濱州港規(guī)劃方案水動力數(shù)值模擬研究及其對黃驊港的影響

李忠舉，劉彥濤，侯志強(qiáng)，左書華

(1.山東省廣饒縣水利工程公司，山東 257300；2.天津津港基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)運(yùn)營工程管理有限公司，天津 300456；3.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，港口向大型化、深水化發(fā)展，濱州港啟動了新一輪的港口規(guī)劃建設(shè)。規(guī)劃中的濱州港位于渤海灣西南岸，濱州市境內(nèi)套爾河入海口以北(圖1)，是山東海上的北大門，又是山東省和天津?yàn)I海新區(qū)連接最近的海上通道。

圖1 研究區(qū)域、測站位置與規(guī)劃方案示意圖

濱州港緊鄰黃驊港，兩港相距約20 km，黃驊港作為我國第二煤炭大港，在國家的整體規(guī)劃和戰(zhàn)略布局中具有舉足輕重的地位，濱州港的規(guī)劃建設(shè)必須要考慮對現(xiàn)有黃驊港的影響。在過去多年間，許多學(xué)者對黃驊港和濱州港的水動力、泥沙環(huán)境等做了大量研究[1-7]。濱州港與黃驊港兩港區(qū)緊鄰，在海床泥沙組成、動力條件上有著某些相似之處，但又不完全相同。濱州港規(guī)劃建設(shè)對黃驊港現(xiàn)狀條件下的海洋動力和泥沙環(huán)境有什么樣的影響、影響程度如何，是港口管理者和學(xué)者們比較關(guān)心的問題，且目前未見相關(guān)研究。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，在掌握該海域水沙環(huán)境的基礎(chǔ)上，采用數(shù)學(xué)模型的方法對濱州港規(guī)劃方案水動力變化、泥沙淤積等進(jìn)行研究，分析濱州港規(guī)劃方案對黃驊港海洋動力和泥沙環(huán)境的影響。

1 研究區(qū)域概況

濱州港位于山東省濱州市、渤海灣的西南側(cè)，地處黃河三角洲沖積、海積平原的濱海海積平原帶，北側(cè)與黃驊港相距20 km。濱州港海域的海床沖淤變化主要受黃河口流路變遷導(dǎo)致的口門變化所影響。黃河自1855年由蘇北歸渤海灣入海，逐步形成了現(xiàn)在黃河三角洲平原[8]。1904年—1929年期間，黃河在套爾河口附近入海，由于黃河入海帶來的大量泥沙，使渤海灣南部近岸海域迅速淤淺和向外淤漲，形成了大范圍淺灘[8]。由于黃河流路的變化及其口門的不斷擺動和南遷，1976年黃河流路在人為影響下，自釣口河流路改走清水溝流路，由清8汊入海，使得套爾河口附近泥沙銳減。由于外來泥沙供給不足，濱州港附近灘面出現(xiàn)沖刷，經(jīng)水動力的分選作用，灘面物質(zhì)明顯趨于粗化[9-10]。本區(qū)水下岸坡是陸地堆積平原的延伸，自西南向東北以坡降1/1 100～1/1 300緩傾至-10 m水深處。

濱州港海區(qū)的潮汐為不正規(guī)半日潮，根據(jù)2006年9月—2007年8月濱州港海域1 a的實(shí)測潮位資料統(tǒng)計(jì)，最高潮位4.33 m，平均潮差1.95 m。海域潮流性質(zhì)基本屬于正規(guī)半日潮流型，潮流運(yùn)動形式為往復(fù)流，套爾河口內(nèi)落潮流速大于漲潮流速，外海漲潮流速大于落潮流速；而且口內(nèi)的流速大于外海的流速[6]。漲潮流向?yàn)槲髂舷颍涑绷飨驗(yàn)闁|北向，其中越向外海漲潮流向越向西偏，落潮流向越向東偏。根據(jù)2006年7月現(xiàn)場實(shí)測潮流資料顯示，套爾河口內(nèi)的漲潮平均流速在0.45～0.64 m/s，落潮平均流速在0.47～0.67 m/s；外海漲潮平均流速在0.34～0.50 m/s，落潮平均流速在0.27～0.41 m/s。

該海域春、秋兩季大風(fēng)次數(shù)較多，1991年—2005年大于6級風(fēng)連續(xù)作用4 h的大風(fēng)天出現(xiàn)次數(shù)為322次，平均每年有21.5次，NE—E向大風(fēng)頻率總占68.7%；波浪動力較強(qiáng)，維持時(shí)間長。

該海域?yàn)┟娴踪|(zhì)主要以砂質(zhì)粉砂為主，表層沉積物中值粒徑平均值在0.024 5～0.048 5 mm，在海岸性質(zhì)上屬于粉砂質(zhì)海岸[10]。濱州港海域含沙量在空間上總體呈現(xiàn)為近岸淺水區(qū)含沙量高，外海水深相對較大的區(qū)域含沙量低的特點(diǎn)，最大含沙量一般都在套爾河口附近出現(xiàn)。根據(jù)2006年7月現(xiàn)場實(shí)測含沙量資料顯示，濱州港海域平均含沙量為0.1 kg/m3，其中大潮平均含沙量為0.13 kg/m3，中潮平均含沙量為0.10 kg/m3，小潮平均含沙量為0.06 kg/m3；在大風(fēng)天下，受風(fēng)浪影響，含沙量倍增，實(shí)測底部含沙量在2.5 kg/m3以上[6,10-11]。

通過遙感衛(wèi)片、底質(zhì)取樣和已有研究成果分析[10-11]，該海域泥沙來源主要包括三部分：一是當(dāng)?shù)氐年懺次镔|(zhì)，主要包括河流徑流所挾帶的下瀉泥沙，該區(qū)域主要有大口河和套爾河，不過隨著上游建閘的影響，輸入河口的泥沙已經(jīng)很少；二是岸灘侵蝕泥沙；三是灘面泥沙，本區(qū)泥沙從外界來量很少，主要是在大風(fēng)浪的作用下掀起岸灘的泥沙而造成的。由于該段海岸屬粉砂質(zhì)海岸，泥沙顆粒較細(xì)且粘土含量較低，在大風(fēng)浪的作用下岸灘泥沙被掀揚(yáng)，在潮流作用下被輸向外海或向近岸輸移，當(dāng)航槽開挖后，也會使得原本平衡的灘面的泥沙向航道內(nèi)輸移，對航道淤積影響很大。

2 數(shù)學(xué)模型及驗(yàn)證

本文建立了適用于該海域的波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型[12-14]。模型范圍北邊界在灤河口與曹妃甸附近，南邊界在東營港附近，東西距離約130 km，南北距離約120 km。潮流模型邊界條件由中國海域潮汐模型提供。模型采用三角形網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格2 000 m，最小網(wǎng)格10 m，模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分見圖1。

2.1 模型組成

2.1.1 潮流數(shù)學(xué)模型

連續(xù)方程

(1)

動量方程

(2)

(3)

式中：u為x方向速度分量；v為y方向速度分量；h為水深；z為水位；vt為紊動粘滯系數(shù)；g為重力加速度；Fc為柯氏力，F(xiàn)bed為床面摩擦阻力，F(xiàn)wind為風(fēng)對水面的剪切作用力，F(xiàn)wave為波浪對水體的驅(qū)動力。

2.1.2 波浪數(shù)學(xué)模型

波浪數(shù)學(xué)模型采用SW模型，控制方程如下

(4)

(5)

(6)

2.1.3 泥沙運(yùn)動數(shù)學(xué)模型

(7)

式中：h為水深；t為時(shí)間坐標(biāo)；x和y為水平坐標(biāo)；S為沿深度平均的含沙量；S*為波流共同作用下的挾沙能力；u和v分別為沿x方向和y方向的流速；α為沉降幾率或恢復(fù)飽和系數(shù)；ω為泥沙沉速。

2.2 模型驗(yàn)證

采用2006年4月現(xiàn)場實(shí)測水文泥沙資料對該模型進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)測站位見圖1。由于篇幅限制，圖2～圖4給出了部分測站流速和流向的實(shí)測與計(jì)算值變化過程。驗(yàn)證結(jié)果表明：潮位、流速、流向和含沙量的過程線均與實(shí)測過程線基本相同，滿足現(xiàn)行《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》的誤差要求[15]，表明模型已較好地模擬了該海域的潮流場和含沙量變化，為后期規(guī)劃方案模擬提供了可靠條件。

2-a T12-b T2

3-c 3# 測站流速3-d 3# 測站流向3-e 4# 測站流速3-f 4# 測站流向

圖4 含沙量驗(yàn)證曲線

圖5給出了工程前研究海域大潮漲落急流場圖。受地形和已有導(dǎo)堤工程影響，工程區(qū)漲落潮主流向隨水深和位置的不同而不同：在-10 m等深線以外的外海域漲落潮主流方向?yàn)閃向和E向；在-10 m等深線至近岸水域漲落潮主流方向分別為SW向和NE向；已有兩堤之間基本沿堤方向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。擬建工程區(qū)口門位于-6 m和-6.5 m等深線處，該水域漲潮流向主要在250°～270°，落潮流向主要在60°～80°。

圖5 工程前研究海域大潮漲落急流場

2.3 規(guī)劃方案

濱州港3萬t級碼頭建設(shè)規(guī)劃平面方案布置見圖1，該方案港島口門位于-6.0 m(理論最低基面)，航道走向與黃驊港外航道走向相同，為59.5°～239.5°，航道底標(biāo)高-9.8 m，航道底寬125 m，設(shè)計(jì)港島面積約7.6 km2，港島及防波堤均為出水堤[16]。

3 規(guī)劃方案水動力模擬及對黃驊港影響分析

3.1 方案前后潮流場變化分析

3.1.1 流速變化

圖6為規(guī)劃方案與現(xiàn)狀條件下工程海域大潮漲急、落急時(shí)刻工程前后潮流流速變化等值線圖。由圖可以看出工程后流速變化特征。

6-a 漲急時(shí)刻6-b 落急時(shí)刻

漲急時(shí)刻：黃驊港航道及黃驊港和濱州港之間-5 m以外區(qū)域流速普遍增大，黃驊港航道流速增幅很小，距濱州港港島距離越近，流速增大值越大，增大值最大達(dá)0.3 m/s。黃驊港和濱州港之間-5 m以內(nèi)區(qū)域流速變化很小。濱州港港島和引堤以南區(qū)域流速普遍減小，距濱州港港島距離越近，流速減小值越大，減小值最大達(dá)0.3 m/s。

落急時(shí)刻：黃驊港航道及黃驊港和濱州港之間區(qū)域流速普遍增大。黃驊港航道流速增幅很小；距濱州港港島距離越近，流速增大值越大，最大為0.2 m/s。濱州港港島和引堤以南區(qū)域流速普遍減小，距濱州港港島距離越近，流速減小值越大，減小值最大達(dá)0.3 m/s。

黃驊港外航道內(nèi)及以北區(qū)域，工程后漲、落潮時(shí)段潮流矢量與航道軸線方向夾角減小0.5°～5 °，且具有由深水至航道口門逐漸增加的規(guī)律(表1)。

表1 工程前后研究海域平均流向變化情況

黃驊港、濱州港兩港之間區(qū)域，工程后漲、落潮時(shí)段潮流矢量普遍發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)；水深和位置不同偏轉(zhuǎn)角度的大小不同，漲潮時(shí)段大于落潮時(shí)段。受濱州港規(guī)劃港島影響，黃驊港、濱州港兩港之間區(qū)域，工程后漲、落潮時(shí)段潮流矢量普遍發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)。

濱州港航道附近，工程后漲、落潮時(shí)段潮流矢量普遍發(fā)生順時(shí)針偏轉(zhuǎn)；水深和位置不同偏轉(zhuǎn)角度的大小不同，漲潮時(shí)段大于落潮時(shí)段。受濱州港港島影響，外航道口門外至-10 m等深線處，漲潮時(shí)段潮流矢量順時(shí)針偏轉(zhuǎn)3°～30 °；落潮時(shí)段潮流矢量順時(shí)針偏轉(zhuǎn)3°～18 °；無論漲、落潮航道北側(cè)偏轉(zhuǎn)角度稍大于南側(cè)，水深越深偏轉(zhuǎn)的角度越小；港島周圍潮流矢量偏轉(zhuǎn)最為明顯。

3.1.3 從工程前后潮流場變化角度分析評價(jià)

(1)由濱州港規(guī)劃方案與現(xiàn)狀條件下工程海域大潮漲、落潮時(shí)段潮流矢量對比可以看出：黃驊港外航道內(nèi)和以北區(qū)域、以及黃驊港和濱州港兩港之間區(qū)域，工程后，無論漲潮時(shí)段還是落潮時(shí)段，潮流矢量普遍發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，使得潮流矢量與黃驊港航道軸線方向夾角減小，對航道穩(wěn)定有利。

(2)由濱州港規(guī)劃方案與工程前海域漲急、落急時(shí)刻潮流場變化對比可以看出：漲、落急時(shí)刻，黃驊港內(nèi)航道水域流速變化很小；黃驊港和濱州港之間-5 m以外區(qū)域，靠近黃驊港處流速變化很小，靠近濱州港處流速普遍增大。

3.2 方案前后含沙量場變化分析

圖7給出了工程前后一般天氣下大潮漲、落急時(shí)刻平均含沙量差值等值線分布。由圖可以看出：

7-a 漲急時(shí)刻7-b 落急時(shí)刻

(1)從整體上看，無論漲潮還是落潮，工程前后垂線平均含沙量的變化主要發(fā)生在濱州港海區(qū)，對黃驊港海區(qū)和航道沒有影響。

(2)在漲急時(shí)刻，黃驊港和濱州港之間-2～-7 m水深之間海區(qū)，垂線平均含沙量增大，增大的絕對值較小，在0.01～0.04 kg/m3；并呈現(xiàn)距濱州港港島越近，含沙量增大越大的規(guī)律。在濱州港港島以南和以北的淺水區(qū)，垂線平均含沙量減小，一般減小0.01～0.04 kg/m3。

(3)在落急時(shí)刻，濱州港航道口門至-8 m水深之間局部海區(qū)，垂線平均含沙量增大，增大的絕對值在0.01～0.02 kg/m3；在濱州港港島以南和以北的淺水區(qū)，垂線平均含沙量減小，一般減小0.01～0.04 kg/m3。

從工程前后含沙量場變化角度分析評價(jià)：濱州港規(guī)劃方案與現(xiàn)狀條件下相比，在漲潮和落潮時(shí)刻含沙量場變化主要發(fā)生在濱州港工程局部，對黃驊港海區(qū)含沙量場沒有產(chǎn)生影響。

3.3 方案前后大風(fēng)天波浪場變化分析

由濱州港規(guī)劃方案與工程前海域有效波高差值對比可以看出(圖8)：在10 a一遇ENE向風(fēng)浪條件下，海域的波浪場僅在濱州港港島周圍發(fā)生了變化，對黃驊港航道及其港島周圍的波浪場沒有影響。

8-a 波浪場情況8-b 有效波高變化

4 從實(shí)測沉積物參數(shù)平面分布角度分析

根據(jù)工程附近2006年3月、2006年7月和2008年1月海床沉積物取樣資料分析[9]：

(1)三次工程附近沉積物取樣的分析結(jié)果比較一致，表明整個(gè)海域海床沉積物具有一致性。

(2)在表層沉積物中值粒徑分布上，總體表現(xiàn)為由南向北、由近岸向外海逐漸變細(xì)的分布特征，其中濱州港航道以南中值粒徑平均值為0.048 5 mm，黃驊港航道與濱州港航道之間區(qū)域中值粒徑平均值為0.043 9 mm，黃驊港航道以北中值粒徑平均值為0.024 5 mm。

(3)在表層沉積物類型上，在近岸淺水區(qū)和黃驊港航道以南，海床表層沉積物以粉砂質(zhì)砂為主；在黃驊港航道以北，海床表層沉積物以粘土質(zhì)粉砂為主。

(4)在細(xì)顆粒含量上，套爾河口至南排河口附近，細(xì)顆粒泥沙含量由7.1%逐漸增加至42.3%；黃驊港航道南側(cè)平均細(xì)顆粒泥沙含量為12.4%，航道北側(cè)平均細(xì)顆粒泥沙含量為34.8%。

(5)在沉積物分選系數(shù)上，濱州港附近分選系數(shù)屬于很好或好的區(qū)域；黃驊港航道以北屬于好或中常的區(qū)域；總的來說，濱州港海域的泥沙分選程度好于黃驊港海區(qū)。

(6)在黃驊港航道以南，海床表層沉積物中值粒徑由近岸淺水向外海深水呈逐漸變細(xì)的趨勢，淺水區(qū)(-6 m以淺)平均中值粒徑為0.058 mm，深水區(qū)(-6 m以深)平均中值粒徑為0.040 mm；自南向北雖也有自粗漸細(xì)的過程，但變化不大，分布相對均勻。

(7)在黃驊港航道以南，細(xì)顆粒泥沙含量由近岸淺水向外海深水逐漸增加，淺水區(qū)(-6 m以淺)平均含量為3.1%，深水區(qū)(-6 m以深)平均含量為14%；由南向北，細(xì)顆粒泥沙含量變化的幅度很小。

(8)在黃驊港航道以南，深水區(qū)(-6 m以遠(yuǎn))為分選程度好的區(qū)域，淺水區(qū)(-6 m以內(nèi))為分選程度很好的區(qū)域。

(9)除了表層沉積物外，28個(gè)柱狀樣品分析顯示：除1個(gè)取樣點(diǎn)沒有粉砂層覆蓋以外，其余27個(gè)取樣點(diǎn)均顯示表層泥沙為粉砂，粉砂層的厚度在0.2～0.6 m，因此可以認(rèn)為，濱州港海區(qū)海床泥沙屬性為粉砂。

由以上分析可以認(rèn)為：黃驊港、濱州港海區(qū)泥沙的凈輸移方向應(yīng)該是由南向北、由近岸向外海輸移方向；濱州港的興建阻擋了其以南海床泥沙的北移通道，遏制了部分泥沙來源；同時(shí)濱州港外航道將會成為由南向北泥沙輸移的“沉沙池”，對減少黃驊港外航道泥沙淤積有利。

5 結(jié)論

(1)規(guī)劃方案的實(shí)施未改變大范圍海域潮流運(yùn)動規(guī)律，外海漲落潮潮流主向仍為東西向，至近岸轉(zhuǎn)為與等深線基本垂直。

(2)濱州港規(guī)劃方案使得黃驊港外航道內(nèi)和以北、以及黃驊港和濱州港兩港之間區(qū)域，漲、落潮時(shí)段潮流矢量普遍發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，潮流向與黃驊港航道軸線方向夾角減小，漲、落急時(shí)刻黃驊港航道流速變化很小，對航道基本沒有影響。

(3)工程后，該海域的波浪場僅在濱州港港島周圍發(fā)生了變化，對黃驊港航道及其周圍的波浪場沒有影響。

(4)濱州港規(guī)劃方案僅引起濱州港港島周圍含沙量場發(fā)生變化，對黃驊港航道含沙量場沒有產(chǎn)生影響。

(5)黃驊港、濱州港海區(qū)泥沙的凈輸移方向應(yīng)該是由南向北、由近岸向外海輸移方向，濱州港的規(guī)劃方案遏制了部分泥沙來源，對減少黃驊港外航道泥沙淤積有利。

綜合分析認(rèn)為濱州港規(guī)劃方案對黃驊港海洋動力和泥沙環(huán)境無不利影響。