唐山港曹妃甸港區納潮河開通對流場影響研究

張 娜，趙雪夫，韓志遠，陳 純

(1.天津大學 建筑工程學院，天津 300072；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業重點實驗室,天津 300456；3.中國人民解放軍91053部隊，北京 100070)

曹妃甸港區位于渤海灣的-30 m深槽水域，具有天然優良的水深條件。2003年3月，曹妃甸通島公路開始建設，標志著曹妃甸大港建設正式拉開序幕[1]。同時，通道公路的建設也阻斷了淺灘潮道(納潮河)[2]。隨后的10年間，曹妃甸開始大規模建港行動，吹填形成了大量陸域，并形成五個港池，分別為中區一港池、中區二港池、東區一港池、東區二港池和東區三港池。截止到2015年，中區一、二港池內已有部分碼頭建成，港池內除最內端保持自然水深外，大部分水域已疏浚至設計水深。2016年8月在對納潮河大橋橋下進行挖掘以及潮流自然的沖蝕下切下納潮河開通[2]。

很多學者都對曹妃甸圍海造陸不同階段流場進行了數模預測，但關注的主要是圍海造陸對周邊海域的影響。比如，戚健文[3]采用三維潮流數學模型對曹妃甸2009～2012和遠期規劃條件下流場進行模擬，分析不同階段港池和甸頭流速變化；王斌[4]應用SMS軟件建立渤海二維潮流數學模型對曹妃甸圍海工程前、近遠期方案下水動力情況進行了模擬；陸永軍[5]應用波流共同作用下二維泥沙數學模型研究了曹妃甸前島后陸的港區圍墾方案對水動力環境的影響問題, 包括該工程引起的曹妃甸甸頭以南深槽、老龍溝深槽及各港池的流速變化及底床的沖淤變形等。孫欽幫[6]利用有限差分ADI 方法建立曹妃甸海域平面二維水動力數學模型，對曹妃甸工業區圍填海工程前后曹妃甸海域的潮流場進行了模擬，分析了圍填海工程對曹妃甸海域的影響范圍及程度。

2014年后，曹妃甸圍海造陸工作基本完成，各港池、碼頭泊位主要實施疏浚工作。2016年納潮河開通一過水通道，現場實測資料顯示，納潮河的開通會對港池間流態產生一定的影響，因此本文在現場實測資料基礎上，采用二維潮流數學模型，對納潮河開通后流場進行了模擬，并對變化情況進行分析，為今后納潮河不斷拓寬，港內碼頭安全運營提供參考依據。

1 潮汐特征

圖1 曹妃甸港區平面布置示意圖Fig.1 Plane layout of Caofeidian port area

(1)根據2000年10月～2001年10月現場實測潮汐資料，曹妃甸海區潮汐形態數(HO1+HK1)/HM2=0.81，屬于不規則半日潮。該海域的潮位特征值如下(基準面為當地理論最低潮面)。

年最高高潮位： 3.38 m 年平均低潮位： 1.07 m

年最低低潮位： 0.14 m 年平均高潮位： 2.47 m

年平均海平面： 1.77 m 年平均潮差： 1.40 m

(2)2015年6月28日～8月5日、2017年2月23日～3月9日布設T1(中區一港池口門內側)、T2(中區二港池頂部)和T3(東區一港池)臨時潮位站(站位見圖1)進行潮位觀測，潮位特征如下：

根據2015年6月28日至8月5日期間潮位統計可知：T1、T2、T3站平均潮差分別為1.65 m、1.80 m、1.56 m，平均高潮位分別為2.80 m、2.86 m、2.67 m，平均低潮位分別為1.14 m、1.05 m、1.12 m，平均潮位為1.97 m、1.96 m、1.94 m。3站的平均潮差和平均高潮位T2>T1>T3，平均低潮位T1>T3>T2，平均潮位為T1>T2>T3。

根據2017年2月23日至3月9日期間潮位統計可知：T1、T2、T3站平均潮差分別為1.54 m、1.65 m、1.51 m，平均高潮位分別為2.46 m、2.51 m、2.46 m，平均低潮位分別為0.91 m、0.85 m、0.93 m，平均潮位為1.69 m、1.69 m、1.73 m。3站的平均潮差T2>T1>T3，平均高潮位T2>T3=T1，平均低潮位T3>T1>T2，平均潮位為T3>T2=T1。與2015年數據相比，T3站與T2站的平均高潮位、潮差差值有所減小，這可能與觀測期間東區港池和中區二港池已挖通有關。

2 現場潮流監測結果分析

2.1 納潮河開通前流場特征

在曹妃甸港建設過程中分別于2005年3月、2006年3月、2006年7月、2007年7月以及2014年6月分別進行過全潮水文觀測，多次監測結果顯示：曹妃甸圍墾陸域建設過程中，并沒有改變該海域的整體潮流特征，水流依然呈現東西向往復流運動。漲潮時東側來的漲潮水體一部分沿老龍溝航道向東區各港池填充，一部分向甸頭方向流動，繞過甸頭后分別進入中區一、二港池，直到填充到港池最內端。

落潮時水流基本呈反向流出，落潮水體從西側而來，一部分分別進入中區二港池和一港池，一部分沿邊界繼續向東流動，經過甸頭后繼續向東，并于老龍溝航道下泄的落潮流匯合然后向灣外流出。在平面分布上，曹妃甸海域潮流流速具有甸頭附近和東側潮溝內流速較大，淺灘與外海流速稍弱的分布規律。由于岬角效應，甸頭深槽為水流最強區，這也是深槽水深能夠維持的主要動力因素。2014年6月現場實測流速矢量見圖1中C1～C5。

2.2 納潮河局部挖通后流場特征

2016年納潮河開通一過水通道，過水通道在低潮位時寬度在45 m以內，實測水深小于4 m。2017年2月27～28日，在中區二港池和東區水域內布置了5個水文測站，對納潮河局部開通后流態進行了監測，不同時刻流速矢量如圖2所示。分析不同時刻流速情況可知：

C1～C4站基本為往復流，C2站漲潮主流向基本為SW向，落潮主流向基本為NE向，C4站則相反；C1站和C3站位于中區二港池中部，高潮位時為偏E向流，低潮位時為偏W向流。C5站位于中區二港池口門內側，呈明顯的環流特征。

C2、C4站漲、落潮平均流速為0.08～0.18m/s，垂線平均最大流速為0.21～0.40 m/s；C1站和C3站東、西向流的潮段平均流速為0.13～0.16 m/s，垂線平均最大流速介于0.22～0.31 m/s之間；C5站平均流速為0.07 m/s，最大流速為0.18 m/s。

實測潮流資料表明，納潮河挖通后，受東西兩側傳入潮波影響，中區二港池頂部潮波發生變形，呈現前進波的特征，高潮位時為偏E向流，低潮位時為偏W向流。

圖2 二～三港池水域不同時刻潮流矢量(2017-02-28)Fig.2 Tidal current vectors at different times in harbour basin (2017-02-28)

3 數學模型建立及驗證

3.1 模型建立及網格剖分

潮流計算采用Mike系列軟件中的三角形網格水動力模塊(FM模塊)。該軟件由丹麥水工所開發，可以應用于海洋、海岸、河口區域的二、三維水動力計算。FM模塊采用三角形網格，在處理潮流動邊界、復雜工程建筑物邊界等方面具有強大的功能，在國內外許多工程項目研究中得到了廣泛應用[7-10]。

圖3 網格剖分示意圖Fig.3 Sketch of grid mesh

為保證局部流場計算符合潮流場的整體物理特征，采用大、小兩重模型以嵌套方式進行計算。大模型包含整個渤海海域。小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。小模型開邊界條件由大模型提供。計算域采用三角形網格剖分。大模型共9 030個網格節點，計算時間步長從0.01～60 s自動調節。小模型約52 400個網格節點，網格最大空間步長約5 000 m，最小空間步長約10 m，計算時間步長從0.01～5 s自動調節。小模型網格剖分如圖3所示。

3.2 模型驗證

采用2014年6月、2017年2月水文全潮資料對模型進行驗證。部分驗證曲線如圖4所示。由實測與計算結果的比較可見，各測站的計算與實測潮位、流速、流向在連續的變化過程中都比較接近，基本滿足現行《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》要求。總體上看，本報告所建立的潮流模型比較全面地反映了工程區附近海域的潮流運動規律，可對納潮河開通后流場進行模擬，分析開通前后流場變化。

4-a 2014年6月

4-b 2017年2月圖4 實測與計算潮位、流速、流向對比Fig.4 Comparisons between measured and calculated tidal level, current velocity and flow direction

4 納潮河開通前后水流運動模擬

4.1 納潮河開通前潮流特征

圖5 工程前流場(左：漲潮；右：落潮)Fig.5 Flow field before engineering(Left: flood tide; Right: ebb tide)

納潮河開通前，漲潮時東側來的漲潮水體一部分沿老龍溝向東區港池填充，一部分向甸頭方向流動，繞過甸頭后分別進入中區一、二港池，受口門防波堤挑流，港內形成順時針回流。落潮時，落潮水體從西側而來，一部分分別進入中區二港池和一港池，一部分沿邊界繼續向東流動，經過甸頭后繼續向東，并與沿老龍溝下泄的落潮流匯合然后向灣外流出。納潮河附近處于灣頂，中區二港池頂端，水流較弱。流場如圖5所示。

4.2 納潮河局部開通后潮流特征

圖6 納潮河開通后流場(左：漲潮；右：落潮)Fig.6 Flow field after the opening of the Nachao River (Left: flood tide; Right: ebb tide)

納潮河開通后，漲潮時東側來的漲潮水體一部分沿老龍溝向東區港池填充，一部分沿邊界經甸頭向東流動，然后經中區二港池口門進入向灣頂填充，在納潮河西側與東區漲潮水體匯合(圖6)，漲急過后水體繼續經過納潮河向東運動，在納潮河東側與東區漲潮水體相匯；東區港池南側水域水體始終保持向西運動趨勢。落潮時，從西側來的落潮流一部分進入中區二港池向內涌入，然后經納潮河進入東區水域，待3 h后(落潮時刻，圖6)，二港池內水流反向流動，由向北向里轉為向南從口門流出，而三港池始終保持向東側流出狀態。由于中區一港池與其他港池沒有聯通，其漲潮呈現從口門向里，落潮呈現從口門向外流動趨勢。中區一港池口門內5 km以內始終處于回流區。

納潮河通道由于過水通道較窄，水深較淺，最大流速可達到1.7 m/s。中區一港池內流速較小，大部分在0.20 m/s以內。中區二港池流速呈口門外側大，納潮河通道處流速大，中間大部分流速在0.20 m/s以下。東區水域流速呈從西向東逐漸增大的趨勢，流速基本在0.60 m/s以內。

4.3 規劃實施后潮流特征

圖7 規劃實施后局部流速矢量圖(左：漲潮；右：落潮)Fig.7 Vector map of flow velocity after the implementation of the plan (Left: flood tide; Right: ebb tide)

規劃方案實施后，中區一、二和東區港池全部連通，并疏浚至設計水深，中區一港池設計水深-15 m，二港池分南北兩部分，南側設計水深-13 m、北側設計水深-7 m，東區三個港池南側水域設計水深-11 m。數模模擬得到(圖7)，規劃方案實施后，漲潮時東側來的漲潮水體一部分沿老龍溝向東區港池填充，一部分沿邊界經甸頭向東流動，經三港池的漲潮水體會由納潮河進入中區二港池，從二港池流出，并與口門外由東向西的漲潮流匯合。漲潮初期，中區一港池呈進流狀態，口門處于回流區，待3 h后，受北部二港池水流影響，會有一小部分水體從北部涌入一港池，在一港池內形成兩股水流的頂托，一港池內水體流向不斷向南偏轉，但口門5 km內始終處于回流區內。

落潮時，水流基本呈反向，西側來的落潮水流一部分進入中區二港池后再經東區老龍溝航道流出，一部分沿邊界向東流動，并與老龍溝下泄的落潮流匯合然后向灣外流出。待落急過后，從納潮河東側水體反向，中區二港池內水體向南轉向從口門流出。東區港池南側水體始終處于向東側流出趨勢。落潮初期，中區一港池北部水體進入二港池，南側處于逆時針回流區，隨落潮進行，一港池水體呈現向口門流出狀態，待低潮位時呈現向里流動趨勢。

從流速數值角度，規劃實施后，外海流速分布基本沒變，二港池內流速明顯加大，納潮河通道處最大流速接近0.8 m/s，從納潮河向西流速基本呈減小趨勢；一港池流速呈現兩頭大中間小趨勢，口門和位于二港池相交的北端流速較大，但最大流速基本在0.30 m/s以內。

4.4 納潮河開通影響分析

結合以上流場分析結果可知，納潮河開通后，雖然沒有改變大范圍潮流運動特征，但是對中區一、二港池和東區航道北部水域水流運動會產生一定影響。開通前，納潮河兩側為漲潮匯集點，但局部開通后，漲潮期間水流會從東區流向二港池，在二港池內與從口門而入的漲潮流匯合，落潮時東區大部分水體沿老龍溝向外海流出，而少量會通過二港池流出；待納潮河全部開通并疏浚至設計水深，形成三港池連通后，漲潮時水體會經由三港池向二港池流動，而落潮時二港池內一部分經二港池口門流出外，部分水體經東區水域沿老龍溝航道流出，可見，隨著納潮河開通及浚深，曹妃甸港池內水流流動趨勢發生了變化，且納潮河開通后竣深，一、二港池及東區老龍溝航道水域均為流速增加，增加幅度在0.02～0.32 m/s，對船舶靠泊可能會帶來一定的安全隱患，需要引起關注。

將納潮河全部開通并疏浚至設計水深，形成三港池連通前后工程海域全潮平均流速對比可知，納潮河開通后，中區一港池全潮平均流速增加，增幅在0.03～0.13 m/s之間；漲落潮最大流速為0.45 m/s，較工程前增加0.21 m/s，增幅93%。中區二港池漲落潮最大流速為0.44 m/s，較工程前減小了0.25 m/s，減幅37%；全潮平均流速有增有減，變化數值在-0.02～0.15 m/s之間。納潮河通道內漲落潮最大流速為0.48 m/s，較工程前減小了0.21 m/s，減幅30.3%；全潮平均流速變化數值在-0.02～0.17 m/s之間。東區老龍溝航道內漲落潮最大流速為0.87 m/s，較工程前增加0.03 m/s，增幅4%；全潮平均流速增加0.01～0.12 m/s之間。

甸頭附近流速略有變化。華能碼頭前流速以減小為主，最大流速最大減小數值為0.21 m/s，減小幅度為24%以內，平均流速減小數值在0.04～0.11 m/s，減小幅度在8%～24%之間。礦石碼頭前流速變化幅度較小，以略有減小為主，最大減幅在2%以內。原油碼頭前流速有增有減，最大流速變化數值為0.06 m/s，變幅為6%，全潮平均流速變幅4%以內。LNG碼頭前最大流速變化數值最大為0.06 m/s，變幅6%，平均流速變化數值最大為0.04 m/s，變幅為7%，呈減小趨勢。

5 結語

本文采用現場實測和數值模擬兩種手段對納潮河開通前后流場進行了研究，結果表明隨著納潮河局部開通，港池內局部水流運動特征發生了變化：

(1)曹妃甸建港期間，納潮河一直呈封堵狀態，漲潮時漲潮水體分別從老龍溝航道和中區二港池涌入，填充至納潮河封堵處，落潮時反向流出，即納潮河封堵處為分流點。納潮河局部開通后，納潮河兩側漲落潮期間水流流態會發生變化。漲潮期間，水流會經過老龍溝航道進入二港池，而落潮期間，二港池北部一部分水流也會經東區老龍溝航道流出，表明納潮河開通后，其分流點向二港池方向移動；

(2)總體規劃實施，即中區和東區港池連通且疏浚至設計水深后，漲潮水體會經老龍溝航道進入二港池并從二港池口門流出的趨勢，落潮期間，二港池一部分水體經二港池口門流出，一部分會經老龍溝航道流出，表明納潮河的開通對港池局部流態產生了一定影響，但不會影響甸頭及兩側大范圍流場；

(3)納潮河開通后，中區一、二港池及老龍溝航道水域均為流速增加，增加幅度在0.02～0.32 m/s，增加比率可達到150%以上，給船舶靠離泊可能會帶來一定的安全隱患，需要引起關注，建議下一步開展通航安全論證研究。