金子嵩

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽，110006）

0 引言

河流入海口附近的水力特性及行洪安全受潮流影響，因此需要采用適當(dāng)?shù)某绷鲾?shù)學(xué)模型進(jìn)行計算。近年來，國內(nèi)針對海岸河口的二維潮流數(shù)學(xué)模型已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，ADCIRC、FVCOM、MIKE等軟件都已經(jīng)得到廣泛采用，其建立的模型也大多經(jīng)過了工程應(yīng)用和學(xué)術(shù)檢驗(yàn)。李池鴻等[1]基于MIKE21研究了某碼頭工程建設(shè)前后潮流場特征以及工程建設(shè)對海區(qū)潮流場影響，王璐璐等[2]采用MIKE21潮流數(shù)學(xué)模型與污染物擴(kuò)散模型分析了三亞中心漁港內(nèi)部水動力及污染物擴(kuò)散分布情況，袁帥等[3]基于FVCOM模擬了渤、黃海區(qū)域沿岸的潮流，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對照。由此看來，潮流數(shù)學(xué)模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于整片海域以及某些單一工程所在的局部海域的潮流特征分析。

本文以河北省某港區(qū)工程項目為例，建立二維潮流數(shù)學(xué)模型，分析港區(qū)附近兩條入海河流——陡河和沙河河口區(qū)域工程前后的潮位、流速、流態(tài)等水力特性，以及工程建設(shè)對河道行洪安全的影響。

1 工程概況

某港區(qū)工程利用沙河口至陡河口之間岸線形成環(huán)抱式港池，港池內(nèi)東側(cè)為突堤結(jié)合挖入式港池的形式，西側(cè)為順岸布置形式。港內(nèi)主要布置干散貨泊位區(qū)、通用泊位區(qū)及臨港工業(yè)區(qū)、倉儲物流區(qū)。港區(qū)平面布置見圖1。

圖1 港區(qū)平面布置圖

豐南港區(qū)附近有陡河與沙河兩條小型河流入海，其來水來沙量均很小，其中陡河全長120km，流域面積1 340km2，在陡河村附近入海；沙河全長108km，流域面積975km2，在黑沿子村與黑沿子排干交匯后入海，沙河口位于陡河口以東約10km處。為充分反映港區(qū)建設(shè)對河道水力特性及行洪的影響，需要將河道計算范圍定在河口上游一定距離以外，陡河的計算范圍為D1+366～D3+766（河口），長 2.4km，沙河的計算范圍為SH0+000～SH7+590（河口），長 7.59km。

2 潮流計算的數(shù)學(xué)模型

2.1 數(shù)學(xué)模型簡介

2.1.1 潮流計算數(shù)學(xué)模型

本項目的潮流計算采用由丹麥DHI水工所開發(fā)的MIKE21軟件的三角形網(wǎng)格水動力模塊（HD模塊）[4]，該模塊在國內(nèi)外工程項目中應(yīng)用廣泛，可以應(yīng)用于海洋、海岸、河口區(qū)域的二維水動力計算[5]。

MIKE21軟件的水動力學(xué)模塊（HD模塊）基于水流運(yùn)動控制方程——淺水方程進(jìn)行計算[6]，淺水方程表達(dá)式如下：

式中：l為特征長度，常數(shù)cs可取為0.28。

Manning系數(shù)可以根據(jù)底部糙率計算。

2.1.2 波浪計算數(shù)學(xué)模型

本項目的潮流計算中加入波浪引起的輻射應(yīng)力作為驅(qū)動力計算波浪影響下的流場，采用第三代風(fēng)浪模型中的SWAN模型來模擬波浪變形[7]。SWAN模型基于波作用譜平衡方程進(jìn)行計算[8]，可表示為：

式中：σ為波浪的相對頻率（在隨水流運(yùn)動的坐標(biāo)系中觀測到的頻率）；θ為波向（各譜分量中垂直于波峰線的方向）[9]；Cx、Cy為 x、y 方向的波浪傳播速度，m/s；Cσ、Cθ為 σ、θ空間的波浪傳播速度，m/s。

2.2 模型網(wǎng)格劃分和邊界條件

對港區(qū)范圍內(nèi)海域建立潮流場模型進(jìn)行計算。為了增強(qiáng)潮流場模型的整體性，本文采用大、中、小三重模型以嵌套方式進(jìn)行計算，分別由大模型為中模型、中模型為小模型提供邊界條件。圖2顯示了大、中、小模型計算范圍。大模型包含整個渤海海域。本工程緊鄰周邊若干其他港口，為充分考慮周邊港口建設(shè)對本工程的影響，中模型范圍包含了整個渤海灣，東西向最長約129km，南北向最長約147km。小模型為工程局部范圍。

圖2 大模型計算范圍示意圖

圖3分別給出了中模型以及小模型的計算網(wǎng)格。本模型由三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格構(gòu)成[10]，其中港區(qū)內(nèi)航道、建筑物及陡河、沙河河道內(nèi)網(wǎng)格進(jìn)行加密。大模型共9 030個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，計算時間步長從0.01～60s自動調(diào)節(jié)。中模型約52 400個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格最大空間步長約5 000m，最小空間步長約10m，計算時間步長從0.01～5s自動調(diào)節(jié)。

圖3 中、小模型網(wǎng)格示意圖

3 計算成果及分析

3.1 潮位影響分析

將工程建設(shè)后計算潮位與現(xiàn)狀（工程建設(shè)前）計算潮位進(jìn)行比較，變化值列于表1?，F(xiàn)狀采用的是2010年實(shí)測潮位+陡河、沙河10年一遇流量進(jìn)行計算的結(jié)果；工程建設(shè)后分別計算了2010年實(shí)測潮位+陡河、沙河10年、30年和50年一遇的設(shè)計洪峰流量條件下潮位的變化過程。

表1 工程建設(shè)前后各測站最大潮差變化值 m

分析潮位變化統(tǒng)計結(jié)果可知港區(qū)工程實(shí)施后，不同設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（10年一遇、30年一遇和50年一遇）時，甸頭、南堡、陡河口、漢沽四個水位站工程后與現(xiàn)狀潮位的差值分別在0.03m、0.12m、0.13m和0.13m以內(nèi)，可見工程對港區(qū)設(shè)計防洪（潮）水面線的影響極為微小，因此可以認(rèn)為工程對設(shè)計防洪（潮）水位影響不大。

3.2 流速影響分析

工程前50年一遇流量條件下的漲急流速矢量如圖4所示，流速等值線圖如圖5所示。工程后50年一遇流量條件下的落、漲急流速矢量圖如圖6所示，流速等值線圖如圖7所示。工程前50年一遇流量條件下的局部流場落、漲急流速矢量如圖8所示，流速等值線圖如圖9所示。工程后50年一遇流量條件下的局部流場落、漲急流速矢量圖如圖10所示，流速等值線圖如圖11所示。

圖4 工程前50年一遇流量漲急流速矢量圖

圖5 工程前50年一遇流量漲急流速等值線圖

圖6 工程后50年一遇流量漲急流速矢量圖

圖7 工程后50年一遇流量漲急流速等值線圖

圖8 工程前50年一遇局部流場漲急流速矢量圖

圖9 工程前50年一遇局部流場漲急流速等值線圖

圖10 工程后50年一遇局部流場漲急流速矢量圖

圖11 工程后50年一遇局部流場漲急流速等值線圖

從圖4～7中可以看出：相比于工程前，流速等值線明顯向內(nèi)海偏移，即流速有明顯增大；工程后流場在工程區(qū)附近變化較為明顯，即工程前流向趨近于豎直向外海方向，工程后在工程區(qū)左右兩側(cè)流向大約與工程區(qū)平行，在工程區(qū)下側(cè)流向發(fā)生傾斜；遠(yuǎn)離工程區(qū)的外海處流向變化不明顯。

工程區(qū)域位于陡河村陡河河口至黑沿子沙河河口之間，兩河口具有一定的防洪和航運(yùn)功能。為減小對河口水域的不利影響，設(shè)計開發(fā)方案時圍墾堤線走向與防洪制導(dǎo)線走向一致，并留出了一定的間距（圖1）。由局部流場流速變化等值線圖（圖8～11）可知，擬建港區(qū)西側(cè)的陡河河口以外海域流速基本沒有變化，東側(cè)的沙河河口近岸區(qū)流速略微減小，往外海流速減幅略大。因此該港區(qū)航道工程、河口碼頭區(qū)護(hù)岸工程、東防波堤工程、西防波堤工程等四個項目對兩河口直接不利影響較小。

3.3 河道行洪安全影響分析

3.3.1 水面線計算參數(shù)

本工程涉及陡河、沙河河口區(qū)域河段洪水位推算采用恒定非均勻流水面線法，主要理論依據(jù)是伯努利能量守恒方程式[11]。

陡河、沙河起推斷面位于河段的最下游即入?？谔帲鹜扑皇艹毕豁斖杏绊?，按潮汐水位作為起推水位[12]。

陡河、沙河河口附近河段屬平原河道，河道坡度較緩，河道基本為單槽，根據(jù)現(xiàn)場勘查河道的河床組成及植被情況，參照《水力計算手冊》中的“天然河道糙率表”[13]，綜合選取工程河段河槽內(nèi)糙率為0.03。

3.3.2 水面線成果

《河北省海堤建設(shè)方案調(diào)整報告》中提出該地區(qū)30年一遇設(shè)計潮位為3.06m，本次對治理河段的10年、20年、30年、50年一遇設(shè)計洪水分別推求了現(xiàn)狀水位，最終確定陡河采用10年一遇的洪水位與30年一遇的潮位兩者取高值；沙河采用10年一遇水面線成果與30年一遇的潮位兩者取高值，即低于30年一遇的設(shè)計潮位的采用3.06m，高于設(shè)計潮位3.06m的采用計算值。假設(shè)不沖不淤，工程前后的河底高程一致。陡河河口現(xiàn)狀水面線計算成果見表2，陡河河口工程后水面線計算成果見表3，沙河河口現(xiàn)狀水面線計算成果見表4，沙河河口工程后水面線計算成果見表5。

表2 陡河河口現(xiàn)狀水面線 m

表3 陡河河口工程后水面線 m

表4 沙河河口現(xiàn)狀水面線 m

表5 沙河河口工程后水面線 m

從表中可以看出，在假設(shè)河道不沖不淤，計算流量不變，工程前后起推水位略微變化的情況下，河道洪水位發(fā)生了變化，這主要是由于工程建設(shè)后改變了整個河口區(qū)域的地形，引起區(qū)域流速、流向發(fā)生變化。但水位變化幅度很小，不會影響河道的行洪能力。

5 結(jié)論

本研究采用河北省某港區(qū)項目整體潮流數(shù)學(xué)模型，對港區(qū)附近海域及陡河、沙河河口的潮位、流速等進(jìn)行計算，并采用河道一維水面線數(shù)學(xué)模型對陡河、沙河的水面線進(jìn)行計算。水力學(xué)計算模型的采用及概化處理方法等對類似入海河流分析具有較為普遍的參考價值。得出結(jié)論如下：

（1）河北省某港區(qū)工程所在的水域，岸線伸展速率不大，岸線向水域推進(jìn)較為均衡。近岸水流流勢與岸灘基本平行，往復(fù)潮流比較暢通，因而港區(qū)近岸灘槽基本穩(wěn)定。

（2）從壅水計算成果看，工程對甸頭、南堡、陡河口、漢沽四個水位站設(shè)計潮位及高低潮位的影響值不足0.13m。工程建設(shè)對設(shè)計防洪（潮）水位影響不大。

（3）工程建設(shè)改變了河口區(qū)域的地形，因此造成流速、流向發(fā)生變化，但由于港區(qū)合理設(shè)計了圍墾堤線，陡河河口和沙河河口區(qū)域的流速變化很小。

（4）工程建設(shè)對水動力影響局限于工程附近區(qū)域，陡河、沙河工程前后的洪水位變化很小，故工程對河道的河勢穩(wěn)定、行洪安全影響不大。

（5）從潮位、流速、流態(tài)綜合分析，工程建設(shè)后，對河道泄洪、納潮、防汛搶險影響不大。