摘要：根據(jù)防城港碼頭規(guī)劃布置，防城港漁澫港區(qū)第五作業(yè)區(qū)進(jìn)港航道工程提出了將進(jìn)港航道分為5萬噸級和3萬噸級兩段不同噸級的航道進(jìn)行合理設(shè)計的方案，以滿足岸線碼頭的配套服務(wù)要求。文章根據(jù)防城港工程海域相關(guān)的地質(zhì)及水文條件，建立了平面二維潮流數(shù)學(xué)模型，確定了模型的初始條件、邊界條件及模型參數(shù)，并通過實測數(shù)據(jù)驗證了該模型在防城港海域的適用性及所建立模型的正確性。

關(guān)鍵詞：防城港;漁澫港區(qū);航道設(shè)計;二維潮流模型

中圖分類號：U611 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：1 0.1 3282/j. cnki. wccst. 2019. 12. 049

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0185 - 04

0 引言

近年來，隨著西部大開發(fā)的深入實施、泛珠三角區(qū)域合作進(jìn)一步加強(qiáng)、中國一東盟自由貿(mào)易區(qū)和“一帶一路”建設(shè)不斷推進(jìn)以及廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)和東興重點開發(fā)開放試驗區(qū)的建設(shè)上升至國家發(fā)展戰(zhàn)略層面，防城港迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。由于船舶的大型化，港口規(guī)模的擴(kuò)大化，使得原本就交通緊張的港口水域航道要承受更大的壓力，這就迫使港口水域航道需要重新規(guī)劃、升級，以緩解當(dāng)前的通航壓力，并滿足未來發(fā)展的需要。航道作為港口水域布局的一個重要方面，其規(guī)劃的合理性對提高港口水域通航安全和效率有很大作用。

防城港岸線資源總量有限，潮流動力環(huán)境較復(fù)雜，新航道的建設(shè)涉及航道通航代表船型、通航尺度、平面布置、防淤減淤等問題，尚需進(jìn)行一定的基礎(chǔ)研究工作。在投資盡可能少、工程量盡可能小的前提下，據(jù)防城港港口總體規(guī)劃中關(guān)于漁澫港區(qū)第五作業(yè)區(qū)的泊位建設(shè)情況及航道工程設(shè)計相關(guān)規(guī)范，對防城港漁漓港區(qū)第五作業(yè)區(qū)進(jìn)港航道工程提出了將進(jìn)港航道分為5萬噸級和3萬噸級兩段不同噸級的航道進(jìn)行合理設(shè)計的方案，需要對相應(yīng)的進(jìn)港航道方案進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以滿足岸線碼頭的運(yùn)作要求。本文將根據(jù)防城港工程海域相關(guān)的地質(zhì)及水文條件，確定模型的初始條件、邊界條件及模型參數(shù)，通過建立平面二維潮流數(shù)學(xué)模型，驗證該模型在防城港海域的適用性及所建立模型的正確性。

1 防城港漁澫港區(qū)第五作業(yè)區(qū)進(jìn)港航道工程設(shè)計方案

設(shè)計方案以防城港港區(qū)的地質(zhì)地貌、水文氣象等資料為基礎(chǔ)，在研究防城港未來到港船型預(yù)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合相應(yīng)的參考技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計原則，根據(jù)第五作業(yè)區(qū)沿岸碼頭布置情況及工程海區(qū)水深地形條件，并考慮大型船舶航行安全，盡量保證航道軸線順直，避免多次轉(zhuǎn)向，尤其是大角度轉(zhuǎn)向。

設(shè)計進(jìn)港航道長為6 018 m，航道起點位于漁漓港區(qū)已建成的5萬～10萬噸級東灣航道起點A處，終點位于防城港漁澫港區(qū)第五作業(yè)區(qū)北端513#～516#泊位回旋水域外邊線中段F點。從航道的起點A到510#泊位北側(cè)的AE段設(shè)計為長5 064 m的5萬噸級進(jìn)港航道，設(shè)計通航寬度為156 m，底標(biāo)高為- 11. 90 m;511 #泊位南測至516#泊位回旋水域中段的EF段設(shè)計長為954 m的3萬噸級航道，設(shè)計通航寬度為128 m，底標(biāo)高為- 10. 70 m。

航道具體走向為：從起點A順現(xiàn)有5萬～10萬噸航道2 125 m至液體化工碼頭北側(cè)港池邊界B點;從B點向北偏沿7。43'36"延伸2 072 m到C點;從C點向東偏沿30。46 725”延伸868 m到D點，形成5萬噸級航道;從D點向東偏沿21°12'38"延伸954 m至F點，形成3萬噸級航道。航道全長6 018 m，見圖1。

2.3 數(shù)值計算方法

對上述微分方程進(jìn)行離散計算時，時間項運(yùn)用向前差分計算的格式，空間項運(yùn)用中心差分計算的格式。

數(shù)值求解用ADI法（戴賢凱等，1987），此方法中涉及的網(wǎng)格劃分方法、差分算法等詳見《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》。這一方法的優(yōu)點是計算原理已非常成熟完善且運(yùn)用廣泛，它的求解速度快，求解過程較為穩(wěn)定。ADI法的求解原理是：求解中將一個時間步長分兩個半步來計算，前半步采用隱式求解ξ方向的流速分量和潮位，顯式法求解流速在7方向的分量;后半步則反過來，采用隱式求解η方向流速分量和潮位，顯式法求解流速在ξ方向的分量。

3計算范圍確定及網(wǎng)格剖分

模型范圍計算域覆蓋了防城港兩個內(nèi)灣及防城港規(guī)劃20萬噸級航道（理論基面-18 m）水域。計算域的長寬分別為42 km和27 km。運(yùn)用正交曲線網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為358×229，在工程區(qū)位置需要將網(wǎng)格加密提高精度，外海網(wǎng)格較疏，空間步長最短為8.8 m，最長為549.8 m，工程區(qū)水域網(wǎng)格尺度約為30 m。

4 參數(shù)處理

4.1 動邊界處理

計算海域內(nèi)有邊灘和淺灘分布，要想在計算時將邊灘和干濕特征體現(xiàn)出來，就要對動邊界做一些特殊的處理。

本文中選擇凍結(jié)法對動邊界進(jìn)行處理。凍緒法的基本原理是：若節(jié)點的水深小于設(shè)定的控制值，將該點潮位值的大小“凍結(jié)”，使其不參與計算，在計算后一時刻前，用周邊節(jié)點的水深值對被凍結(jié)的節(jié)點水深進(jìn)行修正;若節(jié)點水深值大于設(shè)定的控制水深時則正常參與計算。這里將動邊界的控制水深設(shè)置為5 cm，盡量不引起數(shù)據(jù)計算失真。

4.2 糙率選取

在進(jìn)行潮流模擬計算時，糙率n是一個重要的綜合性參數(shù)，能深度影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與正確性。糙率實際上代表著潮流運(yùn)動時所受到的阻力特征，它的大小和海底床面的泥沙性質(zhì)、水深大小、水下地形均有關(guān)系，本文通過以下公式進(jìn)行計算：

n= n0 +n’/H

（8）

式中，no是基礎(chǔ)糙率，結(jié)合在防城港和欽州灣海域的計算經(jīng)驗取為0. 015～0. 020，基礎(chǔ)糙率較大值一般出現(xiàn)在紅樹林區(qū)及島群區(qū)域;n'/H為糙率修正項，n取0. 012。特別要注意的是，若水深H<1 m，個別點處糙率可取0. 032，若水深在≥1 m則直接用式（8）加以修正。

4.3 其它參數(shù)

另一個重要的參數(shù)是與網(wǎng)格大小和潮流相關(guān)的紊動黏性系數(shù)，此參數(shù)若取值恰當(dāng)則計算結(jié)果精度更高。根據(jù)Smagorinsky（1963）所述方法，可使紊動黏性系數(shù)根據(jù)網(wǎng)格的大小和潮流強(qiáng)弱自適應(yīng)，能夠保證計算結(jié)果的真實性，提升計算過程的穩(wěn)定性。各參數(shù)取值如表1所示。

4.4 數(shù)學(xué)模型驗證

防城港潮流主要是全日潮，這里利用2007 -05 - 19～20防城港監(jiān)測的大潮數(shù)據(jù)對模型加以驗算，所選流速及潮位測點如下頁圖2所示，其中V7、V8為流速測點，T1、T2為潮位測點。

圖3展示了二維潮流模型模擬的潮位過程與實測值。從圖中可以看出，模型的模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)的變化趨勢基本一致，高潮位和低潮位的數(shù)值也較為貼切。這體現(xiàn)出對于防城港水域所建立的模型恰當(dāng)，平面二維潮流模型所計算的結(jié)果與實測的潮流動力基本一致，計算中所設(shè)置的模型邊界條件是正確的，網(wǎng)格劃分是合理的。

圖4展示了各測點的流速、流向模擬值與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)之間的對比結(jié)果。從圖中可以看出，該模型模擬得到的潮流流速、流向和現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)均是比較貼切的，因此驗證了所建立模型的適用性和正確性，模型計算中所選取的各項參數(shù)是適合且可靠的，可利用該平面二維潮流模型進(jìn)行新建航道的設(shè)計研究工作。

5 結(jié)語

本文對防城港擬建航道海域建立了平面二維潮流模型，介紹了所建模型的方程及求解條件、計算方法、網(wǎng)格劃分及參數(shù)選取處理等方面內(nèi)容，并驗證了該模型在防城港海域的適用性及參數(shù)選取、網(wǎng)格劃分的合理性。平面二維潮流模型計算結(jié)果有較好的可信度，為該航道設(shè)計方案的數(shù)值研究打下了基礎(chǔ)，可為該類多噸級航道方案的設(shè)計及實際工程建設(shè)提供借鑒和參考。

同時，由于三維潮流模型在研究邊界變化較為劇烈的區(qū)域具有較好優(yōu)勢及準(zhǔn)確性，隨著數(shù)值模型的深入研究及計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來三維潮流模型在港口航道工程中的應(yīng)用具有良好的前景，這方面值得進(jìn)一步深入研究。本次主要針對新建航道設(shè)計方案開展了數(shù)學(xué)模型的建模分析，其模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性相對有限，未來可進(jìn)一步建立包括碼頭、港池、錨泊地、回旋水域等在內(nèi)的全面數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬驗證，提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]廣西交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司.防城港港口總體規(guī)劃（2016 - 2030）[R].2017.

[2]于家根.港口水域航道合理規(guī)劃設(shè)計研究[D].大連：大連海事大學(xué)交通學(xué)院，2008.

[3]孫平峰.椒江口二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型研究[D].杭州：浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，2006.

[4]李世森，時鐘.河口潮流垂向二維有限元數(shù)學(xué)模型[J].海洋科學(xué)，2001，25（9）：39 - 44.

[5]戴賢凱，田海勇，劉家駒.北侖港區(qū)潮流數(shù)值計算和>中淤分析[J].海洋工程，1987（4）：51 - 62.

作者簡介：徐思思（1987-），工程師，主要從事港口規(guī)劃建設(shè)管理工作。