港口工程建設對萊州灣水動力環(huán)境影響的數(shù)值研究

劉建強，馬林娜，張永強，胡澤建

（1.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院 青島 266110；2.國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061）

萊州灣位于渤海西南端，為一半封閉性海灣，灣內(nèi)水深較淺，水交換能力較差。近年來，萊州灣內(nèi)港口工程建設及規(guī)劃步伐較快，岸線發(fā)生較大變化，濰坊港于2005年建成萬噸級碼頭、航道及防波擋沙堤，2010年建成雙堤環(huán)抱、單一口門的港口布局。根據(jù) 《東營港廣利港區(qū)總體規(guī)劃》，廣利港航道整治工程擬建設5 000噸級進港航道、防潮堤和航道兩側的防沙堤，兩道防潮堤及防沙堤總長約34 178 m，如圖1所示。

圖1 萊州灣規(guī)劃港口布局

本研究基于MIKE21模型建立萊州灣二維平面潮流數(shù)值模型，對濰坊港擴建前后和廣利港規(guī)劃方案的流場變化進行數(shù)值模擬，分析討論不同港口工程建設對萊州灣水動力環(huán)境的影響，旨在為萊州灣內(nèi)港口設計和施工工藝提供參考。

1 數(shù)值模型

1.1 模型方程

本研究采用MIKE21平面二維潮流數(shù)值模擬，其連續(xù)方程和動量方程為：

式中：t為時間；h＝η＋d，其中η、d分別為水位和水深；分別為流速在x、y方向的分量；f為科氏力系數(shù)；g為重力加速度；ρ為水的密度；sxxsxysyxsyy為輻射應力張量分量；Txx、Txy、Tyy為水質(zhì)點側向應力，包括黏滯摩擦力、紊流摩擦力和對流力等；τsx、τsy分別為海面風摩阻在x、y方向分量；τbx、τby分別為海底摩阻在x、y方向分量。

1.2 模型配置和參數(shù)設置

1.2.1 模型配置

大區(qū)域模型計算范圍 WE向為117°35′11.48″E～122°2′3.32″E，NS 向 為 37°9′13.22″N～40°49′33.42″N，計算區(qū)東西寬約410 km，南北長約436 km，模型計算網(wǎng)格步長約3 500 m。為了能清楚了解本工程附近海域的潮流狀況，將主要研究區(qū)海域黃河口至刁龍咀西南海域（圖2）進行加密，重點研究區(qū)計算網(wǎng)格空間分辨率約100 m。

圖2 研究區(qū)域和水深

開邊界通過水位變化來驅動，在計算中將流場分解為潮流場和余流場的疊加，故水位的表達式為

式中：A0為余水位；fi為各分潮的交點因子；（υ0＋u）i為分潮的交點訂正角，由地理位置和具體日期確定；ωi為分潮的角頻率；Hi和gi為分潮的振幅和遲角；N為分潮個數(shù)，在模式計算中，考慮了研究區(qū)域的7個主要分潮，即M2、S2、K1、O1、M4、MS4、S4，在開邊界處的振幅和遲角參考1993年出版的 《渤海黃海東海海洋圖集》（1993年）選取，計算時，結合實測數(shù)據(jù)予以修正。

計算岸線為東營市政府公布岸線，海域海圖0 m以深水深值由數(shù)字化海圖得到，0 m以淺的潮灘水深由最高高潮和0 m等深線內(nèi)插得到。

1.2.2

干濕邊界值陸地值為0.01 m，漫水區(qū)為0.05 m，濕水區(qū)為0.1 m。渦黏系數(shù)采用Smagorinsky常系數(shù)，取Cs＝0.28。海底摩阻曼寧數(shù)取常系數(shù)M＝40。

1.3 模型驗證

采用工程海域2007年10月26日10時至27日11時兩站大潮期實測海流 （L1～L2）及水位 （W1）數(shù)據(jù)和2007年11月10日12時至11日13時4站大潮海流觀測數(shù)據(jù) （H1～H4）對模型進行驗證，觀測站位見圖3。

潮位及各站流速、流向實測值與計算值的驗證曲線見圖4（a）～圖4（g），由圖可見，各測站計算值與實測值二者總體趨勢差異不大。

2 計算結果

濰坊港單堤時萊州灣海域流場特征圖5和圖6，漲急時刻，計算域內(nèi)的潮流由萊州灣外向灣內(nèi)流動，其中萊州淺灘、老黃河口東南側流速仍較大，分別為101 cm/s、94 cm/s；流向特征總體體現(xiàn)為，海流從萊州灣灣口沿偏S向向灣內(nèi)流入，在萊州淺灘與老黃河口一線，流向偏為SW向，后在黃河三角洲南側轉為偏W向、在萊州淺灘南側轉為偏S向。落急時刻，計算域內(nèi)的潮流由萊州灣內(nèi)向灣外流動，整個萊州灣海域存在3個高流速區(qū)，為屹坶島西北側、萊州淺灘、老黃河口東南側，其最大流速分別為69 cm/s、104 cm/s和98 cm/s，流向特征則體現(xiàn)為，黃河三角洲南側海域為偏E向，萊州淺灘南側海域為偏N向，萊州灣灣口附近總體呈現(xiàn)為偏NE向。

濰坊港雙堤建設后萊州灣海域流場特征圖7和圖8，漲落急時刻萊州灣海域流場特征與單堤時相比，除濰坊港處外總體基本一致，濰坊港雙堤建設對潮流場的改變主要集中在濰坊港鄰近海域。漲急時刻，在濰坊港防波堤西北側及防波堤口門處潮流流速略大，約49 cm/s、75 cm/s，濰坊港雙堤北側海域，潮流主流向為偏W向，在濰坊港雙堤附近潮流流向則體現(xiàn)明顯的順堤流特征；落急時刻，濰坊港防波堤北端與老黃河口南端為兩者形成半封閉海域的“灣口”，兩者之間流速較大，約59 cm/s，潮流流向總體呈現(xiàn)為偏E向，在濰坊港雙堤兩側和堤內(nèi)，順堤流較明顯。

廣利港實施后萊州灣海域流場特征見圖9和圖10，由于廣利港規(guī)劃防波堤軸線與潮流主流向交叉角較小，規(guī)劃防波堤的實施對黃河三角洲南岸潮流主流向影響有限。漲急時刻，潮流主流向為偏W向，濰坊港雙堤北側順堤流明顯，且濰坊港和廣利港堤頭處均存在明顯的挑流，兩者之間流速約33 cm/s；落急時刻，廣利港堤頭北側流速大于其南側流速，約58 cm/s，潮流主流向總體呈現(xiàn)為偏E向。

3 結論

通過萊州灣的連續(xù)實測海流數(shù)據(jù)與模擬結果進行比較，可以看出兩者趨勢基本符合，說明該模型能較精確地重演該海域的潮流場分布情況。

1 濰坊港雙堤建設后，濰坊港雙堤堤身兩側潮流流速有所減小，堤頭附近潮流流速明顯增大，廣利港規(guī)劃方案實施后也存在同樣的變化趨勢，其中位于新形成 “灣”內(nèi)的潮流流速均存在不同程度的減弱，而 “灣”口潮流流速均增大，港口工程實施對 “灣”的影響程度則略輕。

（2）由于廣利港防波堤軸線與研究海域主流向基本一致，對流場的影響略小，港口工程建設對潮流場的影響主要集中在工程鄰近海域，又由于濰坊港和廣利港的布局占據(jù)了萊州淺灘至老黃河口南側海域的近1/4，因此港口工程的實施對潮流場的影響還是明顯存在的。