譚 超，黃本勝，邱 靜，黃廣靈，劉 達(dá)

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510630；2.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510630；3. 廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510630)

0 引 言

在河口海岸地區(qū), 引起泥沙運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿σ蛩厥浅绷骱筒ɡ? “波浪掀沙、潮流輸沙”被公認(rèn)為是泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)制[1,2]。近岸水動(dòng)力環(huán)境對(duì)海岸帶及港工建筑物的影響十分重要，而潮流、波浪和泥沙等相互作用又使得海岸帶附近的水動(dòng)力環(huán)境非常復(fù)雜。因此，在復(fù)雜動(dòng)力條件下，海岸工程建設(shè)對(duì)沿岸泥沙輸運(yùn)的影響過程研究備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，也取得了系列研究成果[3-9]。在對(duì)其諸多研究方法中，以數(shù)學(xué)模型最為方便經(jīng)濟(jì)，并成為研究大范圍水動(dòng)力條件變化的主要手段之一[10]。 電廠的建設(shè)改變了岸線形態(tài)，導(dǎo)致水動(dòng)力條件和泥沙運(yùn)動(dòng)的變化。同時(shí)，華南海岸經(jīng)常遭受不同程度臺(tái)風(fēng)的侵襲，臺(tái)風(fēng)期間產(chǎn)生的大浪和風(fēng)暴潮極易掀起海床泥沙，使含沙量劇增，泥沙被水流搬運(yùn)至近岸處發(fā)生驟淤，對(duì)近岸港口、航道及取、排水口的安全等造成較大影響[11,12]。

廣東陽(yáng)西火力發(fā)電廠位于廣東省陽(yáng)江市海陵灣的外灣-青海灣的西端海岸地段。青海灣呈半圓形，為岬角控制的弧形海灣，其東側(cè)為海陵島閘坡岬角，西端為白虎嶺岬角。2個(gè)岬角在地貌上均屬于侵蝕剝蝕丘陵，由花崗巖基岸及風(fēng)化殼組成。岬角附近海域分布有礁石和小島嶼，較大的有雙山島。灣口大體向南，東西寬約14 km，灣頂為沙質(zhì)海灘，其東北端為與海陵灣內(nèi)灣相連潮汐水道。清海灣灣口水深約10 m，海灣東部大部水深為2～5 m，西部則一般為5～10 m。工程附近海域雙山島至馬村-白虎嶺沿岸水深多變，一般為2～5 m，最深處為白虎嶺南側(cè)岬角附近，其10 m等深線距岸僅400 m左右， 研究區(qū)域位置見圖1。

圖1 研究區(qū)域位置

本文擬建立波流聯(lián)合作用下的二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)陽(yáng)西電廠附近海域的潮流場(chǎng)和泥沙場(chǎng)進(jìn)行模擬研究，計(jì)算取水口及防波堤區(qū)域沖淤量，分析大風(fēng)浪作用下泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其成果不僅可加深對(duì)海岸泥沙輸運(yùn)物質(zhì)輸移的關(guān)鍵過程的認(rèn)識(shí)，同時(shí)可為陽(yáng)西電廠及類似工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行維護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)學(xué)模型與工程方案

1.1 基本方程

1.1.1 潮流數(shù)學(xué)模型

連續(xù)方程:

(1)

動(dòng)量方程:

(2)

(3)

(4)

應(yīng)力項(xiàng)Ax、Ay為包括水平黏滯應(yīng)力、表面風(fēng)應(yīng)力、底部切應(yīng)力和波浪輻射應(yīng)力。模型的空間離散是使用單元中心有限體積法，時(shí)間差分格式采用顯式迎風(fēng)格式。

1.1.2 波浪數(shù)學(xué)模型

波浪數(shù)學(xué)模型模擬的物理過程包括：地形和海流空間變化導(dǎo)致的波浪折射作用；地形和海流空間變化導(dǎo)致的淺水變形作用；逆向流造成的障礙和反射作用；障礙物的阻擋或部分傳播作用。其基本方程為：

(5)

N=N(σ,θ,x,y,t)=E(σ,θ,x,y,t)/σ

式中：N為波作用密度譜；σ為相對(duì)波頻；θ為波向；Cx和Cy為波浪在x和y方向的傳播速度分量；Cσ和Cθ為σ、θ空間的波浪傳播速度；S是以譜密度表示的源項(xiàng)，包括風(fēng)能輸入、波與波之間的非線性相互作用和能量耗散。

該模型采用了全隱式有限差分格式對(duì)波作用動(dòng)量守恒能量平衡方程進(jìn)行離散，然后在4個(gè)象限中用迭代的方法進(jìn)行求解，其計(jì)算是無條件穩(wěn)定的，因而允許較大的時(shí)間步長(zhǎng)。

1.1.3 泥沙數(shù)學(xué)模型

(1)基本方程。根據(jù)海區(qū)泥沙場(chǎng)分析結(jié)果可知，本海區(qū)泥沙粒徑較小，表層沉積物以粉沙為主，泥沙輸運(yùn)以懸移為主，用二維懸沙輸運(yùn)模型來計(jì)算泥沙輸運(yùn)及泥沙驟淤。

黏性泥沙輸運(yùn)模型涉及泥沙在水體中的運(yùn)動(dòng)以及泥沙與底床的相互作用。懸移泥沙的輸運(yùn)一般建立在水動(dòng)力模型中的對(duì)流項(xiàng)中，可用以下方程來描述：

(6)

(2)波流共同作用下的床面剪切應(yīng)力。海岸地區(qū)的泥沙輸移大多是在波浪和潮流共同作用下完成的，波浪主要起掀沙作用，但本身搬運(yùn)泥沙能力較弱，而泥沙一旦處于懸浮狀態(tài)，一般潮流就能搬運(yùn)，也即前面提到的“波浪掀沙、潮流輸沙”。所以計(jì)算時(shí)必須考慮波流共同作用下的泥沙運(yùn)動(dòng)。在模型中，床面剪切應(yīng)力可采用以下公式進(jìn)行計(jì)算。

波浪作用下的底床平均剪切力計(jì)算公式為：

(7)

式中：fw為波浪摩擦系數(shù)，0.047 (Swart 1974)；Ub為波浪水質(zhì)點(diǎn)底部軌跡運(yùn)動(dòng)速度：

(8)

式中：Hs為有效波高；T為周期。

純流作用下的底床平均剪切應(yīng)力計(jì)算公式為：

(9)

(10)

式中：V為平均流速；fc為流阻系數(shù)：h為水深；k為底床糙度。

波流相互作用的底床剪切力計(jì)算公式(soulsby eta al.1993)為：

(11)

(12)

式中：τc為純流作用底床剪切力；τw為純波作用底床剪切力；τmax為波流相互作用最大底床剪切力；τmean為波流相互作用平均底床剪切力；a、b、m、n、p、q為常數(shù),由波流理論來確定。

1.2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

1.2.1 計(jì)算范圍

為了更好的提供水動(dòng)力模型所需要的邊界條件以保證局部流場(chǎng)計(jì)算符合潮流場(chǎng)的整體物理特征，潮流模擬采用嵌套計(jì)算。大模型范圍包括整個(gè)海陵灣，小模型范圍和網(wǎng)格均與波浪模型的范圍和網(wǎng)格一致，2層模型的計(jì)算區(qū)域見圖2。

圖2 模型網(wǎng)格布置

根據(jù)實(shí)測(cè)海流的流向及大小，大模型東邊界定在海陵島下塘見村附近，在電廠以東約34 km，西邊界定在茂名市電白縣博賀鎮(zhèn)北山村附近，在電廠以西約38 km，南邊界定在廠址以南約47 km之處，模型包括整個(gè)海陵灣水域。模擬原體水域面積約2 560 km2。模型采用能夠很好地貼合岸線和方便對(duì)工程區(qū)域加密的非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格單元，模型區(qū)域共剖分了44 191 個(gè)網(wǎng)格，共有22 709 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中最小的網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)約為50 m，廠址附近海域使用最小網(wǎng)格，可以較好地模擬岸線變化及擬建電廠平面布置。

1.2.2 邊界選取

(1)波浪邊界條件。本次計(jì)算選擇本項(xiàng)目工在工程海域測(cè)波站2004 年1月-2005年1月的實(shí)測(cè)波浪統(tǒng)計(jì)資料，測(cè)波站的水深為18 m，與波浪模型的南邊界水深基本一致，因此本次波浪計(jì)算可以直接采用測(cè)波站的波浪統(tǒng)計(jì)資料作為計(jì)算邊界。根據(jù)波浪統(tǒng)計(jì)結(jié)果，本海區(qū)的常浪向?yàn)镋SE、SE、SSE和S向，其年內(nèi)出現(xiàn)的頻率分別為25.3%、40.73%、13.27%和13.48%，因此進(jìn)行波流耦合計(jì)算時(shí)，需分4組工況進(jìn)行。各組波浪邊界情況見表1。

表1 波浪模型計(jì)算邊界

(2)潮流邊界條件。模型計(jì)算區(qū)域?yàn)榻端?，因此邊界由潮位來給。鑒于本海域的潮汐比較復(fù)雜，本次大模型試驗(yàn)的邊界采用調(diào)和常數(shù)換算成水位來試算，然后通過與實(shí)測(cè)潮位的不斷驗(yàn)證、調(diào)整和耦合，最終得出一個(gè)能反映實(shí)測(cè)情況的潮位邊界，最終應(yīng)用此邊界作為大模型的計(jì)算邊界。大模型計(jì)算結(jié)果為小模型提供水位或者流量邊界。

(3)泥沙邊界條件。本次建立泥沙數(shù)學(xué)模型的目的是計(jì)算工程后該海域的年內(nèi)沖淤演變情況，因此，計(jì)算水動(dòng)力的選擇必須按年來考慮。在泥沙模型計(jì)算過程中，潮流邊界由調(diào)和常數(shù)計(jì)算出的水位提供，計(jì)算邊界包含整個(gè)全潮過程。波浪計(jì)算邊界則以實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ)，以各個(gè)主浪向的波要素為邊界條件，分別計(jì)算出各個(gè)主浪向波浪作用1 a的沖淤量，然后根據(jù)它們各自的年出現(xiàn)頻率進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)計(jì)，最后得到年內(nèi)的沖淤變化量。

1.2.3 模型參數(shù)取值

(1)水動(dòng)力計(jì)算參數(shù)。模型海域的初始潮位取各邊界潮位的平均值，初始流速取0。經(jīng)反復(fù)調(diào)試，大、小模型中的渦黏系數(shù)取0.28，曼寧糙率取0.025，模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)60 s，最小時(shí)間步長(zhǎng)取0.01 s，CFL數(shù)取0.8。

(2)泥沙計(jì)算參數(shù)。

①海床床面泥沙級(jí)配。通過對(duì)沉積物樣品的粒度分析表明，工程海域沉積物中值粒徑分布總體上表現(xiàn)為東細(xì)西粗、南細(xì)北粗的特征，近岸及雙山島附近沉積物中值粒徑大部分小于2 Ф(即d50>0.25 mm)，泥沙顆粒較粗，在5 m等深線以外海域中值粒徑一般大于4 Ф(即d50<0.063 mm)。 沉積物類型以沙、黏土質(zhì)粉沙為主，其他類型為礫石質(zhì)沙、粉沙質(zhì)沙、粉沙質(zhì)黏土。各類型沉積物空間分布見圖3。

圖3 沉積物類型空間分布圖

②泥沙參數(shù)。懸沙中值粒徑d50=0.004 mm，由于泥沙顆粒較小，需考慮泥沙的絮凝作用，在考慮泥沙絮凝作用下的懸沙中值粒徑d50=0.024 mm；絮團(tuán)泥沙沉速w=0.000 45 m/s；泥沙沉降幾率根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值a=0.45；懸沙干容重取值r0=720 kg/m3。

1.3 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

潮流數(shù)學(xué)模型采用2013年夏季的水文資料進(jìn)行驗(yàn)證，2013年夏季小潮期實(shí)測(cè)時(shí)間為7月16日12∶00至7月17日13∶00；中潮期實(shí)測(cè)時(shí)間為7月19日12∶00至7月20日13∶00。大潮期實(shí)測(cè)時(shí)間為7月22日14∶00至7月23日15∶00。2013年夏夏季小、中、大潮潮位驗(yàn)證相對(duì)誤差分別為0.044、0.053、0.058 m(見表2)；流速驗(yàn)證平均絕對(duì)誤差控制在0.12 m/s以內(nèi)(見表3)；從含沙量驗(yàn)證情況看(見圖4)，計(jì)算含沙量與實(shí)測(cè)含沙量在總體趨勢(shì)和峰值的波動(dòng)變化與實(shí)測(cè)含沙量過程較為同步且吻合較好。驗(yàn)證結(jié)果表明該模型可用于本工程海域水動(dòng)力與泥沙模擬。

表2 潮位誤差統(tǒng)計(jì) m

表3 流速誤差統(tǒng)計(jì) m/s

圖4 夏季中潮懸沙驗(yàn)證曲線

1.4 工程方案

本次擬建工程包括電廠二期取排水工程、碼頭擴(kuò)建工程。二期工程新建5～8號(hào)機(jī)組取、排水口，每臺(tái)機(jī)組取、排水量均為78 m3/s。二期工程同時(shí)對(duì)碼頭進(jìn)行擴(kuò)建，碼頭的擴(kuò)建方案為在一期卸煤碼頭的基礎(chǔ)上向外延伸310 m，增加一個(gè)7 萬t的泊位。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 工程擴(kuò)建前、后流場(chǎng)變化

2.1.1 流態(tài)變化

工程附近海區(qū)的影響主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：防波堤延長(zhǎng)改變了原有的海岸線，使流場(chǎng)發(fā)生變化；防波堤西南側(cè)新加的7、8號(hào)取水口改變附近流向，增大流速；電廠北側(cè)排水口亦改變附近流向、增大流速，見圖5。

圖5 工程擴(kuò)建前后流場(chǎng)對(duì)比

延長(zhǎng)防波堤對(duì)海岸線改變比較大，因而對(duì)流態(tài)的影響也最為顯著，防波堤兩側(cè)流速減小，堤頭外由于挑流作用流速增大。

2.1.2 流速變化

圖6為夏季大潮漲急、落急時(shí)刻的工程擴(kuò)建前后流速變化等值線。由圖6可見，工程建設(shè)以后，防波堤兩側(cè)流速明顯減小，而防波堤端口東側(cè)由于挑流作用，流速增大；取排水口出流速明顯增大。工程實(shí)施后，港池內(nèi)平均流速有小幅度降低，范圍為3.1%～9.9%；受到防波堤對(duì)漲落潮流的遮擋作用，防波堤北面與南面流速大幅降低，范圍為25.8%～60%；排水口處，受電廠排水影響，流速增大可達(dá)167%；排水口附近，但離排水口有一定距離，流速變化不大，為0.8%～10.9%，可見電廠排水對(duì)海域流速大小的影響范圍較??；點(diǎn)9位于延長(zhǎng)防波堤?hào)|側(cè)，由于挑流作用，流速增大幅度可達(dá)28.7%；取水口處，受電廠取水影響，流速增大，增幅最大可達(dá)58%。

圖6 工程擴(kuò)建前后流速變化等值線

2.2 年回淤分析

年回淤量計(jì)算采用的波浪邊界為實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)值(見表1)，以各個(gè)主浪向的波要素為邊界條件，分別計(jì)算出各個(gè)主浪向波浪作用1 a的沖淤量，然后根據(jù)它們各自的年出現(xiàn)頻率進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)計(jì)，最后得到年內(nèi)的沖淤變化量。計(jì)算中采用的潮流動(dòng)力為典型的全潮過程。

泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算的波浪、潮流共同作用下工程附近海域地形沖淤變化見圖7[其中圖7(a)為工程擴(kuò)建前的沖淤結(jié)果，圖7(b)為工程擴(kuò)建后的沖淤結(jié)果]，圖7中正值表示淤積，負(fù)值表示沖刷。

圖7 波流共同作用下地形沖淤結(jié)果

由圖7及表4可見，工程擴(kuò)建前后工程海域的總體沖淤趨勢(shì)基本一致，防波堤南、北兩側(cè)均表現(xiàn)為淤積，防波堤?hào)|側(cè)為沖刷。工程后由于防波堤加長(zhǎng)，東側(cè)沖刷區(qū)相應(yīng)的東移，沖刷的最大深度有所增加(增加約0.02 m/a)，而防波堤南、北側(cè)的淤積區(qū)由于防波堤的加長(zhǎng)而淤積強(qiáng)度稍有增強(qiáng)(約0.01 m/a)。

表4 工程特征部位的沖淤?gòu)?qiáng)度

工程擴(kuò)建后，取水口東側(cè)、南側(cè)均為泥沙淤積區(qū)，取水口附近年沖淤厚度范圍為0.1～0.2 m/a；加長(zhǎng)碼頭防波堤后，堤頭東側(cè)水域則會(huì)有所沖刷，最大沖刷為0.2 m/a左右；而碼頭港池、泊位、回旋水域則稍有淤積，年淤積厚度為0.04～0.10 m/a。

2.3 驟淤計(jì)算

驟淤是惡劣天氣條件(臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮、熱帶氣旋)下短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的泥沙淤積。根據(jù)工程海區(qū)的地質(zhì)資料，廠址附近淺海區(qū)泥沙較粗，為沙粒，水深在10 m以上的外海區(qū)泥沙粒徑較小為粉沙及黏土等，這種泥沙在風(fēng)暴潮時(shí)很容易起動(dòng)，水體含沙量將顯著增大，有可能造成取水口及港池的大量淤積，因此必要進(jìn)行驟淤分析。

本次驟淤計(jì)算本試驗(yàn)選取200 a一遇高潮位4.16 m、遭遇9713號(hào)臺(tái)風(fēng)(特大臺(tái)風(fēng)，S向，H4%=6.6 m(H有效=5.5 m)，且連續(xù)作用2 d作為臺(tái)風(fēng)驟淤的試驗(yàn)條件。

從圖8及表5可見，工程擴(kuò)建后，取水口東南側(cè)均為泥沙淤積區(qū)，最大淤積厚度可達(dá)0.5 m，距取水口位置約1.6 km，取水口附近淤積厚度為0.20～0.25 m；加長(zhǎng)碼頭防波堤后，堤頭東側(cè)會(huì)有所沖刷，最大沖刷可達(dá)0.5 m左右；而碼頭港池、泊位、回旋水域則稍有淤積，淤積厚度為0.2～0.5 m。

圖8 9713號(hào)臺(tái)風(fēng)過后地形沖淤狀況

3 結(jié) 論

本文建立工程海區(qū)波流共同作用下的平面二維泥沙數(shù)學(xué)模型，在利用工程海區(qū)實(shí)測(cè)水沙資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，計(jì)算分析了波流聯(lián)合作用下廣東陽(yáng)西電廠海域潮流泥沙過程及暴風(fēng)驟淤特征，主要得出以下結(jié)論。

(1)陽(yáng)西電廠二期工程方案實(shí)施后，流態(tài)變化比較大的區(qū)域主要是取排水口附近、防波堤兩側(cè)以及防波堤?hào)|側(cè)水域。排水口處流速明顯增大，增幅可達(dá)167%， 取水口處與防波堤?hào)|側(cè)水域流速也增大，增幅最大達(dá)到58%，防波堤兩側(cè)流速則明顯減小，降幅為25.8%～60.0%。

(2)陽(yáng)西電廠二期工程方案實(shí)施后，取水口東側(cè)、南側(cè)均為泥沙淤積區(qū)，取水口附近年沖淤厚度范圍為0.1～0.2 m/a；加長(zhǎng)碼頭防波堤后，堤頭東側(cè)水域則會(huì)有所沖刷，最大沖刷為0.2 m/a左右；而碼頭港池、泊位、回旋水域則稍有淤積，年淤積厚度為0.04～0.10 m/a。

(3)臺(tái)風(fēng)作用下，海域含沙量明顯增大，進(jìn)入港池和取水口的含沙量也隨之增大，因此可造成港池和取水口的較強(qiáng)淤積。驟淤條件下電廠取水口含沙量為0.08～0.10 kg/m3。取水口東南側(cè)均為泥沙淤積區(qū)，最大淤積厚度可達(dá)0.5 m距取水口位置約1.6 km，取水口附近淤積厚度為0.20～0.25 m；加長(zhǎng)碼頭防波堤后，堤頭東側(cè)會(huì)有所沖刷，最大沖刷可達(dá)0.5 m左右；而碼頭港池、泊位、回旋水域則稍有淤積，淤積厚度為0.2～0.5 m。