東營市濱海防潮堤潮流泥沙模型試驗研究

張正華

（東營市水務局，山東 東營257091）

隨著東營市沿海經濟帶發展不斷加快，搞好濱海生態防潮堤建設，對于增強自然災害防御能力，提升濱海城市形象，增強城市綜合競爭力具有重要意義。本文主要采用潮流、泥沙數值模擬方法，對濱海生態城防潮堤水動力泥沙條件進行研究，通過收集分析有關歷史、實測資料，掌握本工程附近水域水動力和泥沙特征，并使用二維潮流泥沙數學模型對工程實施前后潮流場、泥沙場變化進行了分析研究，研究結果可為設計提供依據和支持。擬建的東營市濱海生態城防潮堤位于東營市中心城以東，北起永豐河口，南到小清河與廣饒防潮堤南端相接，主海堤長度30.8 km，壩體圍墾海域面積約140 km2。

1 二維潮流泥沙數學模型

1.1 數學模型的建立

1）基本方程：

連續性方程：

動量方程：

懸移質不平衡輸沙方程：

河床變形方程：

式中：t 為時間；u 和v 為沿x、y 方向上的流速分量；h 為總水深；f 為科氏力系數；g 為重力加速度；k 為海底摩擦系數；Ax和Ay為沿x、y 方向的水平渦動黏性系數；S 為沿深度平均的含沙量；S*為波流共同作用下的挾沙力；a 為沉降幾率或恢復飽和系數；ω 為泥沙沉速；η 為底高程；γ0為泥沙容重。

2）模型設置及網格劃分。本工程處于萊州灣西側，潮流運動較為復雜，模型采用三角形網格進行剖分和計算。為精確模擬本工程海域潮流運動，建立了包含整個渤海灣、遼東灣和萊州灣大尺度整體數學模型，該模型開界位于大連老虎灘至煙臺連線上，相鄰網格節點最大間距為10 000 m，在工程附近水域進行局部加密，最小間距為10 m，計算時間步長0.5 s。潮流數學模型開邊界由中國海潮汐模型提供，波浪模型和泥沙模型開邊界由天津水運工程科學研究所根據實測資料經調試給出。

1.2 模型驗證

為驗證模型的合理性，在工程海域順擬建工程方向布置3 個全潮測站。采用2011 年6 月大、小潮水文全潮資料，廣利河口附近海域2008 年10 月15 日～16 日、2008 年10 月18 日～19 日和2008 年10 月24 日～25 日大、中、小潮的全潮歷史水文數據進行驗證。

本海域無實測波浪、海床底質資料，SWAN風浪模型采用臨近的黃驊港、濰坊港等海域實測資料驗證，模型計算時采用與黃驊港、濰坊港海域風浪計算時相同的參數。

本文根據全潮水文現場觀測資料對泥沙運動模型進行了驗證計算，采用大潮2011 年6 月20 日12 時、2008 年10 月15 日11 時，中潮2008年10 月18 日11 時，小潮2011 年6 月28 日12時、2008 年10 月24 日11 時實測含沙量與模型計算結果進行比較驗證。

經驗證，數模計算結果與實測結果有較好的一致性。所建模型較好地反映了潮流作用下工程附近海域的潮流、泥沙運動規律，滿足交通運輸部《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》規范要求，并可進一步為風浪和泥沙運動模擬提供必要的水流動力條件。

2 工程建設前后流場情況

2.1 年常規動力作用

工程實施前：1）海域等深線和岸線接近平行，潮流以往復流形式運動。水流主體漲急時刻為向岸運動，落急時刻為離岸運動；水流主體漲、落急流速等值線分布基本與岸線平行，且由岸向海流速逐漸增大。2）漲潮流速最大為0.69 m/s，平均流速最大為0.33 m/s，均出現在大堤東南拐角附近；落潮最大流速0.55 m/s，平均流速最大為0.30 m/s，均出現在大堤東南拐角附近。3）從漲、落潮流速來看，漲潮流速略大于落潮流速；從流速分布來看，大堤沿線流速分布基本均勻。

工程實施后：1）工程區海域流速整體上呈減小趨勢，局部區域流速略有增加，流速增大區域主要集中在廣利河口附近及大堤東南、東北拐角處。從流向上看，工程區以外流向變化較小，隨著逐漸靠近工程區，水流流向開始逐漸偏轉，到堤前時水流流向由近乎東西向往復流變成沿堤的往復流。2）漲潮流速最大為0.98 m/s 左右，漲潮平均流速最大為0.48 m/s；落潮最大流速0.74 m/s，落潮平均流速最大為0.43 m/s。漲、落潮最大流速及最大平均流速均出現在大堤東南拐角附近。3）由于堤頭繞流的存在，堤東南、東北兩側拐角處測點，流速略有增大；其余測點流速均有所減小，特別是東側迎海面，流速最大減小0.33 m/s，落潮最大減小0.29 m/s。4）大堤東北拐角處，漲潮時流速最大增大0.06 m/s，落潮流速最大增大0.02 m/s；大堤東南拐角處，漲潮時流速最大增大0.29 m/s，落潮流速最大增大0.19 m/s。由于防潮大堤東南、東北拐角處流速增加，需注意拐角處堤腳的沖刷。

對比漲、落潮流速來看，工程實施前后，流場變化主要在工程區附近，海域區域外潮流運動基本不變。工程區域漲、落潮流速整體上基本相當；從流速分布來看，堤東南、東北兩側拐角處流速較大，其余部位流速較小。

2.2 風暴潮作用

選擇了給當地帶來嚴重影響的9711 號臺風作為大風動力條件，分析一次較大的風浪過程后防潮堤附近的變化。本次風暴潮發生時：1）工程區域風向基本為90°，為向岸風。2）大堤附近增水較大，堤前最大增水約0.96 m，由南向北整個堤前增水基本相同，該風暴潮過程中堤前基本無減水。3）由于大風的作用，大堤附近水流沿風向發生偏轉（大堤附近風向約90°，東風），沿堤流趨勢減緩，水流變為向堤方向，堤前壅水嚴重，水深變大，堤前部分區域水流流速減小。防潮堤附近漲潮流速最大為0.74 m/s，漲潮平均流速最大為0.37 m/s，落潮平均流速最大為0.41 m/s，大流速主要集中在廣利河口附近及堤南、北兩側拐角處。

3 工程建設前后地形變化

利用經過驗證的泥沙運動數學模型代表波浪場的計算，對防潮堤工會曾實施后附近地形變化進行了分析。

3.1 年常規動力條件

工程實施前：防潮堤工程海地貌基本穩定，未來的一段時間內，在自然動力作用下防潮堤海域不會有較大的地貌變遷過程。

工程實施后：1）防潮堤外側，大堤東南、東北拐角處及廣利河口附近出現沖刷。其中大堤東南拐角處，沖刷深度最大為0.55 m/a；大堤東北拐角處，沖刷深度最大為0.10 m/a；另外，棧橋附近大堤突起處，地形也有輕微侵蝕。2）防潮大堤外側，其余區域基本呈淤積狀態。廣利河口以南攔門沙附近泥淤積厚度最大，淤積厚度約0.15 m/a，其余部位防潮大堤附近地形變化不大。

3.2 風暴潮作用

9711 號臺風作用下，防潮大堤外側，大堤東南、東北拐角處及廣利河口附近出現沖刷。其中，廣利河口附近沖刷最為嚴重，一場大風沖刷厚度最大為0.11 m；其次為大堤東南、東北拐角處，一場大風最大沖刷厚度分別為0.03 m、0.04 m；大堤其余區域基本呈淤積狀態。

4 結 語

1）濱海防潮堤工程實施后，漲、落潮流速整體上基本相當，以往復流形式運動，流速變化不大，局部流速增加，主要在防潮大堤東南、東北拐角處，需注意拐角處堤腳的沖刷。

2）在常規動力作用下，在防潮堤外側，大堤東南、東北拐角處及廣利河口附近會出現沖刷，其中大堤東南、東北拐角處沖刷深度最大為每年0.55 m、0.10 m，在棧橋附近大堤突起處，地形也有輕微侵蝕。其余區域基本呈淤積狀態。

3）在風暴潮作用下，一場如9711 號臺風的大風會引起嚴重沖刷，主要集中在大堤東南、東北拐角處及廣利河口附近，應引起防潮堤規劃建設部門的高度重視。