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）

1 緒論

河流入海口附近河段受潮汐作用明顯,其泥沙淤積特性受所在海域的潮流、波浪、泥沙等特性的綜合作用,因此不能僅僅局限于河道內(nèi)及入海口,而需要采用適當(dāng)?shù)某绷髂嗌硵?shù)學(xué)模型對受影響的整片海域進(jìn)行計算。

本文以河北省某港區(qū)工程項(xiàng)目為例,建立二維潮流泥沙數(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)域工程前后的泥沙淤積特性,以及工程建設(shè)對河道泥沙淤積的影響。

2 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)。沙河河口修建了擋沙堤,與港口圍墾線平行。港區(qū)平面布置見圖1。

圖1 港區(qū)平面布置圖

3 泥沙來源分析

3.1 河流來沙

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?。ū?）,其中陡河全長120 km,在陡河村附近入海；沙河全長108 km,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10 km處。建閘前兩河口多年平均入海年徑流量和泥沙量分別為1.05 億m3和15 萬t,入海泥沙較少。目前兩河口上游都已經(jīng)建閘,來水來沙量更是微乎其微,對本工程影響不大。

表1 沙河與陡河多年水沙特征值統(tǒng)計表

3.2 淺灘泥沙

本海區(qū)海底平緩,一般為1/1000 ~1/2000 ,灘面主要由細(xì)顆粒泥沙組成,在風(fēng)浪和潮流共同作用下灘地泥沙極易被掀起,并隨漲、落潮流挾帶輸移。大風(fēng)浪是造成近岸泥沙懸移運(yùn)動的主要因素。在小風(fēng)或無風(fēng)天水體含沙量很低,小于0.1 kg/m3；而隨著風(fēng)級的增大,其含沙量逐漸增高,近岸最高可測到2 kg/m3~4 kg/m3。

由此看來,淺灘泥沙是影響陡河、沙河河口泥沙的主要來源,要分析河口泥沙淤積特性,需要建立適當(dāng)?shù)某绷髂嗌硵?shù)學(xué)模型。

4 數(shù)學(xué)模型簡介

本項(xiàng)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）[1],該模塊在國內(nèi)外工程項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛,模塊計算成果得到大量驗(yàn)證,受到業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)同。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[2]。

波浪引起的輻射應(yīng)力作為驅(qū)動力影響著潮流流場,同時波浪也是影響泥沙輸運(yùn)和淤積的一個重要因素。本項(xiàng)目的波浪采用SWAN模型來模擬。SWAN模型基于波作用譜平衡方程進(jìn)行計算[3]。

泥沙運(yùn)動采用竇國仁等（1995）基于波流共同作用下挾沙力概念的平面二維泥沙數(shù)學(xué)模型[4],其表達(dá)式如下：

式中：h為水深；t為時間坐標(biāo)；x和y為水平坐標(biāo)；S為沿深度平均的含沙量；S*為波流共同作用下的挾沙能力；u和v分別為沿x方向和y方向的流速；為沉降幾率或恢復(fù)飽和系數(shù)；w為泥沙沉速。根據(jù)波流挾沙的原理,S*可近似為：

其中,S*c和S*W分別為潮流和波浪作用下的挾沙能力。潮流作用下的挾沙能力可表示為

式中：βc為根據(jù)實(shí)驗(yàn)或者現(xiàn)場資料確定的系數(shù)；ρS和ρ分別為泥沙與水的密度；c為謝才系數(shù)；V為垂向平均流速。

對于波浪作用下的挾沙能力,根據(jù)實(shí)際波能演化原理,修正為如下形式：

其中,fw為床面摩阻系數(shù),Hrms為均方根波高,T為波浪周期,k為波數(shù),g為重力加速度,DB2為由于波浪破碎引起的波能耗散, β1與β2為系數(shù)。

5 模型布置

對港區(qū)范圍內(nèi)海域建立潮流泥沙模型進(jìn)行計算,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129 km,南北向最長約147 km。小模型為工程局部范圍。

圖2 模型計算范圍示意圖

圖3 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,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。

圖3 中、小模型網(wǎng)格示意圖

6 模型驗(yàn)證

需對工程海域含沙量場進(jìn)行模擬,率定泥沙模型參數(shù)。含沙量的驗(yàn)證采用2010 年6 月最新實(shí)測含沙量資料。圖4 為大潮各測點(diǎn)實(shí)測含沙量與計算值的比較情況。

圖4 2010年6月大潮含沙量驗(yàn)證（0時刻為13日15時）

通過比較分析,各測站的含沙量在連續(xù)變化過程中均與實(shí)測值接近,其中含沙量平均誤差不超過30%,測點(diǎn)的驗(yàn)證結(jié)果符合要求。因此,本次研究中所建立的泥沙運(yùn)動模型能夠合理地反映工程區(qū)附近海域的含沙量分布,可進(jìn)一步用于地形沖淤計算。

7 計算成果及分析

在對工程海域波浪場模擬的基礎(chǔ)上,將計算出的波浪動力提供給潮流模型和泥沙模型,對工程海域泥沙運(yùn)動和地形沖淤進(jìn)行模擬[5]。潮流計算采用2010 年6 月10 日12 時~2010 年6 月25 日12 時計算潮過程,這其中包含了大、中和小潮連續(xù)作用半個月。代表波浪與潮流組合占全年計算時段的23%,純潮流作用時間占77%。兩種動力條件組合得到的回淤計算結(jié)果為年回淤計算結(jié)果。圖5 和圖6 分別反映了工程前后河口附近的波浪場,圖7 ~圖12 給出了工程前后河口的含沙量場分布圖。

圖5 工程前河口附近波浪場圖

圖6 工程后河口附近波浪場圖

圖7 工程前大潮潮流與代表波浪共同作用下河口附近含沙量場圖

圖8 工程前大潮潮流與代表波浪共同作用下陡河河口含沙量場局部放大圖

圖9 工程前大潮潮流與代表波浪共同作用下沙河河口含沙量場局部放大圖

圖10 工程后大潮潮流與代表波浪共同作用下河口附近含沙量場圖

圖11 工程后大潮潮流與代表波浪共同作用下陡河河口含沙量場局部放大圖

圖12 工程后大潮潮流與代表波浪共同作用下沙河河口含沙量場局部放大圖

從圖中可以看出,工程后陡河與沙河河口及附近海域含沙量明顯較工程前減小,港區(qū)以外海域則變化不明顯,這主要是由于港區(qū)工程及東側(cè)擋沙堤阻擋泥沙輸運(yùn)所致。

根據(jù)本研究建立的針對河口地區(qū)的泥沙數(shù)學(xué)模型知,在只考慮外海來沙的條件下,陡河入海河口段工程前年淤積量在92 萬 m3,工程后年淤積量在57 萬m3；沙河入海河口段工程前年淤積量在179 萬m3,工程后年淤積量在97 萬m3。

綜合考慮泥沙數(shù)學(xué)模型研究成果,可得到以下結(jié)論：（1）在只考慮外海來沙的條件下,由于工程區(qū)域的掩護(hù)作用,工程建設(shè)后引起西側(cè)陡河口泥沙淤積減少；（2）本工程為了減小對兩側(cè)河口的影響,在沙河河口東側(cè)建設(shè)擋沙堤,距圍墾堤東線1 km,與圍墾堤線平行。擋沙堤走向與漲落潮流流向一致,對周邊流場的影響較小,比較含沙量分布圖可知,擋沙堤可有效攔截東側(cè)淺灘泥沙,圍墾線與擋沙堤之間的含沙量大幅減小,引起沙河河口段的泥沙淤積減小。

兩側(cè)河口涉及到當(dāng)?shù)胤篮椤O業(yè)等民生問題,需引起足夠重視。雖然計算結(jié)果表明,港區(qū)建設(shè)方案對兩側(cè)河口泥沙淤積的直接影響不大,但周邊也在進(jìn)行大規(guī)模圍填,可能造成河口區(qū)動力條件進(jìn)一步減弱,對河口健康的維持不利,需加強(qiáng)監(jiān)測分析。港區(qū)圍填施工過程中,可能會造成含沙量的增加,致使河口淤塞,需及時分析采取相應(yīng)對策。建議港區(qū)開發(fā)建設(shè)單位對兩側(cè)河口進(jìn)行疏浚,一方面可提高河口防洪航運(yùn)效益,抵消開發(fā)方案的不利影響,另一方面疏浚土可作為港區(qū)回填料。

8 結(jié)論

本研究采用河北省某港區(qū)項(xiàng)目整體潮流泥沙數(shù)學(xué)模型,對港區(qū)附近海域及陡河、沙河河口工程前后的泥沙淤積進(jìn)行計算。水力學(xué)計算模型的采用及概化處理等對類似入海河流泥沙分析具有較為普遍的參考價值。得出結(jié)論如下：

（1）陡河、沙河河口上游都已建閘,河流來沙很小,河口來沙以外海來沙為主。

（2）從泥沙淤積計算成果看,由于工程區(qū)域的掩護(hù)作用,工程建設(shè)后引起西側(cè)陡河口泥沙淤積減少。沙河河口擋沙堤可有效攔截東側(cè)淺灘泥沙,引起沙河河口段的泥沙淤積減小。