張 強

（中交天津港灣工程設計院有限公司，天津300456）

珠海中燃桂山油庫多點系泊碼頭技術改造項目的工程海區(qū)在桂山島附近，位于伶仃洋口外。其東北側(cè)是大嶼海峽，即大濠島深槽，為廣州港南沙港區(qū)深水航道經(jīng)過的海區(qū)；桂山島以西是赤灘島、三角島、大碌島、大頭洲等島嶼。從桂山島向西水深逐漸減小，距-10 m等深線3.2 km，從桂山島向南水深逐漸增大，距-20 m等深線最短約10.5 km（圖1）。

本文結合自然條件，對珠海中燃桂山油庫多點系泊碼頭技術改造項目3種平面方案進行了二維潮流數(shù)值模擬及泥沙回淤和驟淤計算分析。針對需要解決的工程水流泥沙問題，為準確提供模型邊界值、工程區(qū)域的流速、流向變化值，建立了2套數(shù)學模型，即伶仃洋內(nèi)外整體二維潮流數(shù)學模型和桂山島工程海區(qū)局部二維潮流數(shù)學模型，詳細模擬和預報模擬珠海中燃桂山油庫多點系泊碼頭技術改造項目工程前后泊位、調(diào)頭圓、航道的流速、流向的變化。在采用數(shù)學模型對流場模擬計算結果的基礎上，對各方案的泥沙淤積強度、淤積量進行了計算，并對驟淤進行了分析。

1 工程海區(qū)自然條件分析

1.1 潮汐

2008年4月初實測的桂山島大潮平均潮差為1.55 m，最大潮差為1.86 m，2008年3月底實測的小潮平均潮差為 1.23 m，最大潮差為 1.27 m［1］。

1.2 潮流

2008年3月29日21時～31日0時和2008年4月6日14時～7日18時，在桂山島工程海區(qū)進行了6條垂線大、小潮過程水文全潮測量。統(tǒng)計結果表明：（1）工程海區(qū)潮流基本為往復流，大潮往復流特征好于小潮。小潮過程的3#點和6#點呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)流特征。（2）大潮時，桂山島附近的1#點～5#點漲潮流速大于落潮流速，6#點漲潮流速小于落潮流速；小潮時，1#點～6#點落潮流速大于漲潮流速。（3）工程海區(qū)大潮漲潮平均流速為 0.30～0.57 m/s，漲潮平均流向為 303°～333°，落潮平均流速為 0.35～0.46 m/s，落潮平均流向為 140°～160°；小潮漲潮平均流速為 0.14～0.20 m/s，漲潮平均流向為 356°～360°，落潮平均流速為 0.27～0.35 m/s，落潮平均流向為 128°～169°［1］。

1.3 含沙量

桂山島工程海區(qū)的含沙量較低，正常天氣條件下漲落潮平均含沙量均小于0.1 kg/m3。大潮含沙量大于小潮含沙量，漲落潮含沙量相當［1］。

1.4 底質(zhì)

為進一步了解工程海區(qū)的自然條件，為潮流數(shù)模提供泥沙方面的參數(shù)，在2008年3月～4月進行了潮流觀測，同時在工程海域進行了水下底質(zhì)取樣工作［1］。

1.4.1 沉積物中值粒徑分布特征

樣品分析結果表明：除去近岸淺水點（30號樣）外，本區(qū)的泥沙粒徑偏細，平均中值粒徑為0.015 5 mm。航道開挖段泥沙平均中值粒徑為0.013 9 mm。沿碼頭東西方向（即由里向外）5條取樣斷面的平均中值粒徑看，沉積物中值粒徑的變化顯示了調(diào)頭區(qū)水域自里向外呈逐步減小的變化規(guī)律。

1.4.2 沉積物分選程度變化

樣品分析結果表明：本區(qū)分選系數(shù)在0.68～2.49變化，按海洋監(jiān)測劃分標準應劃分為三級，即0.6～1.4為分選好等級，1.4～2.2為分選中常等級，2.2～3為分選差等級。本區(qū)平均分選系數(shù)為1.66，屬分選中常范疇。進港航道開挖段泥沙平均分選系數(shù)為1.64。從調(diào)頭區(qū)各斷面分選系數(shù)看，各斷面平均分選系數(shù)在1.45～1.98變化，規(guī)律性變化程度不明顯。

1.4.3 沉積物沉積類型

樣品分析結果顯示：本區(qū)沉積物沉積類型較單一，以粘土質(zhì)粉砂（YT）分布為主，僅20、27、30號點分別為砂-粉砂-粘土、粉砂和粗砂。除去30號點后的29個樣品中，砂平均占12.5%，粉砂平均占57.3%，粘土平均占30.2%。航道與航道開挖段泥沙則全部為粘土質(zhì)粉砂（YT）。

2 基于TK-2D軟件［2-3］的二維潮流場數(shù)學模型的建立

2.1 二維潮流數(shù)學模型的建立

2.1.1 基本方程及定解條件

二維潮流基本方程包括連續(xù)方程和動量方程，即

式中：t為時間；x、y為與靜止海面重合的直角坐標系坐標；u、v分別為沿x、y方向的流速分量；h為海底到靜止海面的距離（靜水深），H=h+ζ；ζ為自靜止海面向上起算的海面起伏（水位）；f為柯氏參數(shù)；g為重力加速度；ε為水平渦動粘性系數(shù)；c為謝才系數(shù)，n為曼寧糙率系數(shù)。

基本方程的定解條件包括邊界條件和初始條件，對于邊界條件，開邊界取流速或潮位的實測或分析值，固邊界取流速的法向分量為零；對于初始條件，流速一律取零值，潮位取初始時刻的值。

2.1.2 數(shù)值計算方法

采用基于三角形網(wǎng)格的有限差分數(shù)值方法［4］。在時間方向采用向前差分格式，空間導數(shù)采用顯式離散格式，則可將二維基本方程（1）、（2）、（3）分別離散并整理成如下計算公式

式中：M為節(jié)點號；K為時間層數(shù)；Δt為時間步長。

2.2 伶仃洋內(nèi)外整體大范圍二維潮流數(shù)學模型

2.2.1 計算域的確定及網(wǎng)格剖分

根據(jù)所研究問題的需要，確定整個計算域范圍（圖2）：南邊界在大萬山島以南的21°52′N緯度線，北邊界在虎門附近的22°49′N緯度線，西邊界在113°30′E經(jīng)度線，東邊界在114°6′E經(jīng)度線，東西距離約 63 km，南北距離約102 km。整個計算域包括伶仃洋西四口門、香港水道、伶仃洋外萬山群島。

用不規(guī)則三角形網(wǎng)格剖分計算域（圖3），考慮大小島嶼55個。圖3中的三角形網(wǎng)格較好地概括了伶仃洋內(nèi)外復雜的岸線、島嶼和地形特征。最大空間步長（三角形網(wǎng)格最大邊長）1 113.98 m，最小空間步長（三角形網(wǎng)格最小邊長）45.11 m，三角形網(wǎng)格節(jié)點69 169個，三角形單元數(shù)134 432個。

2.2.2 模型驗證

對建立的潮流模型進行了大潮、中潮的流速、流向、潮位過程驗證。大潮和中潮的驗證見文獻［4］。

2.3 桂山島工程海區(qū)局部二維潮流數(shù)學模型

2.3.1 計算域的確定及網(wǎng)格剖分

從研究需要出發(fā)，本工程海區(qū)數(shù)學模型計算域見圖4，東邊界到113°51′E，西邊界到113°46′E，北邊界到22°12′N，南邊界到 22°3′N，南北距離約 15.8 km，東西距離約 9.5 km。

采用三角形網(wǎng)格剖分計算域。三角形網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為14 263個，三角形個數(shù)為27 817個，相鄰網(wǎng)格節(jié)點最大間距為195.83 m，最小間距為29.92 m（圖5）。

2.3.2 模型驗證

本模型由大模型提供邊界條件，但仍需要進行驗證，選擇2008年4月6日14時～7日18時29 h大潮過程和3月29日21時～31日0時28 h小潮過程進行驗證。用于潮位驗證的站位有1個。用于流速流向驗證的站位有6個。大潮和小潮的潮位、流速流向驗證曲線見圖6～圖9。

從模型的驗證過程來看，計算的量值及位相均與實測值基本吻合，漲、落潮流態(tài)與海區(qū)地形輪廓相符，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規(guī)程》［5］的規(guī)定。因此可以認為模型的驗證是成功的，可以應用本模型對計算海區(qū)內(nèi)的各種工程方案前后的潮流場進行數(shù)值模擬的計算分析。

2.3.3 工程方案計算

桂山油庫碼頭改造工程共有3個方案（圖10～圖12）。

在模型驗證的基礎上，對上述桂山油庫多點系泊碼頭的3個方案的潮流場進行了計算。計算結果表明，工程方案實施后流場變化僅限于工程附近。為了定量分析桂山油庫改造工程實施后對附近海域潮流的影響，選取了29個特征點［4］，計算這些特征點工程前后的大潮潮段平均流速和流向，結果表明：

（1）現(xiàn)狀下3個方案的航道大潮漲潮平均流速為0.36～0.56 m/s，漲潮平均流向為312°～316°，大潮落潮平均流速為 0.45～0.52 m/s，落潮平均流向為 135°～145°；小潮漲潮平均流速為 0.17～0.21 m/s，漲潮平均流向為 354°～355°，小潮落潮平均流速為 0.35～0.39 m/s，落潮平均流向為 133°～143°。

（2）3個方案的航道工程后漲落潮平均流速變化僅為0.01 m/s，漲落潮平均流向不變。

（3）現(xiàn)狀下方案1調(diào)頭地大潮漲潮平均流速為0.44～0.61 m/s，大潮落潮平均流速為0.32～0.51 m/s；泊位大潮漲潮平均流速為0.18～0.41 m/s，大潮落潮平均流速為0.10～0.25 m/s。泊位、調(diào)頭地開挖后漲落潮平均流速均減小，減小幅度0.01～0.05 m/s，漲落潮流向有所調(diào)整。

（4）現(xiàn)狀下方案2調(diào)頭地大潮漲潮平均流速為0.57～0.61 m/s，大潮落潮平均流速為0.40～0.56 m/s；泊位大潮漲潮平均流速為0.45～0.57 m/s，大潮落潮平均流速為0.29～0.33 m/s。泊位、調(diào)頭地不用開挖，工程后漲落潮流速不變，泊位處漲落潮流向有1°～2°的調(diào)整。

（5）現(xiàn)狀下方案3調(diào)頭地大潮漲潮平均流速為0.52～0.61 m/s，大潮落潮平均流速為0.35～0.52 m/s；泊位大潮漲潮平均流速為0.36～0.55 m/s，大潮落潮平均流速為0.23～0.30 m/s。調(diào)頭地不用開挖，工程后漲落潮流速不變，泊位處漲落潮流速減小0.01～0.03 m/s，流向相應調(diào)整。

（6）從潮流場角度考慮，3個方案都是可行的；方案2不用開挖，維持了現(xiàn)狀流速，是最優(yōu)方案。

3 泥沙淤積計算與驟淤分析

3.1 泥沙淤積計算

本文分別計算了各方案港池及航道浚深后的平均淤強和淤積量［6］，計算結果表明：

（1）方案1。10萬t級油碼頭泊位平均淤強為0.30 m/a，淤積量為1.1萬m3/a；調(diào)頭地（開挖區(qū)）平均淤強為0.21 m/a，淤積量為2.4萬m3/a。航道開挖區(qū)里、中、外段平均淤強分別為0.02 m/a、0.03 m/a和0.01 m/a，淤積量分別為0.4萬m3/a、0.6萬m3/a和0.2萬m3/a，航道開挖區(qū)淤積總量為1.2萬m3/a。

（2）方案2。泊位和調(diào)頭區(qū)均布置在水深較大的水域，自然水深即可滿足設計水深要求，無須開挖，也不存在淤積問題。需開挖的航道段與方案1布置是相同的，故航道淤強和淤積量也與方案1相同。

（3）方案3。碼頭位置較方案2靠近岸邊，調(diào)頭地自然水深仍可滿足設計水深要求，但泊位處自然水深不能滿足設計水深要求。根據(jù)計算結果，泊位平均淤強為0.07 m/a，淤積量為0.2萬m3/a。該方案需開挖的航道段與方案1布置也是相同的，故航道淤強和淤積量也與方案1相同。

（4）3個方案對比，方案2充分利用了天然水深，基本不需開挖，淤積輕微，可以忽略；方案3泊位需部分開挖，淤積量居中；方案1港池布置在相對較淺的區(qū)域，淤積總量約為3.5萬m3/a，淤強和淤積量最大。3個方案對比，方案2最優(yōu)。但考慮到3個方案淤強和淤積量值都不大，因此三者都是可行的。

3.2 驟淤計算

本文分別計算了各方案50 a一遇風浪情況下港池及航道的平均淤強和淤積量。當出現(xiàn)大風天氣時，水體紊動強烈，挾帶泥沙粒徑較大，在計算中對泥沙沉速和含沙量等參數(shù)都作了相應的調(diào)整。另外，由于大風天氣持續(xù)時間長短不一，本文統(tǒng)一按24 h淤積強度和淤積量進行計算，計算結果表明：不同方案在50 a一遇SE向或S向風浪作用時的淤積量較正常天氣要明顯增大，但淤強值僅介于0.02～0.12 m/d，平均值僅為0.05 m/d左右，其量有限，而在其他方向50 a一遇風浪作用下的淤強和淤積量會更小，因此只要預留一定的備淤深度，完全可以滿足船舶正常航行的要求。另外，從廣州港航道數(shù)年實踐來看，廣州港沿伶仃航道不斷實施浚深工程（目前航道水深為-15.0m左右），且經(jīng)歷了多次臺風的影響，但從未出現(xiàn)過驟淤。因此在本港池工程海域，雖然波浪掀沙會在短期內(nèi)對淤積產(chǎn)生影響，但不會形成驟淤。

4 結論

本文建立了伶仃洋內(nèi)外整體二維潮流數(shù)學模型和桂山島附近工程區(qū)局部二維潮流數(shù)學模型，在驗證的基礎上，對珠海中燃桂山油庫多點系泊碼頭技術改造項目的3個平面方案的潮流場進行了模擬，對泥沙回淤和驟淤進行了計算和分析。研究結果表明從潮流場和泥沙淤積角度考慮，以方案2為最優(yōu)，但考慮到3個方案淤強和淤積量值都不大，因此3個方案都是可行的。

［1］李孟國，韓西軍，李文丹，等.珠海中燃桂山油庫多點系泊碼頭技術改造項目潮流數(shù)學模型與泥沙回淤研究報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2008.

［2］李孟國，張華慶，陳漢寶，等.海岸河口多功能數(shù)學模型軟件包TK-2D的開發(fā)研制［J］.水運工程，2005（12）：1-4.LI M G，ZHANG H Q，CHEN H B，et al.Development of multi-functional mathematical model software package TK-2D on coast and estuary［J］.Port&Waterway Engineering，2005（12）：1-4.

［3］李孟國，張華慶，陳漢寶，等.海岸河口多功能數(shù)學模型軟件包 TK-2D 的研究與應用［J］.水道港口，2006，27（1）：51-56.LI M G，ZHANG H Q，CHEN H B，et al.Study on multi-function mathematical model software package TK-2D and its application for coast and estuary［J］.Journal of Waterway and Harbor，2006，27（1）：51-56.

［4］李孟國.三角形網(wǎng)格在水動力水環(huán)境數(shù)學模型中的應用［J］.水利水運工程學報，2001（3）：59-64.LI M G.Application of triangular mesh in mathematical models of hydrodynamic and hydro-environment field［J］.Hydro-Science and Engineering，2001（3）：59-64.

［5］JTJ/T233-98，海岸與河口潮流泥沙模擬技術規(guī)程［S］.

［6］JTJ/T213-98，海港水文規(guī)范［S］.