天津南港工業(yè)區(qū)東港池支航道回淤模擬*

張 靜，韓 信，孫 波

(1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

泥沙回淤是人工開(kāi)挖航道和港口面臨的普遍問(wèn)題，其淤積量與港口所處的水域環(huán)境和工程平面布局密切相關(guān)。對(duì)于淤泥質(zhì)海岸開(kāi)敞海域的港口而言，波浪和潮流均對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)起著重要作用[1]。天津南港工業(yè)區(qū)的水域范圍是天津港組成部分之一的大港港區(qū)，該港區(qū)東港池目前聚集了中石化和北京燃?xì)鈨勺夯烊粴?liquefied natural gas，LNG)接收站和配套碼頭。作為L(zhǎng)NG接卸碼頭工程設(shè)計(jì)中重要組成部分，東港池內(nèi)將布置與大港航道相連接的支航道。新建支航道泥沙淤積及其分布，直接用于評(píng)估其基建投資和運(yùn)行維護(hù)成本，是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

對(duì)于港內(nèi)泥沙回淤的問(wèn)題，根據(jù)天津港防淤減淤的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[2-3]，縮小港內(nèi)淺灘面積是有效的工程措施。目前南港工業(yè)區(qū)港內(nèi)水域尚存在大面積的未開(kāi)挖淺灘，其東港池內(nèi)支航道的泥沙回淤問(wèn)題需要計(jì)算分析。

數(shù)學(xué)模型計(jì)算是航道泥沙淤積問(wèn)題的常用研究手段，考慮波浪對(duì)泥沙的掀動(dòng)作用、動(dòng)力地貌加速處理等模擬技術(shù)，可顯著提高泥沙運(yùn)動(dòng)模擬的精度和效率[4-6]。本文在充分掌握渤海灣潮流、波浪、泥沙等資料的基礎(chǔ)上，建立波浪和潮流共同作用下的懸沙運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，采用鄰近的天津港主航道泥沙回淤資料進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而模擬預(yù)測(cè)東港池支航道的年均泥沙回淤分布。

1 航道概況

南港工業(yè)區(qū)位于渤海灣西岸，其港口部分即天津港大港港區(qū)，口門(mén)位于海圖等深線5 m處，見(jiàn)圖1。目前該港區(qū)已建成10萬(wàn)噸級(jí)大港航道，有效寬度300 m，底高程-15.0 m(當(dāng)?shù)乩碚摶妫峦?，航道長(zhǎng)度46 km。東港池支航道設(shè)計(jì)寬度、底高程與主航道一致，轉(zhuǎn)向點(diǎn)在主航道12+000處，轉(zhuǎn)彎半徑為1.725 km(5倍LNG船長(zhǎng))，從主航道交點(diǎn)沿支航道再至掉頭圓開(kāi)挖底邊線的距離約3 km。

圖1 南港工業(yè)區(qū)東港池支航道布置(單位：m)

渤海灣岸灘坡度平緩，約1/2 000，低潮時(shí)露出寬闊的淺灘，表層分布著黏性細(xì)顆粒泥沙。根據(jù)南港工業(yè)區(qū)航道工程泥沙研究中現(xiàn)場(chǎng)海床底質(zhì)采樣分析[7]，附近海域表層沉積物平均中值粒徑為7 μm左右，黏土含量占30%～40%。《港口與航道水文規(guī)范》[8]將底質(zhì)中值粒徑小于0.03 mm且黏土含量25%以上的海岸，歸類為淤泥質(zhì)海岸。該類型海岸的泥沙輸運(yùn)方式表現(xiàn)為“波浪掀沙、潮流輸沙”特性，波浪和潮流對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)均具有顯著影響。在波浪作用下，海床泥沙起動(dòng)形成含沙水體，當(dāng)其跨越航道、或沿航道進(jìn)入港內(nèi)后，因潮流或波浪動(dòng)力減弱，泥沙沉降最終形成航道、港池的泥沙回淤。

2 懸沙輸移數(shù)學(xué)模型及驗(yàn)證

采用Delft3D軟件建立覆蓋南港工業(yè)區(qū)—天津港主港區(qū)的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)矩形多重網(wǎng)格雙向嵌套技術(shù)，整個(gè)模型分為天津港主港區(qū)(A)和大港港區(qū)(B)及其余部分共3個(gè)計(jì)算域，見(jiàn)圖2。外海計(jì)算域的網(wǎng)格邊長(zhǎng)為250 m，A和B兩個(gè)港區(qū)計(jì)算域的網(wǎng)格邊長(zhǎng)則加密至25 m，以保證航道、港池等局部地形的精確刻畫(huà)。

圖2 計(jì)算域范圍與實(shí)測(cè)潮流潮位資料

模型以渤海灣灣口潮位過(guò)程作為外海邊界條件，兩個(gè)港區(qū)A和B的邊界既由外向內(nèi)傳遞驅(qū)動(dòng)條件，又由內(nèi)向外反饋計(jì)算結(jié)果。3個(gè)計(jì)算域采用相同的初始條件，同時(shí)進(jìn)行迭代計(jì)算，在邊界上交換數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)雙向嵌套反饋的效果。

Delft 3D中描述水流運(yùn)動(dòng)的基本方程為不可壓縮流體的Navier-Stokes方程。對(duì)大范圍潮流的模擬，一般采用淺水假定和Boussinesq近似，考慮水深平均的二維計(jì)算，可滿足解決工程問(wèn)題的要求。基于波浪輻射應(yīng)力理論，在水流運(yùn)動(dòng)方程中加入波浪輻射應(yīng)力項(xiàng)[9]，以實(shí)現(xiàn)波浪和潮流共同作用。

泥沙運(yùn)動(dòng)的模擬中，考慮波浪增強(qiáng)臨底切應(yīng)力和引起紊動(dòng)體現(xiàn)其對(duì)泥沙起動(dòng)、懸浮的影響。根據(jù)渤海灣淤泥質(zhì)海岸的泥沙運(yùn)動(dòng)特征，計(jì)算中僅考慮懸移質(zhì)輸移，關(guān)鍵是計(jì)算水體含沙量。二維模型中含沙量求解采用以下方程：

(1)

式中：c為水深平均的含沙量；t為時(shí)間；u、v分別為水深平均的水流流速在x、y方向上的分量；εs，x、εs，y分別為泥沙在x、y方向的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，二維模型中兩者取相同值；ce為水流挾沙能力；ws為泥沙沉速，對(duì)于淤泥質(zhì)海岸的黏性細(xì)顆粒泥沙，一般取絮凝沉速；h為水深。

海床地形的沖淤變化主要是水流近底切應(yīng)力與底質(zhì)泥沙的臨界切應(yīng)力相互作用的結(jié)果，表述為以下方程：

(2)

式中：D、E分別為底床泥沙淤積量、沖刷量。黏性泥沙的淤積與沖刷源項(xiàng)采用Partheniades-Krone公式計(jì)算，其與波流共同作用的底部切應(yīng)力、泥沙沖刷或淤積的臨界切應(yīng)力以及含沙量、沉速等參數(shù)有關(guān)。

數(shù)學(xué)模型計(jì)算中，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)海床地形的沖淤變化實(shí)時(shí)更新，下一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的水流、波浪、含沙量則以更新的地形計(jì)算。

2.1 潮位與潮流驗(yàn)證

2011年6月在南港工業(yè)區(qū)(獨(dú)流減河口)附近海域進(jìn)行了大小潮9點(diǎn)全潮水文測(cè)驗(yàn)，大潮潮位過(guò)程與潮流流速矢量見(jiàn)圖2。該海域潮汐為不規(guī)則半日潮，實(shí)測(cè)大、小潮潮差為3.70、2.92 m。潮流整體表現(xiàn)為東西向往復(fù)流，漲潮歷時(shí)短、落潮歷時(shí)長(zhǎng)，漲潮流速大于落潮。實(shí)測(cè)開(kāi)敞海域的大潮平均流速為0.17～0.32 m/s，最大流速為0.46～0.72 m/s。位于大港港區(qū)口門(mén)的測(cè)點(diǎn)，平均流速為0.52 m/s，最大流速為1.36 m/s。

文獻(xiàn)[7]對(duì)模型計(jì)算域中3個(gè)潮位站的大、小潮潮位、9個(gè)測(cè)點(diǎn)的潮流流速進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)調(diào)試數(shù)學(xué)模型中相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，使計(jì)算域內(nèi)潮位過(guò)程、流速流向精度能復(fù)演現(xiàn)場(chǎng)潮汐運(yùn)動(dòng)特征且滿足模擬技術(shù)規(guī)程要求。

在對(duì)航道泥沙年均回淤模擬中，選取此次實(shí)測(cè)大潮過(guò)程作為代表潮。因其較大的潮差和流速，相比小潮而言具有更強(qiáng)的動(dòng)力，可以提高模型計(jì)算效率。經(jīng)驗(yàn)證的大潮邊界條件和相關(guān)模型參數(shù)也是后續(xù)泥沙運(yùn)動(dòng)和海床沖淤模擬的輸入條件。

2.2 航道回淤驗(yàn)證

南港工業(yè)區(qū)于2014年12月完成10萬(wàn)噸級(jí)航道主體部分疏浚，2017年渤西管線切改施工后航道貫通。除施工期航道測(cè)圖外，沒(méi)有能反映航道自然回淤的實(shí)測(cè)資料可供利用。鄰近的天津港主航道回淤歷經(jīng)多年跟蹤研究，且具有公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)[10]和[11]，故利用其作為驗(yàn)證目標(biāo)。

泥沙數(shù)學(xué)模型采用2003年建成的天津港15萬(wàn)噸級(jí)主航道的淤積分析資料進(jìn)行驗(yàn)證。該航道在此等級(jí)運(yùn)行時(shí)，渤海灣沿岸尚未進(jìn)行大規(guī)模開(kāi)發(fā)，即圖2中實(shí)線代表的海岸線，天津港口門(mén)位于航道8+800處。模型中進(jìn)行航道泥沙回淤驗(yàn)證時(shí)，將渤海灣岸線退回至圖2中實(shí)線，海床地形條件也恢復(fù)至大規(guī)模圍填海之前。

泥沙運(yùn)動(dòng)模擬中的波浪條件選取南港海域東南方向約25 km處的7#平臺(tái)(位置見(jiàn)圖2)實(shí)測(cè)波浪資料分析結(jié)果。測(cè)波點(diǎn)位于5 m等深線附近，資料表明該海域以小周期風(fēng)生浪為主。對(duì)大于0.5 m波高進(jìn)行能量加權(quán)平均統(tǒng)計(jì)[12]，年出現(xiàn)頻率為33.52%，波能平均波高H1/10為1.13 m、周期3.7 s、方向?yàn)镋NE。該波要素作為數(shù)學(xué)模型中7#平臺(tái)處的驗(yàn)證目標(biāo)滿足此驗(yàn)證結(jié)果的波浪場(chǎng)，則作為泥沙運(yùn)動(dòng)模擬的代表波浪動(dòng)力條件。

泥沙數(shù)學(xué)模型的輸入動(dòng)力條件為以上代表潮和代表波，懸移質(zhì)泥沙和底質(zhì)泥沙的中值粒徑均取細(xì)顆粒黏性泥沙的絮凝粒徑30 μm，由此計(jì)算得到的含沙量分布則為代表含沙量場(chǎng)。文獻(xiàn)[11]分析了渤海灣大規(guī)模圍填海工程前的天津港海域含沙量分布情況，結(jié)果表明港區(qū)口門(mén)位于8+800時(shí)的年均含沙量為0.25～0.30 kg/m3。本文泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算的代表含沙量場(chǎng)中，天津港口門(mén)含沙量約為0.30 kg/m3，與以往分析結(jié)果相符。

天津港15萬(wàn)噸級(jí)航道全長(zhǎng)35 km，底寬234 m，底高程-15 m。根據(jù)航道建成運(yùn)行后的實(shí)測(cè)和疏浚資料分析，年均淤積峰值2.43 m出現(xiàn)在10+000附近(口門(mén)外1.2 km)，見(jiàn)圖3，淤積強(qiáng)度向外海沿程減小，20+000后基本沒(méi)有淤積。該航道淤積資料缺乏港區(qū)口門(mén)內(nèi)的數(shù)據(jù)，根據(jù)天津港多年回淤觀測(cè)資料，港內(nèi)淺灘面積縮小后，含沙水體在進(jìn)入口門(mén)后因流速和波高減小，水體挾沙能力下降會(huì)導(dǎo)致大部分泥沙在口門(mén)附近沉降落淤。

圖3 天津港15萬(wàn)噸級(jí)航道年均回淤驗(yàn)證

采用代表動(dòng)力條件并率定各項(xiàng)泥沙參數(shù)后，數(shù)學(xué)模型計(jì)算的天津港15萬(wàn)噸級(jí)航道沿程年均回淤分布見(jiàn)圖3中虛線。回淤峰值位置與量值基本吻合實(shí)測(cè)結(jié)果，外航道沿程淤積曲線能反映實(shí)測(cè)的變化特征，計(jì)算值略大于實(shí)測(cè)值且淤積末端向外海延展范圍大于實(shí)測(cè)結(jié)果。進(jìn)入港區(qū)口門(mén)后的淤積曲線較短促，能反映泥沙在口門(mén)附近集中落淤的現(xiàn)象。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果確定泥沙運(yùn)動(dòng)相關(guān)的主要驗(yàn)證參數(shù)，其中沉速為0.3 mm/s、海床的淤積臨界切應(yīng)力為1 000 Pa，沖刷臨界切應(yīng)力隨水深增加而線性增大，取值范圍為0.2～1.0 Pa。

3 東港池支航道回淤計(jì)算

3.1 潮流沿程分布

根據(jù)模型驗(yàn)證的邊界條件與計(jì)算參數(shù)，采用現(xiàn)有天津港各港區(qū)的港池航道布置及對(duì)應(yīng)地形條件，進(jìn)行南港工業(yè)區(qū)東港池支航道的沿程回淤計(jì)算。

南港工業(yè)區(qū)海域漲潮流速大于落潮，計(jì)算的大港航道(主航道)與東港池支航道的漲落急流速沿程分布見(jiàn)圖4。主航道在港區(qū)口門(mén)與支航道分汊處(即港區(qū)口門(mén)段)的漲落急流速相對(duì)較大。潮流進(jìn)入支航道后，漲落急流速均持續(xù)減小，至掉頭圓處漲急流速已小于0.1 m/s，落急則更小。

圖4 大港航道與東港池支航道漲落急流速沿程分布

3.2 含沙量與航道沿程淤積分布

模型計(jì)算的渤海灣現(xiàn)狀平均含沙量分布見(jiàn)圖5。由于波浪掀沙作用，淺水區(qū)域含沙量相對(duì)較大，特別是南港工業(yè)區(qū)南側(cè)近岸區(qū)域。大港港區(qū)口門(mén)位于5 m等深線附近，模型計(jì)算的平均含沙量約0.15 kg/m3，相當(dāng)于以往2 m等深線附近的天津港8+800口門(mén)含沙量的一半。現(xiàn)在的天津港口門(mén)含沙量則降至0.05 kg/m3以下，這反映出近岸大規(guī)模圍填海以及口門(mén)外延后，口門(mén)處含沙量下降明顯，意味著進(jìn)入港內(nèi)的泥沙總量減少。

圖5 計(jì)算域內(nèi)平均含沙量分布等值線(單位：kg/m3)

大港港區(qū)主航道、東港池支航道的年均泥沙淤積沿程分布見(jiàn)圖6。主航道在港區(qū)口門(mén)處年均淤積強(qiáng)度為1.65 m/a，在支航道分汊處達(dá)到峰值1.77 m/a，主航道年均淤積強(qiáng)度然后向港內(nèi)逐漸下降。支航道進(jìn)入東港池后，由于潮流動(dòng)力的減弱，航道沿程的年均淤積強(qiáng)度也快速下降，至掉頭圓圓心處降至0.51 m/a。

圖6 大港航道主航道和東港池支航道年均淤積強(qiáng)度分布

東港池支航道的年均淤積強(qiáng)度為1.07 m/a，300 m寬的航道年淤積量約為100萬(wàn)m3/a。預(yù)測(cè)的大港港區(qū)口門(mén)段與支航道前半段的年均淤積強(qiáng)度超過(guò)1.2 m/a，這是后續(xù)航道維護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。

4 結(jié)論

1)考慮波流共同作用，選擇代表動(dòng)力邊界條件和適當(dāng)模型參數(shù)驗(yàn)證的天津港15萬(wàn)噸級(jí)航道年均回淤狀況，在淤積峰值和沿程分布上均與實(shí)測(cè)資料較為吻合。模擬結(jié)果表明，近岸大規(guī)模圍填海以及口門(mén)外伸后，天津港口門(mén)含沙量下降明顯。

2)對(duì)南港工業(yè)區(qū)主航道和東港池支航道內(nèi)年均泥沙回淤的模擬結(jié)果表明，航道回淤主要發(fā)生在大港港區(qū)口門(mén)段與支航道前半段，預(yù)測(cè)年均淤積強(qiáng)度超過(guò)1.2 m/a，是后續(xù)航道維護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。