連云港外航道沿程含沙量計算研究

張 瑋，劉 杰，肖天葆，孫宏杰，楊 松

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098；2.廣東茂名濱海新區管理委員會，茂名525000）

連云港外航道沿程含沙量計算研究

張 瑋1，劉 杰1，肖天葆2，孫宏杰1，楊 松1

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098；2.廣東茂名濱海新區管理委員會，茂名525000）

在淤泥質海岸，含沙量是影響航道回淤的關鍵因素，而外海含沙量資料往往難以獲得。針對連云港海域外海含沙量資料缺乏的現狀，根據已有的7萬t級、15萬t級和25萬t級航道回淤實測資料，利用潮流數學模型，結合規范推薦的兩種淤泥質海岸航道回淤預測公式，反算了外航道沿程含沙量，并對計算結果進行了對比分析。結果表明，根據航道回淤資料反算的含沙量大小與分布較為合理，且不同航道等級條件下反算的含沙量結果較為接近，說明這種計算方法可靠、計算結果穩定；該方法僅適用于海床沖淤平衡條件下外航道含沙量的推算；劉家駒公式與曹祖德公式計算的含沙量結果均能滿足精度要求。

淤泥質海岸；航道；含沙量；經驗公式；數學模型

在淤泥質海岸建港，港池和航道的泥沙淤積是工程技術人員面臨的首要問題。對于淤泥質海岸，泥沙回淤以懸沙落淤為主，沿航道的含沙量是預測航道回淤量的關鍵。受條件限制，海洋水文觀測站大多位于近岸，外海水域含沙量長期實測資料通常較少。

目前，外海含沙量推算主要有兩種方法。第一，經驗公式法。孫連成［1］根據風與含沙量的相關關系，提出了利用風力計算含沙量的經驗計算式。章衛勝［2］在波浪、潮流數學模型中，利用劉家駒淺灘含沙量公式推算了連云港海域平均含沙量場。第二，遙感圖像法。楊華［3］利用衛星遙感圖片對洋山海域懸沙分布規律及運動趨勢進行了分析。廖迎娣［4］利用海洋水色衛星SeaStar/SeaWiFS數據，建立了中國東部沿海懸浮泥沙濃度定量模式。劉紅［5］根據定點水文實測資料，建立表層水體年平均含沙量與月平均含沙量的關系，以及垂線平均含沙量與表層水體含沙量的關系，從而根據遙感資料反演年垂線平均含沙量。

以往，在進行航道回淤預測時，需要首先確定工程水域含沙量，然后再利用經驗公式計算航道回淤。不過，對于已建港口，在進行擴建時，往往可以預先獲得前期航道的回淤實測資料，此時，應充分利用這些資料所包含的寶貴信息。為此，文獻［6］提出了利用航道回淤實測資料，結合潮流數值模擬和航道回淤計算經驗公式［7-9］，反算外航道含沙量的方法，但受資料所限，僅針對連云港7萬t級進港航道進行了初步應用，方法的可靠性和穩定性還有待進一步驗證。

本文將利用連云港15萬t級、25萬t級進港航道的回淤實測資料，結合潮流數學模型和航道回淤經驗公式，計算外航道沿程含沙量，并與7萬t級進港航道回淤資料的計算結果進行對比，藉此分析這種含沙量反算方法的可靠性和穩定性。此外，還將使用不同的航道回淤經驗公式反算含沙量，并加以對比分析。

圖1 連云港港區平面布置及航道沿里程分段Fig.1 Planar layout of Lianyungang Port area and channel sections by mileage

1 基本概況

連云港位于江蘇蘇北沿海，潮汐運動受南黃海駐波系統控制，為正規半日潮。外海潮流為逆時針旋轉流，近岸受地形影響，潮流逐漸向往復流過渡，流向大致與岸線平行［7］。海區波浪以風浪為主，常浪向為偏東北向，強浪向為偏北向。連云港海域近岸水體多年平均含沙量一般在0.21～0.24 kg/m3，灘坡平緩（1/1 000～1/2 000），泥沙中值粒徑為0.002～0.004 mm，屬淤泥質。岸灘泥沙輸移方式主要為“波浪掀沙，潮流輸沙”，近幾十年來，連云港海域基本處于沖淤平衡、局部略有沖刷狀態［10］。

連云港主港區平面布置及航道里程分段見圖1。主港區進港航道主要分為三段：內段走向為292°～112°，對應航道里程為0～1.5 km；轉彎段走向為267°～87°，對應航道里程為1.5～4.5 km；外段走向為243°～63°，對應航道里程為4.5～16.5 km。近年來，連云港主港區進港航道逐步拓寬浚深，2002年底由3.5萬t級擴建至7萬t級（-11.5 m，理論深度基面，下同），2008年擴建至15萬t級（-16.5 m），2012年25萬t級航道（-19.8 m）建成通航。

連云港主港區進港航道歷次疏浚完工后，均進行了航道回淤觀測，航道回淤強度統計以年為單位，回淤觀測不足一年或超過一年的均折算成一年。連云港進港航道由7萬t級浚深至15萬t級時，僅僅改變了航道的尺度；而浚深至25萬t級時，不僅改變了航道尺度，還修建了環抱式防波堤，這將改變港區水域的水動力條件，影響海床的沖淤平衡［11］。航道沿程回淤強度實測結果詳見圖2、表1，由此可知：（1）7萬t級、15萬t級進港航道回淤強度由近岸到外海均是先增加后減小，回淤峰值區段位于口門附近（航道里程2～7 km），口門以外航道回淤強度逐漸減小；（2）15萬t級航道回淤強度大于7萬t級，主要與航道深度有關，航道浚深后，航槽內流速減小，挾沙水流經過航道時更易落淤；（3）25萬t級航道回淤強度小于15萬t級航道回淤強度，這主要由環抱式防波堤的修建所導致［12］。

圖2 7萬t級、15萬t級和25萬t級航道回淤強度Fig.2 Siltation intensity in channel of 70 000 DWT，150 000 DWT and 250 000 DWT

2 潮流數學模型

2.1 基本方程

（1）水流連續方程

（2）水流動量方程

式中：x、y為直角坐標系坐標；t為時間；h為平均水深；ζ為相對于平均海平面的潮位；Ux、Uy為x、y方向上的垂線平均流速；ρ為水體密度；g為重力加速度；Nx、Ny為x、y方向的水平紊動粘性系數；f為科氏參數（f=2ωsinφ，ω為地球旋轉角速度，φ為緯度）；τx、τy為床面切應力在x、y方向的分量。

2.2 模型的建立和求解

2.2.1 模型范圍

根據研究內容的要求，模型范圍西自現有岸線，南起廢黃河口（34°17′00″N，120°17′E），東至（35°22′30″N，120°17′E），北接日照（35°22′30″N，119°33′E），東西寬約100 km，南北長約120 km，模型范圍內水域面積約8 648 km2。

2.2.2 外海邊界條件

連云港海域泥沙數學模型的西邊界、南邊界為閉邊界（陸邊界），北邊界、東邊界和灌河為開邊界（水邊界）。對于開邊界，由東中國海模型提供潮位過程；對于閉邊界，根據不可入原理，取法向速度為0。

2.2.3 求解方法

采用ADI算法數值求解上述方程組，也就是把每一個時間步長分成兩步進行，前半步隱式計算x方向流速分量及潮位，顯式計算y方向流速分量；后半步隱式計算y方向流速分量及潮位，顯式計算x方向流速分量。此外，采用干濕判別技術進行動邊界處理。

表1 7萬t級、15萬t級和25萬t級航道沿程淺灘水深及回淤強度Tab.1 Shoal water depth and siltation intensity along channel of 70 000 DWT，150 000 DWT and 250 000 DWT

3 外航道沿程含沙量的推算

3.1 航道回淤計算公式

連云港海域為淤泥質海岸，根據《海港水文規范》［10］，在海床基本處于沖淤平衡狀態下的淤泥質海岸開挖航道，其淤積強度可采用劉家駒公式（式（4））或曹祖德公式（式（5））計算

式中：P1為航道底部單位面積的淤積強度，m/a；ω為細顆粒泥沙的絮凝沉降速度，m/s，文中取為0.000 54 m/s；S1為相應于平均水深d1的淺灘水域的平均含沙量，kg/m3；t為淤積歷時，s；γ0為淤積物的干容重，kg/m3，文中取為640 kg/m3；K1、K2分別為橫流和順流淤積系數，文中K1取為0.35，K2取為0.13；d1、d2分別代表淺灘平均水深和航道開挖后的水深，m；θ為航道走向與水流流向之間的夾角，（°）；α為經驗系數，文中取為0.45。

3.2 外航道沿程含沙量計算結果

根據7萬t級、15萬t級和25萬t級航道回淤實測資料，結合潮流數學模型計算結果，分別采用劉家駒公式、曹祖德公式反算7萬t級、15萬t級和25萬t級外航道沿程含沙量，結果見圖3、表2。

計算結果表明，對于7萬t級進港航道，沿程含沙量由近岸到外海先增加后減小，最高含沙量0.24～0.26 kg/m3，位于航道里程6.0～6.5 km處，航道里程14.0 km以外含沙量小于0.1 kg/m3。該結果與金镠［13-14］等得到的連云港海域含沙量橫向分布相近，表明公式反算的含沙量結果較為合理。

對于15萬t級進港航道，沿程含沙量由近岸到外海也是先增加后減小，最高含沙量0.23～0.26 kg/m3，位于航道里程6.0～7.5 km處，與7萬t級時的結果基本一致，表明這種反算含沙量的計算方法所得結果較為穩定。至于航道里程13.0 km以外部分海域，15萬t級時的含沙量與7萬t級時的結果有一定差異，可能與該段航道附近海域設置拋泥區有關。

圖3 航道沿程含沙量Fig.3 Sediment concentration along channel

對于25萬t級進港航道，航道里程10.0 km以內，沿程含沙量小于7萬t級、15萬t級較多，而航道里程10.0 km以外，沿程含沙量與7萬t級、15萬t級時較為接近。經分析，環抱式防波堤修建后，口門附近水動力發生顯著變化，海床沖淤平衡狀態遭到破壞，式（4）、式（5）不再適用，因此其計算的口門附近含沙量偏差較大；而外海區域由于基本不受工程影響，海床仍基本處于沖淤平衡狀態，故公式計算的航道含沙量結果與7萬t級、15萬t級時基本相同。

3.3 公式的選取對計算結果的影響

對比不同航道等級下，劉家駒公式與曹祖德公式計算含沙量的結果（詳見圖3和表2），兩種公式計算的各航道等級下含沙量的大小與趨勢基本一致。7萬t級時，兩種公式計算沿程含沙量的相對誤差最大為9%，15萬t級、25萬t級時，兩種公式計算沿程含沙量的相對誤差最大為11%。由此可見，盡管兩種公式的形式不同，但是計算含沙量結果的精度基本相同，公式的選取基本不會對計算結果產生影響。

表2 7萬t級、15萬t級和25萬t級外航道沿程含沙量的計算結果Tab.2 Calculation results of sediment concentration along outer channel of 70 000 DWT，150 000 DWT and 250 000 DWT

4 結論

（1）鑒于根據航道實測回淤資料推算含沙量的方法缺乏驗證的情況，利用連云港15萬t級、25萬t級進港航道的回淤實測資料，計算了外航道沿程含沙量，并與7萬t級時的外航道沿程含沙量進行了對比。結果表明，該計算方法較為可靠，計算結果較為穩定。

（2）根據計算，7萬t級時，連云港進港航道沿程含沙量由近岸到外海先增加后減小，最高含沙量為0.24～0.26 kg/m3，位于航道里程6.0～6.5 km處，航道里程14.0 km以外含沙量小于0.1 kg/m3；15萬t級時，沿程含沙量變化趨勢也是先增加后減小，最高含沙量為0.23～0.26 kg/m3，位于航道里程6.0～7.5 km處，與7萬t級時的結果基本一致。

（3）該方法僅適用于海床沖淤平衡狀態下外航道含沙量的反算。25萬t級時，航道里程10.0 km以外含沙量與7萬t級、15萬t級時基本相同，而航道里程10.0 km以內含沙量則相差較大。

（4）劉家駒公式與曹祖德公式計算的含沙量結果本質上沒有區別。7萬t級時，兩種公式計算含沙量的結果相對誤差最大為9%，15萬t級和25萬t級時，兩種公式計算含沙量的結果相對誤差最大均為11%。

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Calculation of sediment concentration along approach channel to Lianyungang Port

ZHANG Wei1,LIU Jie1,XIAO Tian?bao2,SUN Hong?jie1,YANG Song1
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Administration Committee of Guangdong Maoming Binhai New Area,Maoming 525000,China）

The suspended sediment concentration(SSC),a key factor in predicting the siltation intensity in ap?proach channels of muddy coast,is very difficult to be measured in open seas.Due to the limited data of SSC in Li?anyungang sea area,according to the observed silting data in approach channels of 70 000 DWT,150 000 DWT and 250 000 DWT,a mathematic model of tidal current and two formulas recommended by the Code of Hydrology for Sea Harbor for predicting the siltation intensity were used to calculate the SSC along the approach channel,and then the computation results were compared.The research shows that the size and distribution of the SSC calculated by the observed silting data are reasonable and the SSC of different levels are very close,which prove that the calcu?lation method is reliable and the computation results are stable.This method is only suitable for the prediction of SSC along the outer channel on the seabed in the balance of erosion and deposition.The calculation results by Liu Jiajv formula and Cao Zude formula all meet the accuracy requirements.

muddy coast;channel;SSC;empirical formula;mathematical model

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2017）02-0115-05

2016-07-22；

2016-11-10

國家高技術研究發展計劃（2012AA112509）

張瑋（1958-），男，山東青島人，教授，博導，主要從事港口航道工程研究。

Biography：ZHANG Wei（1958-），male，professor.