黃驊港工程進展對潮流輸沙影響分析

顧杰，劉鵬晨，宋竑霖，馬震，謝海瀾

（1.上海海洋大學海洋科學學院，上海　201306；2.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海200092；3.同濟大學土木工程學院水利工程系，上?！?00092；4.天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津　300170）

黃驊港工程進展對潮流輸沙影響分析

顧杰1，劉鵬晨2，宋竑霖3*，馬震4，謝海瀾4

（1.上海海洋大學海洋科學學院，上海201306；2.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海200092；3.同濟大學土木工程學院水利工程系，上海200092；4.天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170）

隨著黃驊港工程不同位置的導堤、防波堤和港口建筑物等的陸續(xù)建成，勢必對近岸海域的潮流和泥沙輸運產(chǎn)生不同的影響。文中應(yīng)用Delft3D數(shù)值模擬軟件建立黃驊港海域水動力泥沙數(shù)學模型對黃驊港一期工程、外航道整治工程、2011年和2013年工程下的潮流和泥沙輸運進行對比分析，研究表明：一期工程導堤長度短，黃驊港東南和西北區(qū)域間懸沙輸運和交換比較暢通；外航道整治工程后，港區(qū)東南和西北區(qū)域被分割成兩片較為獨立區(qū)域，東南區(qū)域總體含沙量大小及泥沙輸運范圍均有所減?。痪C合港區(qū)北導堤工程的建設(shè)進一步阻礙了東南和西北區(qū)域的水體和懸沙交換，降低了黃驊港兩側(cè)近岸區(qū)域與原口門處的高懸沙濃度范圍。

黃驊港；工程建設(shè)；水動力；泥沙輸運；Delft3D

0　引言

黃驊港是河北省第一個地方商港，也是我國的主要能源輸出港之一，始建于1984年。港區(qū)位于渤海灣西南部、滄州市區(qū)以東約90 km的渤海之濱，擁有突出的腹地優(yōu)勢，是河北省冀中南及晉、蒙、魯、豫、陜、甘、寧等中西部地區(qū)陸路運輸距離最短的港口，被譽為“亞歐大陸橋新通道橋頭堡”，陸上距黃驊市區(qū)約45 km，水上北距天津60 n mile，東距山東龍口149 n mile，匯集漳衛(wèi)新河與宣惠河的大口河在此交匯入海。從渤海灣沿岸的港口布局來看，天津到龍口500 km海岸線內(nèi)沒有港口，黃驊港所在地理位置適中，可供其使用的水陸域面積廣闊。

2011年黃驊港總吞吐量超過1億t，躋身全國億噸大港之列。按照交通運輸部、河北省政府批復(fù)的《黃驊港總體規(guī)劃》，2015年黃驊港吞吐量達3億t，到2020年達4億t，2030年達5億t，2050年突破6億t。隨著河北沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃上升為國家戰(zhàn)略，黃驊港進入了千載難逢的發(fā)展黃金期，展現(xiàn)出更為廣闊的發(fā)展前景。截至2013年，黃驊港煤炭港區(qū)工程已建設(shè)至四期，黃驊港綜合港區(qū)工程已建設(shè)至二期，其發(fā)展階段可以分為以2003年為代表的黃驊港一期工程、以2006年為代表的黃驊港外航道整治工程以及以2011年和2013年為代表的現(xiàn)有工程3個階段。隨著工程的不斷進展，煤炭港區(qū)和綜合港區(qū)大規(guī)模建設(shè)項目的相繼動工，不同位置的防波堤和港口建筑物等的陸續(xù)建成，勢必對黃驊港近岸海域的水動力泥沙環(huán)境造成不同的影響[1-2]，因此，有必要及時預(yù)測并分析工程對近岸海洋水動力及泥沙環(huán)境的影響[3-5]，以此為黃驊港的后續(xù)建設(shè)和港口的運營維護提供理論依據(jù)和參考。

本文應(yīng)用Delft3D數(shù)值模擬軟件建立黃驊港海域二維潮流和泥沙輸運數(shù)學模型對黃驊港一期工程、外航道整治工程、2011年和2013年工程下的潮流和泥沙輸運進行對比分析，深入了解黃驊港工程進展對其海域水動力和泥沙環(huán)境的影響，分析黃驊港海域水動力和泥沙變化特性。

1　數(shù)學模型的建立

1.1數(shù)值模型

荷蘭Delft水利研究所開發(fā)的數(shù)值模擬軟件Delft3D已在世界范圍內(nèi)的河口、海岸地區(qū)廣泛運用，它可用于模擬水流、波浪、泥沙、污染物等的運動過程以及相互作用。本文在研究過程中主要應(yīng)用Delft3D-FLOW潮流模塊與Delft3D-SED泥沙輸運模塊分別建立二維水動力模型與泥沙輸運模型來模擬黃驊港潮流動力和泥沙輸運。

1.2模塊介紹

Delft3D-FLOW潮流模塊根據(jù)淺水假定和Boussinesq假定求解不可壓縮流體的Navier-Stokes方程，得到二維和三維非線性淺水方程，其基本方程包括了連續(xù)方程和動量方程[6]。Delft3D-SED泥沙輸運模塊的計算是在Delft3D-FLOW計算網(wǎng)格的基礎(chǔ)上進行的，泥沙模型中包含了黏性沙（≤0.063mm）和非黏性沙（>0.063 mm），其中黏性沙的計算采用著名的Partheniades-Krone侵蝕沉積公式[7]，非黏性沙的計算則采用Van Rijn[8]基于水深積分對流-擴散方程。

1.3計算范圍及網(wǎng)格

模型有東北邊界、西北邊界和東南邊界3條開邊界以及一側(cè)岸線閉邊界，計算范圍為東經(jīng)117°36′—118°40′，北緯38°07′—38°51′的海域（圖1）。海域開邊界采用潮位過程來控制，側(cè)向固邊界采用不可滑移條件，即流速為零。其中開邊界潮位條件由渤海大模型獲得，大模型為以大連老虎灘至煙臺兩個潮位站連線為開邊界的整個渤海區(qū)域（圖1）。

模型計算網(wǎng)格為197×125正交曲線網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸在東北—西南方向為200～430 m，西北—東南向為70～1 480 m。計算網(wǎng)格采用非均勻網(wǎng)格，工程區(qū)域網(wǎng)格較細，外海水域網(wǎng)格較粗，沿黃驊港航道和近岸處作加密處理。

2　模型的率定和驗證

選用2012年10月15日5:00—10月16日6:00大潮期間計算區(qū)域內(nèi)3個觀測點的實測水動力和泥沙資料對模型進行率定和驗證（驗證潮位站及觀測點布置見圖2），潮位驗證資料采用2012年10月15日0:00—10月16日23:00黃驊港一期煤碼頭潮位站潮位過程。模型計算中水平黏滯系數(shù)為20m2/s，曼寧系數(shù)根據(jù)底部泥沙粒徑及水深分布計算率定，取值范圍為0.011～0.016，灘地采用動邊界處理干濕交換過程。床面泥沙干重度根據(jù)實測資料取恒定值952 kg/m3，泥沙沉降速度為0.5mm/s[9]。經(jīng)過計算和率定，臨界沖刷切應(yīng)力取值范圍為0.190～1.600 N/m2，相應(yīng)臨界淤積切應(yīng)力取值范圍為0.084～0.710 N/m2，沖刷系數(shù)選取0.000 064 kg/（m2·s-1）能較好地反映黃驊港海域的懸沙輸運特征。

圖3為2012年10月大潮潮位驗證，顯示出模型計算與實測的潮位過程相當一致。

圖3 潮位驗證Fig.3　Verification of tidal level

圖4以觀測點HH4為例，展示了該站點在2012年10月大潮的垂向平均流速、流向、含沙量的驗證結(jié)果。本文采用Willmott統(tǒng)計學方法[10]來定量評價水動力和泥沙輸運模型的效率，計算得到模型驗證計算的流速、流向和含沙量的skill值范圍分別為0.69～0.79，0.66～0.73和0.50～0.55，即水動力和泥沙輸運模型的評價結(jié)果分別為極好和非常好，說明建立的水動力和泥沙輸運模型是合理的，因此本模型可以用于黃驊港一期工程、外航道整治工程、2011年工程和2013年工程4種工況下潮流和泥沙輸運的模擬、比較和分析。

圖4　測站HH4垂向平均流速、流向、含沙量驗證Fig.4　Verification of depth-averaged current velocity, direction and sediment concentration at station HH 4

3　結(jié)果分析

截至2013年，黃驊港的發(fā)展階段可以大致分為以2003年為代表的黃驊港一期工程、以2006年為代表的黃驊港外航道整治工程以及以2011年和2013年為代表的現(xiàn)有工程3個階段。已驗證的黃驊港潮流模型和泥沙輸運模型可用于研究2003年工況、2006年工況以及2011年和2013年工況下黃驊港海域水動力和泥沙輸運的變化。

本文以具有實測資料的大潮（2012年10月15日—16日）作為典型潮，采用已經(jīng)驗證的潮流模型模擬了4種工況下的潮流變化，并采用泥沙輸運模型研究潮流動力作用下的各工況下泥沙場的變化情況。

3.1工程建設(shè)對潮流的影響

計算了4個工況下的潮流場，其中2003年和2013年工況下的漲急流場如圖5所示（其余工況由于篇幅限制不再展示）。黃驊港一期工程下，遠離港區(qū)的海域產(chǎn)生較為明顯的旋轉(zhuǎn)流，港區(qū)附近的潮流由于防波堤的阻水效應(yīng)呈現(xiàn)出往復(fù)流特性，潮流在到達口門處形成橫流，導堤雖然產(chǎn)生一定的阻水效應(yīng)，但因其長度有限所以港區(qū)東南和西北部區(qū)域的水體在漲、落潮過程中交換暢通。黃驊港外航道整治工程后，煤炭港區(qū)南北導堤向海延伸接近11 km，分割了港區(qū)東南和西北兩側(cè)海域，漲、落潮時導堤外側(cè)的潮流運動呈明顯的沿堤往復(fù)流特征，原口門附近的大范圍口門橫流減弱，漲、落潮過程中水體交換較外航道整治工程前大幅減少，被分割成兩片單獨的漲、落潮區(qū)域，導堤的延伸同時增強了它的阻水效應(yīng)，受挑流作用的影響，新口門處仍有橫流出現(xiàn)。2011年黃驊港西側(cè)綜合港區(qū)工程的圍墾減少了灘槽容量，新北導堤的建設(shè)在黃驊港西北側(cè)形成一個兩端寬中間窄的類沙漏狀區(qū)域，受到束窄效應(yīng)的影響，最東段圍墾區(qū)與北導堤間區(qū)域內(nèi)的漲、落潮流速有所增加。2013年工程下，綜合港區(qū)北導堤延伸工程的建成改變了黃驊港工程區(qū)域的水流運動情況，在導堤和防沙堤的掩蔽作用下綜合港區(qū)內(nèi)部航道漲落潮流速有較大幅度的減小。

圖5 黃驊港典型工況下漲急流場Fig.5　M aximum flood current fieldsunder typicalconstruction stages

3.2工程建設(shè)對泥沙輸運的影響

由圖6可以看出：高懸沙濃度區(qū)域為港區(qū)東南面濱州港導堤附近以及黃驊港西北部灘地附近。結(jié)合3.1節(jié)的流場分析，導堤阻礙了周圍水體的交換過程并在導堤附近形成沿堤流，該海域的粉沙淤泥質(zhì)泥沙易隨潮流輸運，近岸在沿堤流作用下沿堤運動至口門，并在轉(zhuǎn)流時刻經(jīng)口門橫流作用越過導堤。黃驊港一期工程時，導堤雖產(chǎn)生一定的阻水效應(yīng)但因其長度短，經(jīng)過黃驊港口門的大范圍橫流使黃驊港東南、西北區(qū)域間懸沙尚能輸運和交換；外航道整治工程后，導堤延伸工程把港區(qū)東南和西北區(qū)域分割成兩片相對獨立的區(qū)域，口門橫流減弱，港區(qū)東南區(qū)域水體漲潮平均流速減小了0.10 m/s，落潮沿堤流、沿岸流速增加了0.05 m/s左右，減少了漲潮來沙，增加了落潮向外海輸沙，從而使東南區(qū)域含沙量及輸運范圍都有所減??；2011年綜合港區(qū)導堤的建設(shè)加上黃驊港西北側(cè)區(qū)域的圍墾導致了灘地面積減小，使黃驊港西北面近岸區(qū)域含沙量有所下降，但是西北側(cè)導堤的建設(shè)也使得綜合港區(qū)形成口小腹大，導堤內(nèi)側(cè)的含沙量有所積聚；對比2006年與2013年工程，2013年工程下由于綜合港區(qū)北導堤延伸工程的建設(shè)，黃驊港西北側(cè)的含沙量明顯降低，同時延伸工程堤頭的挑流和阻水效應(yīng)改變了原煤炭港區(qū)口門處的水流狀態(tài)，橫流范圍進一步減小，一定程度上阻礙了東南、西北區(qū)域的懸沙交換，降低了黃驊港兩側(cè)近岸區(qū)域與原口門處的高懸沙濃度范圍。

圖6　黃驊港典型工況下全潮平均含沙量場Fig.6　Tidal-averaged sedimentconcentration fieldsunder typical construction stages

4　結(jié)語

隨著黃驊港工程的不斷進展，不同位置的導堤、防波堤和港口建筑物等的陸續(xù)建成，勢必影響近岸海域的潮流和泥沙輸運。本文通過已驗證的黃驊港潮流模型和泥沙輸運模型對黃驊港一期工程、外航道整治工程以及2011年工程和2013年工程4種工況下的潮流和泥沙輸運進行模擬、對比和分析，得到以下主要結(jié)論：

1）遠離港區(qū)的海域潮流為旋轉(zhuǎn)流，導堤附近的潮流運動呈現(xiàn)出明顯的沿堤往復(fù)流特性；近岸泥沙在沿堤流作用下沿堤輸運，一期工程因?qū)У涕L度短，通過口門的繞流水體黃驊港東南和西北區(qū)域間的懸沙進行輸運和交換。

2）外航道整治工程后的各工況下，煤炭港區(qū)導堤的延伸增強了導堤的阻水效應(yīng)，把港區(qū)東南和西北區(qū)域分割成兩片相對獨立的區(qū)域；東南區(qū)域總體含沙量大小及泥沙輸運范圍均有所減小。

3）2011年和2013年黃驊港西側(cè)綜合港區(qū)長北導堤工程的建設(shè)進一步阻礙了東南和西北區(qū)域的水體和懸沙交換，降低了黃驊港兩側(cè)近岸區(qū)域與原口門處的高懸沙濃度范圍。

[1]龔艷君，朱龍海，徐永臣，等.港口工程對粉砂淤泥質(zhì)岸灘的影響[J].海洋地質(zhì)動態(tài)，2008（7）：10-14. GONG Yan-jun,ZHU Long-hai,XU Yong-chen,et al.Influence ofharborengineering on silt-muddy coastal flat[J].Marine Geology Letters,2008(7):10-14.

[2]侯志強.黃驊港外航道整治工程后沿堤流分析[J].水運工程，2008（11）：121-127. HOUZhi-qiang.Analysisof the currentalong breakwaterafter regulation of the breakwater in Huanghua Port[J].Port&Waterway Engineering,2008(11):121-127.

[3]侯慶志.渤海灣連片開發(fā)對于海岸灘涂動力環(huán)境及演變過程的影響研究[D].南京：南京師范大學，2013. HOU Qing-zhi.Study for impacts of contiguous development in Bohai Bay on coastalmudflathydraulic environmentand evolution process[D].Nanjing:Nanjing Normal University,2013.

[4]陶建峰，張長寬，姚靜.江蘇沿海大規(guī)模圍墾對近海潮汐潮流的影響[J].河海大學學報：自然科學版，2011（2）：225-230. TAO Jian-feng,ZHANGChang-kuan,YAO Jing.Effectof largescale reclamation of tidal flats on tides and tidal currents in offshore areas of Jiangsu Province[J].Journal of HohaiUniversity: Natural Sciences,2011(2):225-230.

[5]王勇智，吳頔，石洪華，等.近十年來渤海灣圍填海工程對渤海灣水交換的影響[J].海洋與湖沼，2015，46（3）：471-480. WANG Yong-zhi,WU Di,SHIHong-hua,etal.Impactof reclamation on water exchange in Bohai Bay in recent decade[J]. OceanologiaetLimnologia Sinica,2015,46(3):471-480.

[6]Deltares.Delft-FLOW usermanual[K].The Netherlands:Deltares, 2014.

[7]PARTHENIADESE.Erosion and deposition of cohesive soils[J]. Journalof theHydraulic Division,ASCE,1965(91):Y1.

[8]VAN RIJN LC.Principles of sediment transport in rivers,estuaries and coastalseas[M].The Netherlands:AQUAPublications,1993.

[9] 張慶河，張娜，胡嵋，等.黃驊港泥沙靜水沉降特性研究[J].港工技術(shù)，2005（1）：1-4. ZHANGQing-he,ZHANGNa,HUMei,etal.Settling propertiesof Huanghua harbour sediment in still water[J].Port Engineering Technology,2005(1):1-4.

[10]WILLMOTTC J.On the validation ofmodels[J].PhysicalGeography,1981,2(2):184-194.

Im pact analysis of Huanghua Harbor development on hydrodynam ic and sediment environment

GU Jie1,LIUPeng-chen2,SONGHong-lin3*,MA Zhen4,XIEHai-lan4
（1.CollegeofMarine Sciences,ShanghaiOcean University,Shanghai201306,China; 2.ShanghaiMunicipal Engineering Design Institute(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200092，China; 3.DepartmentofHydraulic Engineering,CollegeofCivil Engineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 4.Tianjin Institute ofGeology and Mineral Resources,Tianjin 300170,China）

With the developmentof Huanghua Harbour,the continuous construction of jetties,breakwaters and other structures certainly affect the hydrodynamic and sediment environment in near-shore coastal waters.A hydrodynamic and sediment transportmodel of Huanghua Harbor coastalwater is set up with Delft3D to simulate the changes of tidal currentand sediment transport under four construction stages:first-stage project,outerwaterway regulation project,2011 projectand 2013 project. The results indicate that:the short breakwaters in the first-stage project had lim it effect on sediment transport in coastalwater between the southeast partand northwest partof the harbor;after the outerwaterway regulation project,the southeast partand northwest partof Huanghua Harbor had been divided into two relatively separate regions,and the sediment concentration and sediment transportamount in the southeastpartwere reduced;the construction of long northern jetty in the general port district further impeded theexchangeofwater body and sediment transportbetween the southeastpartand northwest partof Huanghua Harbor,thus reducing the range of high concentration suspended sediments in Huanghua coastal area and around the entrance of coalport.

Huanghua Harbour;engineering construction;hydrodynam ics;sediment transport;Delft3D

U651.3；TV148

A

2095-7874（2016）10-0008-05

10.7640/zggw js201610002

2016-05-31

2016-07-25

中國地質(zhì)調(diào)查局項目（1212011120087）；河北省科學技術(shù)研究與發(fā)展計劃（11276709D）

顧杰（1961—），男，江蘇興化人，教授，主要研究方向為河口海岸動力與環(huán)境。*通訊作者：宋竑霖，E-mail：021_hlsong@#edu.cn