)成本，是港口規(guī)劃設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。南港工業(yè)區(qū)位于渤海灣西岸，鄰近天津港主港區(qū)和黃驊港，此兩個(gè)港口在其建設(shè)歷程中均受到過(guò)泥沙淤積量大的困擾[1-2]。文獻(xiàn)[3]通過(guò)對(duì)海床底質(zhì)進(jìn)行分析，認(rèn)為南港工業(yè)區(qū)與天津港主港區(qū)泥沙性質(zhì)一致，屬于淤泥質(zhì)海岸，不同于歸類(lèi)于粉沙質(zhì)海岸的黃驊港。

對(duì)于港池航道泥沙回淤的研究方法或技術(shù)手段有：經(jīng)驗(yàn)分析、數(shù)值模型和物理模型。經(jīng)驗(yàn)分析法多應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)或半理論半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，可對(duì)規(guī)劃的海岸港口航道工程泥沙淤積進(jìn)行快速估算，也可依據(jù)已建航道的疏浚資料對(duì)航道工程的改擴(kuò)建方案泥沙回淤給予預(yù)測(cè)。回淤分析方法的計(jì)算關(guān)系式中一般包含經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，且采用特定資料率定的參數(shù)不一定適用于其它海域。在對(duì)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)的逐步認(rèn)知和工程案例的積累下，經(jīng)驗(yàn)分析法仍在發(fā)展中，在實(shí)際工程中依然得到大量應(yīng)用[4-5]。

經(jīng)驗(yàn)分析方法的物理概念大多建立在簡(jiǎn)單概化的航道與潮流(或包括波浪作用)在一定交角下部分泥沙落淤，針對(duì)受防波堤或其它水工建筑物影響下的復(fù)雜水流流態(tài)或波浪動(dòng)力場(chǎng)，其適用性受到限制。根據(jù)泥沙運(yùn)動(dòng)特性和實(shí)測(cè)資料佐證[5-7]，航道內(nèi)淤積較為嚴(yán)重區(qū)域大多位于潮流及波浪運(yùn)動(dòng)復(fù)雜的港區(qū)口門(mén)附近，故對(duì)具體工程的精細(xì)模擬與預(yù)測(cè)，往往需要運(yùn)用精度更高的數(shù)值模型方法或物理模型試驗(yàn)。

南港工業(yè)區(qū)在獨(dú)流減河口開(kāi)挖港池航道，其航道等級(jí)為10萬(wàn)噸級(jí)，有效寬度300 m，底標(biāo)高-15.0 m(當(dāng)?shù)乩碚摶妫挛闹懈叱叹鶠榇嘶?，航道長(zhǎng)度46 km。通過(guò)建立波浪和潮流共同作用下的懸沙運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)鄰近海域的天津港主航道泥沙回淤資料進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上計(jì)算南港工業(yè)區(qū)新建10萬(wàn)噸級(jí)航道的年均泥沙回淤分布。

1 天津南港工業(yè)區(qū)概況

天津南港工業(yè)區(qū)位于渤海灣西岸的獨(dú)流減河口海域，見(jiàn)圖1所示。沿岸距離約30 km的塘沽海洋站長(zhǎng)期潮位觀測(cè)資料顯示，該海域潮汐類(lèi)型屬不規(guī)則半日潮，日潮不等現(xiàn)象明顯。多年平均潮差為2.43 m，平均海平面為2.56 m，歷史最高潮位5.87 m，發(fā)生在9211臺(tái)風(fēng)期間。南港工業(yè)區(qū)海域潮流漲落方向較為集中，基本呈現(xiàn)垂直于岸線的往復(fù)流；近岸或建筑物附近，局部流向受約束會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

在獨(dú)流減河口東南方向約30 km的7#平臺(tái)在海圖5 m等深線附近，具有1973-1984年的波浪觀測(cè)資料，其多年平均波浪玫瑰圖見(jiàn)圖2所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，7#平臺(tái)以周期較小的風(fēng)生浪為主，常浪向?yàn)镋NE和E，NE～E～SE方向范圍年頻率為40.71%；強(qiáng)浪向?yàn)镹E，次強(qiáng)浪向?yàn)镋。

圖1 南港工業(yè)區(qū)(獨(dú)流減河口)位置Fig. 1 Location of Tianjin Nangang Industrial Zone

圖2 7#平臺(tái)實(shí)測(cè)波浪方向頻率Fig.2 Wave directions at the platform No.7

渤海灣是典型的淤泥質(zhì)海岸，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)大范圍的海床底質(zhì)采樣分析[3]，南港工業(yè)區(qū)附近海域沉積物平均中值粒徑為0.007 mm左右，粒徑隨水深變化的幅度較小，總體上含泥量大約在30%～40%之間。中值粒徑小于0.03 mm且黏土含量占25%以上，在海岸港口工程研究中一般歸于淤泥質(zhì)海岸。渤海灣海床底坡平緩，一般為1/2 000～1/3 000，潮間帶寬闊，其典型的“波浪掀沙，潮流輸沙”泥沙輸運(yùn)方式，易形成港池航道等人工開(kāi)挖區(qū)的回淤。

2 波流共同作用的懸沙輸移數(shù)學(xué)模型

2.1波流共同作用

波流共同作用的模擬基于波浪輻射應(yīng)力理論[9-10]，并將波浪輻射應(yīng)力項(xiàng)加入水流運(yùn)動(dòng)方程。數(shù)學(xué)模型采用Delft3D系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，考慮波浪輻射應(yīng)力項(xiàng)，其描述靜壓假定下的平面二維不可壓縮淺水流動(dòng)方程如下：

式中：ζ為基面水位，η為基面水深，h=ζ+η為總的水深，u、v分別是x、y方向上的水深平均的流速分量，υH為水平渦黏系數(shù)，C為謝才系數(shù)，柯氏力系數(shù)f=2ωsinφ，其中ω為旋轉(zhuǎn)角速度，φ為緯度。

Fx和Fy分別為x、y方向上水深平均的波浪力。波浪計(jì)算采用第三代波譜模型SWAN，考慮波浪傳播過(guò)程中的淺水變形和折射、底床摩擦和水深變化產(chǎn)生的波浪破碎等能量耗散，并在計(jì)算中引入潮流模型的潮位和流場(chǎng)成果[11-12]。波浪力表述為輻射應(yīng)力Sij的梯度，即：

2.2懸沙輸運(yùn)與海床沖淤變形

針對(duì)泥沙中值粒徑小于0.01 mm的渤海灣淤泥質(zhì)海岸，在計(jì)算中泥沙將以懸移質(zhì)輸移，其懸沙輸運(yùn)(含沙量)滿足以下方程：

式中：c為水深平均的含沙量，ce為水流挾沙力，u和v分別為水深平均的水流流速分量，ws為泥沙沉速，εs,x和εs,y分別為泥沙在不同方向的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，對(duì)于二維模型兩者取同一值。波浪對(duì)懸沙運(yùn)動(dòng)的影響，通過(guò)波浪引起的紊動(dòng)和波浪增強(qiáng)海床底部切應(yīng)力來(lái)體現(xiàn)[13]。

在每個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)內(nèi)的沖淤變化可實(shí)時(shí)更新地形，水流和波浪的計(jì)算亦能根據(jù)實(shí)時(shí)地形自行調(diào)整。其中泥沙沖淤帶來(lái)的地形變化表述為下式：

式中:D和E分別為泥沙淤積量與沖刷量，m為沖刷系數(shù)，τcw、τcr,e和τcr,d分別為波流共同作用的底部切應(yīng)力和判斷沖刷、淤積的臨界切應(yīng)力，fmor為地貌加速因子(morphological acceleration factor)[13]。τcr,e、τcr,d和fmor皆為用戶輸入?yún)?shù)，也是模型驗(yàn)證參數(shù)。τcw>τcr,e表明底床沖刷，τcw<τcr,d為淤積，τcr,d<τcw<τcr,e則為不沖不淤狀態(tài)。

2.3南港工業(yè)區(qū)模型研究范圍

模型采用矩形多重網(wǎng)格雙向嵌套技術(shù)構(gòu)建，范圍覆蓋整個(gè)渤海灣，由外海、天津港(圖1中A)和南港(圖1中B)三部分無(wú)縫連接組成。為反映航道與港區(qū)平面布置尺度，A和B區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格由外海最小尺度250 m加密至25 m。模型以渤海灣口南北兩端潮位過(guò)程作為外海邊界條件，外海通過(guò)與A、B的重疊網(wǎng)格向兩個(gè)局部計(jì)算域傳遞邊界條件，同時(shí)接受局部計(jì)算域的迭代結(jié)果。三個(gè)計(jì)算域采用相同的初始條件，同時(shí)進(jìn)行迭代計(jì)算，在重疊邊界上交換數(shù)據(jù)，達(dá)到雙向嵌套反饋的數(shù)據(jù)傳遞效果。

3 南港工業(yè)區(qū)泥沙數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

數(shù)學(xué)模型建立后，外海邊界采用潮位過(guò)程作為控制條件，以南港工業(yè)區(qū)海域2011年6月實(shí)測(cè)潮位潮流資料作為驗(yàn)證目標(biāo)。通過(guò)調(diào)整模型邊界的波浪輸入條件，使7#平臺(tái)的波要素計(jì)算值與實(shí)測(cè)波浪資料統(tǒng)計(jì)的結(jié)果相符，由此得到代表波浪場(chǎng)。按照以上代表性潮位、潮流和波浪動(dòng)力，以天津港15萬(wàn)噸級(jí)航道的年均回淤分布作為泥沙沖淤的驗(yàn)證目標(biāo)。

3.1潮汐潮流驗(yàn)證

2011年6月在南港工業(yè)區(qū)(獨(dú)流減河口)附近海域進(jìn)行了大小潮9點(diǎn)全潮水文測(cè)驗(yàn)，圖3中為大潮與潮流點(diǎn)矢量。其時(shí)，南港工業(yè)區(qū)外圍堤和獨(dú)流減河口左岸北防波堤均已形成，渤海灣北部的天津?yàn)I海旅游區(qū)一期工程、天津港東疆港區(qū)、天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)等均為圖中所示圍填海輪廓。天津港口門(mén)延伸至16+000，航道等級(jí)為25萬(wàn)噸級(jí)，寬度315 m，底高程-19.5 m，臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)航道為10萬(wàn)噸級(jí)，寬度270 m，底高程-15 m，航道邊坡均為1∶5。在南港工業(yè)區(qū)10萬(wàn)噸級(jí)航道泥沙回淤計(jì)算中，岸線與地形將依照圍填海形成后的布局。

文獻(xiàn)[3]中對(duì)3個(gè)潮位站大、小潮潮位和各測(cè)點(diǎn)流速進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)調(diào)試模型相關(guān)參數(shù)，復(fù)演的現(xiàn)場(chǎng)潮位過(guò)程、流速流向精度滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》(JTST 231-2-2010)要求，模型能反映工程區(qū)潮流動(dòng)力特性。其中驗(yàn)證參數(shù)，海床曼寧糙率系數(shù)為0.018，水平渦黏系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)分別取50 m2/s和10 m2/s。在對(duì)航道泥沙年均回淤的模擬中，選取實(shí)測(cè)大潮過(guò)程作為代表潮，經(jīng)驗(yàn)證的大潮邊界條件和模型參數(shù)亦作為年均泥沙模擬中的輸入條件。需要說(shuō)明是，天津港15萬(wàn)噸級(jí)航道于2003年形成，彼時(shí)渤海灣內(nèi)尚未實(shí)施大規(guī)模的圍填海工程，所對(duì)應(yīng)的海岸岸線如圖1中情形，泥沙模型驗(yàn)證亦依照該岸線形態(tài)。

3.2代表波波浪場(chǎng)

在模擬一定時(shí)段(如數(shù)月、一年、多年等)的海床沖淤過(guò)程中，必須對(duì)時(shí)空分布隨機(jī)的波浪條件進(jìn)行概化?？紤]波浪作用下的泥沙運(yùn)動(dòng)，較小波浪因其能量較弱，往往對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)影響甚微，一般采用波浪能量加權(quán)的方法來(lái)統(tǒng)計(jì)代表波要素更為合理，文獻(xiàn)[14]中代表均方根波高表述如下：

式中：n為波能與波高的次方關(guān)系系數(shù)，一般取為2～3。能量加權(quán)的代表波要素統(tǒng)計(jì)方法已列入我國(guó)《海港水文規(guī)范》，即波能與波高成平方關(guān)系，代表波高、波向和周期的計(jì)算公式分別如下[15]：

式中:Hi,θi,Ti為各統(tǒng)計(jì)波級(jí)的波高、波向和周期，Pi為對(duì)應(yīng)頻率。其中代表周期也可以通過(guò)當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)波高與周期的相關(guān)關(guān)系來(lái)求得。

圖3 南港工業(yè)區(qū)實(shí)測(cè)大潮與潮流資料Fig. 3 Measured tide and velocity data

圖4 渤海灣計(jì)算代表波波高與波向Fig. 4 Representative wave heights and directions in Bohai Bay

為了在泥沙運(yùn)動(dòng)的模擬中提高計(jì)算效率，選取7#平臺(tái)大于0.5 m波浪的統(tǒng)計(jì)波要素作為模型代表波浪動(dòng)力條件，所得結(jié)果為7#平臺(tái)處的代表波高H1/10為1.13 m，周期3.7 s，年出現(xiàn)頻率為33.52%，代表波方向?yàn)镋NE。圖4為渤海灣圍填海工程未實(shí)施前(天津港15萬(wàn)噸級(jí)航道時(shí)期)的代表波浪場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。模型中邊界輸入ENE方向波高為1.42 m，防波堤取反射系數(shù)0.3，底摩擦系數(shù)為0.01。代表波浪場(chǎng)中較大的0.8 m以上波浪主要出現(xiàn)在獨(dú)流減河口及其以南海域，天津港以北則波高小于0.5 m。

3.3代表動(dòng)力條件下含沙量場(chǎng)

傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)水文觀測(cè)取樣含沙量分析，由于受天氣和海況的限制，只能獲取波浪較小情況下的水體含沙量，故一般水文測(cè)驗(yàn)所得含沙量較小。在進(jìn)行年均泥沙沖淤模擬中，含沙量實(shí)際為年均代表含沙量，其既包括波浪較小的情況，也包括大風(fēng)天的強(qiáng)浪情況；故年均代表含沙量難以直接從傳統(tǒng)的水文測(cè)驗(yàn)中得到，一般由經(jīng)驗(yàn)分析或根據(jù)泥沙回淤狀況估算。

圖5 代表動(dòng)力條件下平均含沙量分布Fig. 5 Tide-averaged sediment concentration with representative hydrodynamic conditions

文中以代表潮和代表波作為數(shù)學(xué)模型的輸入動(dòng)力條件，泥沙粒徑按細(xì)顆粒黏性泥沙的絮凝粒徑0.03 mm考慮，其計(jì)算所得的全潮平均含沙量分布即為對(duì)應(yīng)的工程海域代表性含沙量場(chǎng)，見(jiàn)圖5所示。從工程海域水體含沙量的分布看，近岸淺水區(qū)域由于波浪對(duì)底床作用更為明顯，沿岸含沙量較大，且隨水深加大而顯著降低，這一定性特征符合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和經(jīng)驗(yàn)分析結(jié)果。

文獻(xiàn)[16]中不同時(shí)期天津港口門(mén)含沙量分析結(jié)果表明，港區(qū)口門(mén)位于8+800時(shí)年均含沙量為0.25～0.3 kg/m3。從圖5中可見(jiàn)，模型計(jì)算所得的天津港口門(mén)含沙量為0.3 kg/m3左右，大致符合以往分析成果。對(duì)應(yīng)于代表水動(dòng)力，大于0.3 kg/m3含沙量的范圍在天津港以南海域分布較廣，這與代表波浪場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)。本項(xiàng)研究以獨(dú)流減河口海域的泥沙運(yùn)動(dòng)為主要矛盾，故代表動(dòng)力及其反映的含沙量分布也以該海域?yàn)橹鳌?/p>

3.4航道回淤驗(yàn)證

天津港5萬(wàn)噸級(jí)航道于1997年底建成，全長(zhǎng)30 km，航道底寬180 m，底標(biāo)高程-12 m。2003年天津港完成了15萬(wàn)噸級(jí)航道工程，港區(qū)口門(mén)位于8+800，航道全長(zhǎng)為35 km，底寬為234 m，底標(biāo)高程-15 m。根據(jù)航道實(shí)測(cè)和疏浚資料分析[6,16]的天津港5萬(wàn)和15萬(wàn)噸級(jí)航道年均回淤分布見(jiàn)圖6所示。航道沿程的淤積峰值在口門(mén)外2 km范圍內(nèi)，向外海沿程減小，至航道20 km后基本沒(méi)有淤積。5萬(wàn)噸級(jí)航道最大回淤?gòu)?qiáng)度為2.12 m，15萬(wàn)噸級(jí)航道為2.43 m，均出現(xiàn)在10+000附近。

天津港5萬(wàn)噸和15萬(wàn)噸級(jí)航道淤積峰值相差不大，沿程分布特征基本相同；考慮到本次研究對(duì)象為南港工業(yè)區(qū)10萬(wàn)噸級(jí)航道，其設(shè)計(jì)低標(biāo)高與天津港15萬(wàn)噸級(jí)航道相同，故在數(shù)學(xué)模型中以天津港15萬(wàn)噸級(jí)航道的回淤資料來(lái)率定相關(guān)計(jì)算參數(shù)。

圖6中短虛線為數(shù)學(xué)模型計(jì)算的天津港15萬(wàn)噸級(jí)航道沿程年均回淤分布。與文獻(xiàn)資料比較，回淤峰值較為吻合，外航道的淤積曲線基本符合沿程變化特征，計(jì)算的航道淤積末端稍遠(yuǎn)。與分析資料對(duì)比，計(jì)算的內(nèi)航道沿程淤積結(jié)果低估，計(jì)算所得內(nèi)航道淤積相對(duì)集中于口門(mén)內(nèi)8+000附近，在5+000以里即沒(méi)有淤積。據(jù)此所得泥沙相關(guān)的驗(yàn)證參數(shù)取值為：沉速0.3 mm/s、干容重700 kg/m3、淤積臨界切應(yīng)力1 000 N/m2；沖刷臨界切應(yīng)力與水深相關(guān)，-4 m以淺水域?yàn)?.2 N/m2、以深水域隨水深增加線性增大至-20 m處為1.0 N/m2。

總體而言，數(shù)學(xué)模型計(jì)算的天津港15萬(wàn)噸級(jí)航道年均回淤分布，在淤積峰值和沿程分布上基本符合天津港實(shí)測(cè)資料的結(jié)果，模型所選取的動(dòng)力條件及泥沙運(yùn)動(dòng)相關(guān)參數(shù)，可用于預(yù)測(cè)天津南港工業(yè)區(qū)10萬(wàn)噸級(jí)航道的年均回淤情況。

圖6 天津港15萬(wàn)噸級(jí)航道年均回淤驗(yàn)證結(jié)果Fig. 6 Verification of annual waterway siltation in Port of Tianjin

4 南港工業(yè)區(qū)港池航道回淤計(jì)算

在以上代表動(dòng)力場(chǎng)和泥沙驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，開(kāi)展天津港大港港區(qū)10萬(wàn)噸級(jí)航道的回淤計(jì)算。鑒于現(xiàn)狀條件下渤海灣沿岸已有眾多大型圍填海及港口工程，在數(shù)學(xué)模型中計(jì)算海域的建筑物均按現(xiàn)狀布置。南港工業(yè)區(qū)港池航道一律采用規(guī)劃地形，即港內(nèi)通道及東西兩港池均開(kāi)挖至航道底高程-15.0 m，港區(qū)口門(mén)對(duì)應(yīng)航道里程約16+000，在航道12+500以里為規(guī)劃開(kāi)挖區(qū)，口門(mén)至港池開(kāi)挖邊線即受防波堤掩護(hù)的內(nèi)航道，波浪計(jì)算中考慮各防波堤(均為斜坡堤)的反射系數(shù)為0.3。

圖7 航道工程方案計(jì)算海域平均含沙量分布Fig. 7 Tide-averaged sediment concentrations

南港工業(yè)區(qū)航道工程方案的計(jì)算代表含沙量場(chǎng)見(jiàn)圖7所示。從含沙量分布上看，與未填海開(kāi)發(fā)相比，建筑物附近水域因波浪和潮流均有所改變，致其含沙量亦有所差別，總體上依然是淺水區(qū)含沙量相對(duì)較大。對(duì)比大港港區(qū)口門(mén)和天津港主港區(qū)口門(mén)，后者含沙量相對(duì)較大。

圖8為南港工業(yè)區(qū)航道沿程年均泥沙回淤分布。計(jì)算的港區(qū)口門(mén)處淤?gòu)?qiáng)為1.57 m，淤積峰值1.66 m位于口門(mén)內(nèi)航道的中段。圖中開(kāi)挖邊線以里的淤積強(qiáng)度屬于港池的回淤。根據(jù)年均回淤?gòu)?qiáng)度的分布，計(jì)算的外航道年均淤積量為266×104m3，口門(mén)至開(kāi)挖邊線的內(nèi)航道淤積量為171×104m3，港池開(kāi)挖區(qū)為560×104m3，預(yù)測(cè)港池航道總的年均回淤量為997×104m3。

天津港15萬(wàn)噸級(jí)航道時(shí)期[1]，外航道年均回淤量約280×104m3，港池回淤量約330×104m3，總的淤積量為610×104m3。與之相比，南港工業(yè)區(qū)泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算的外航道年均回淤量與之相當(dāng)，口門(mén)內(nèi)的淤積量為731×104m3，約為天津港港池回淤量的2.2倍。對(duì)比天津港與南港工業(yè)區(qū)的水域面積，前者口門(mén)8+800以?xún)?nèi)水域面積約10 km2，南港口門(mén)內(nèi)納潮面積約為40 km2，前者口門(mén)含沙量為0.3 kg/m3，南港口門(mén)計(jì)算年均含沙量0.15 kg/m3，即以簡(jiǎn)單的納潮回淤估算，南港工業(yè)區(qū)口門(mén)內(nèi)回淤為天津港的2倍左右。由此說(shuō)明，數(shù)學(xué)模型計(jì)算的航道和港池回淤量是合理的，可用于南港工業(yè)區(qū)港口工程的設(shè)計(jì)。

圖8 南港工業(yè)區(qū)10萬(wàn)噸級(jí)航道年均回淤計(jì)算結(jié)果Fig. 8 Prediction of annual waterway siltation in Tianjin Nangang Industrial Area

5 南港工業(yè)區(qū)港區(qū)航道驟淤問(wèn)題

驟淤現(xiàn)象是指特定條件下產(chǎn)生的泥沙快速淤積，其具有發(fā)生過(guò)程短、回淤?gòu)?qiáng)度大的特點(diǎn)，往往影響港口或航道的正常使用和造成船舶擱淺等事故。我國(guó)海岸港口航道驟淤問(wèn)題始見(jiàn)于20世紀(jì)50年代的天津港，當(dāng)時(shí)的驟淤現(xiàn)象以巨厚的浮泥形式出現(xiàn)在港池航道內(nèi)，嚴(yán)重影響船只的航行和靠泊，成為淤泥質(zhì)港口發(fā)展的嚴(yán)重制約因素。在淤泥質(zhì)海岸地區(qū)，驟淤往往與浮泥形成及運(yùn)動(dòng)緊密相關(guān)。

淤泥質(zhì)海岸的泥沙，由于顆粒較細(xì)，沉降速度較慢，在波浪和潮流動(dòng)力作用下，泥沙懸浮在水中，隨水體運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)移形態(tài)主要以懸移為主，在開(kāi)挖的航槽或港池中，淤積物初期往往呈浮泥狀態(tài)。浮泥的顆粒極細(xì)，中值粒徑小于0.005 mm，密度很小，其界限約為1.05～1.25 kg/m3，屬于非牛頓流體，浮泥多出現(xiàn)在航道和錨地等深水區(qū)[17]。

進(jìn)入航道的浮泥，其固結(jié)過(guò)程需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，在某一容重范圍內(nèi)的浮泥層并不影響船舶通航，可視為航道水深的一部分，即所謂的“適航水深”。目前，我國(guó)港口工程界認(rèn)為底質(zhì)泥沙粒徑分布較廣的粉沙質(zhì)海岸易發(fā)生驟淤，淤泥質(zhì)海岸由于泥沙粒徑分布相對(duì)單一，較少出現(xiàn)驟淤現(xiàn)象。如2003年10月10日的一場(chǎng)40年一遇大風(fēng)，天津港航道最大淤積厚度僅0.2 m，而在粉沙質(zhì)海岸的黃驊港航道最大淤積厚度為3.5 m，京唐港航道最大淤積厚度為5.1 m。通過(guò)多年的實(shí)踐證明，天津港已不存在泥沙驟淤的問(wèn)題[1]。

根據(jù)以上分析與計(jì)算，南港工業(yè)區(qū)泥沙運(yùn)動(dòng)特性總體上與天津港主港區(qū)相同，除鄰近海域波流共同作用下的懸沙輸移外，并無(wú)外來(lái)泥沙，可以認(rèn)為南港工業(yè)區(qū)港區(qū)亦無(wú)航道驟淤之虞。

6 結(jié) 語(yǔ)

海岸港口的淤積較為嚴(yán)重區(qū)域大多位于潮流及波浪運(yùn)動(dòng)復(fù)雜的港區(qū)口門(mén)附近，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)港池航道的泥沙回淤分布需借助于數(shù)模模型方法或物理模型試驗(yàn)。采用雙向嵌套網(wǎng)格建立天津南港工業(yè)區(qū)波浪潮流共同作用下的泥沙運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，選取2011年6月現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)大潮作為代表潮，以工程海域附近7#平臺(tái)波浪資料的能量加權(quán)平均結(jié)果作為代表波，以天津港15萬(wàn)噸級(jí)航道年均回淤為驗(yàn)證目標(biāo)，計(jì)算結(jié)果在淤積峰值和沿程分布上基本符合天津港實(shí)測(cè)資料。與天津港研究的年均回淤量類(lèi)比，數(shù)學(xué)模型計(jì)算的南港工業(yè)區(qū)港區(qū)10萬(wàn)噸級(jí)航道泥沙回淤分布與淤積總量是合理的。多年的實(shí)踐證明，天津港已不存在泥沙驟淤問(wèn)題；南港工業(yè)區(qū)港區(qū)泥沙運(yùn)動(dòng)特性總體上與天津港相同，可以認(rèn)為該港區(qū)亦無(wú)航道驟淤之虞。

南港工業(yè)區(qū)處于渤海灣岸線的中間位置，正對(duì)灣口，缺乏對(duì)該海域ENE～E常浪向波浪的掩護(hù)條件，其泥沙運(yùn)動(dòng)的活躍程度應(yīng)強(qiáng)于天津港主港區(qū)。現(xiàn)今南港工業(yè)區(qū)港區(qū)(天津港大港港區(qū))和主港區(qū)相比，兩者口門(mén)位置均處于-4.5 m等深線附近，相同水深條件下，前者口門(mén)含沙量要大于后者。天津港主航道近岸兩側(cè)均已完成圍填海，即淺水區(qū)域活動(dòng)泥沙來(lái)源減少，而南港工業(yè)區(qū)北側(cè)尚有淺灘存在，綜合對(duì)比，南港工業(yè)區(qū)航道與港池的回淤量將大于天津港主港區(qū)。

[1] 孫連成. 淤泥質(zhì)海岸天津港工程泥沙治理與功效[J]. 水運(yùn)工程, 2011(5): 66-74. (SUN Liancheng. Tianjin Port engineering sediment treatment and efficacy on silt coast[J]. Port and Waterway Enginerring, 2011(5): 66-74. (in Chinese))

[2] 楊華. 黃驊港外航道泥沙問(wèn)題的治理及其效果[J]. 水道港口, 2009, 30(4): 233-240. (YANG Hua. Regulation and effect on siltation in outer channel of Huanghua harbor[J]. Waterway and Habour, 2009, 30(4): 233-240. (in Chinese))

[3] 孫波, 肖立敏, 劉建軍, 等. 天津港大港港區(qū)10萬(wàn)噸級(jí)航道工程泥沙回淤研究[R]. 南京:南京水利科學(xué)研究院, 2013. (SUN Bo, XIAO Limin, LIU Jianjun, et al. Study on siltation of 104DWT waterway of Dagang area at Port of Tianjin[R]. Nanjing: Nanjing Hydraulic Research Institute, 2013. (in Chinese))

[4] 劉家駒. 海岸泥沙運(yùn)動(dòng)研究與應(yīng)用[M]. 北京: 海洋出版社, 2009: 95-100. ((LIU Jiaju. Study and application of coast sediment movement[M]. Beijing: China Ocean Press, 2009: 95-100. (in Chinese))

[5] 羅肇森, 馬進(jìn)榮, 張曉艷. 從京唐港大風(fēng)期驟淤淺議粉沙質(zhì)海岸建港布置和航道選線[J]. 中國(guó)港灣建設(shè), 2007(1): 35-41. (LUO Zhaosen, MA Jinrong, ZHANG Xiaoyan. Discussion on the layout of port and channel to be constructed in silty coasts - from the point of rapid siltation occurrence at the approach channel of Jingtang Port[J]. China Harbour Engineering, 2007 (1): 35-41. (in Chinese))

[6] 蔣睢耀, 溫令平, 馮學(xué)英,等. 天津港回淤現(xiàn)狀與回淤規(guī)律研究[J]. 水道港口, 2000(1): 1-13. (JIANG Juyao, WEN Lingping, FENG Xueying, et al. Study on silting status and patterns of Tianjin Port[J]. Waterway and Habour, 2000(1): 1-13. (in Chinese))

[7] DEABES E A E M. Sedimentation processes at the navigation channel of the liquefied natural gas (LNG) port, Nile Delta, Egypt[J]. International Journal of Geosciences, 2010, 1(1): 14-20.

[8] GHOSH L K, PRASAD N, JOSHI V B, et al. A study on siltation in access channel to a port [J]. Coastal Engineering, 2001, 43: 59-74.

[9] LONGUET-HIGGINS M S, STEWART R W. Radiation stresses in water waves: a physical discussion with application[J]. Deep Sea Res., 1964, 11(5): 529-562.

[10] HERMAN A. Three-dimensional structure of wave-induced momentum flux in irrotational waves in combined shoaling-refraction conditions[J]. Coastal Eng., 2006, 53: 545-555.

[11] RIS R C, HOLTHUIJSEN L H, BOOIJ N. A third generation wave model for coastal regions. 2. Verification[J]. Journal of Geophysical Research, 1999, 104: 7667-7681.

[12] HOLTHUIJSEN L H, HERMAN A, BOOIJ N. Phase-decoupled refraction-diffraction for spectral wave models[J]. Coastal Engineering, 2003, 49: 291-305.

[13] LESSER G R, ROELVINK J A, VAN KESTER J A T M, et al. Development and validation of a three-dimensional morphological model t[J]. Coastal Engineering, 2004,51(8-9):883-915.

[14] WALSTRA D J R, HOEKSTRA R, TONNON P K, et al. Input reduction for long-term morphodynamic simulations in wave-dominated coastal settings[J]. Coastal Engineering, 2013, 77: 57-70.

[15] SUN B, WANG X Z, SUN L Y, et al. Physical modeling of longshore transport at Friendship Port in Mauritania[C]//Proceedings of 5th International Conference Coastlab 14. 2014: 206-211.

[16] 孫連成, 張娜, 陳純. 淤泥質(zhì)海岸天津港泥沙研究[M]. 北京: 海洋出版社, 2010: 120-150. (SUN Liancheng, ZHANG Na, CHEN Chun. Researches on muddy coast sediment transport of Port of Tianjin[M]. Beijing: China Ocean Press, 2010: 120-150. (in Chinese))

[17] 唐磊. 淤泥質(zhì)海岸浮泥形成與運(yùn)動(dòng)研究[D]. 南京: 河海大學(xué), 2013:1-20. (TANG Lei. Formation and movement of the fluid mud on muddy coast[D]. Nanjing: Hohai University, 2013: 1-20. (in Chinese))

Prediction of siltation in waterway and basins of Tianjin Nangang Industrial Zone in Bohai Bay

SUN Bo1,2, SUN Linyun1,3, HAN Xin1,3, LIU Jianjun1,3, XIAO Limin1,3

(1. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210024, China; 2. College of Harbor, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing 210029, China)

Tianjin Nangang Industrial Zone (TNIZ), located in the typical muddy coast of Bohai Bay, is planning to construct a port with a 105DWT entrance channel. To predict the siltation in the basin and the channel of the port, a two-way nested grid numerical model is established to compute suspended sediment transport with wave-current interaction, considering wave radiation stress, wave turbulence, wave enhanced bottom shear stress and their effects on sediment transport. Measured spring tide and velocities are selected as representative current conditions in the model, and energy-weighted-average wave data represent wave conditions. Annual siltation in the 1.5×105DWT channel near the Port of Tianjin is used to verify the model. On this basis, the numerical model predicts the annual siltation in the entrance channel of TNIZ and the results are credible in comparison to the data observed in the waterway of the Port of Tianjin.

wave-current interaction； suspended sediment transport； waterway siltation; Tianjin Nangang Industrial Zone

TV148

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.06.011

1005-9865(2015)06-082-08

2015-04-16

水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201301067)

孫 波(1974-)，男，湖北荊州人，高級(jí)工程師，主要從事海岸工程與港口開(kāi)發(fā)研究。E-mail: bsun@nhri.cn