肖立敏，孙林云，孙波，韩信，刘建军

（南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210024）

南港工业区位于天津滨海新区南部，规划面积200 km2，其中陆域面积162 km2，大部分由围海造地而成，围海深度至-4m等深线。天津港大港港区（南港工业区港区）于2011年8月正式开港试通航，现有航道可通行5 000吨级船舶，且正在进行5万吨级航道施工，并将随后开展10万吨级等级提升。为保障港区航运安全、提高运营效率、完善港区规划，建立平面二维潮流数学模型对港区口门布置水流条件进行专题研究，初步确定口门的合理位置并优化口门布置，为港区规划建设提供技术依据。

本次研究港池航道均按10万吨级标准考虑，其中航道有效宽度300 m，港池航道设计底标高-15.0m。航道起点0+000位置。高程系统统一采用新港理论基准面。

1 工程区潮汐潮流特征

工程海域潮汐类型属不规则半日潮，昼夜两涨两落，滞后约45 min，日潮不等现象明显，涨潮历时约为5.5 h，落潮历时约为7 h。见表1。

工程区海域涨、落潮流向总体而言较为集中，基本呈现垂直于岸线的往复流性质。近岸或建筑物附近，局部流向会受到约束而发生偏转。2011年在工程附近海域开展了水文测验工作，测点位置及大潮期间流速矢量见图1。南港实测站点流速值与离岸距离为正比关系，即离岸越远，垂线流速值越大，各个测点大、小潮涨潮流最大流速分别在0.74m/s和0.61m/s以内。

表1 潮位特征值Table1 Tidevalueeigenvaluem

图1 港区平面布置及实测大潮流速矢量图Fig.1 The harbor layoutand the vectorgraph of the measured spring tide velocity

2 平面二维潮流数学模型的建立与验证

2.1 模型建立

模型采用变步长网格覆盖研究区域，各变量转换到正交曲线坐标系，并对沿水深积分的连续方程和动量方程经差分离散后采用ADI法进行计算，采用TDMA方法求解[1]。

2.2 模型验证

对工程区2011年6月12—13日、17—18日实测大潮的3个临时潮位站的潮位以及9条垂线的流速、流向进行验证[2-3]，各测站位置见图1。图2、图3分别给出了部分测点数学模型计算结果与实测的对比。由图可见，潮位过程以及流速、流向的计算结果与实测值吻合良好，能较好反映工程区潮流动力特性，可用于不同工程方案的水动力模拟计算。

图2 大潮潮位过程验证曲线图Fig.2 The curveof spring tide process verification

图3 大潮流速流向验证曲线Fig.3 The curve of spring tide velocity and direction verification

3 方案介绍

依据天津港2011年至2030年总体规划中的大港港区规划，大港港区北侧留有预留发展区，预留发展区与高沙岭港区之间有一片水域暂未进行规划（简称“规划条件”）。从长远来看，未来有可能进行开发利用，考虑将该水域围填成陆（简称“北侧未来开发条件”）。

潮流数学采用2011年实测大潮作为代表潮型，开展不同港区口门布置方案的水流条件计算分析。首先对口门防波堤长度进行初步比选，分别考虑防波堤长度（以东防波堤为起算点）为2 km、3 km、4 km、5 km、6 km和7 km，见图 4（a）。在初步确定合适的口门防波堤长度的基础上，针对口门建横堤或束口对口门布置形式进行研究。口门横堤分别考虑横堤位置距堤头1.4 km和0.5 km，各方案口门净宽度均为1 km，见图4（b）。

图4 方案平面布置示意图Fig.4 Sketch of the layout scheme

4 计算成果分析

4.1 不同堤长水流条件分析

图5给出了口门防波堤长度为4 km时的涨急流场分布。由图可见，大港港区口门正对着潮波传播方向，外海涨、落潮流方向基本与口门防波堤走向平行。规划条件下，涨潮流进入港区并在东港池附近形成回流区域，港池内流速普遍较弱；落潮时，水流流态较为平顺。北侧未来开发条件下，涨潮期间北侧部分水流经口门防波堤挑流后进入港区，并在港池内形成一定范围的回流。

图5 堤长4 km方案大潮涨急流态Fig.5 Themaximum flood situation of the4 km length breakwater scheme

图6 、图7分别给出了不同堤长方案涨落潮期间特征流速沿航道中心轴线分布，表2则统计了最大横流流速及出现位置。由图表可见在规划条件下，口门防波堤长度为2 km时，口门段（航道里程10+000—15+000段）流速相对较大，涨、落潮最大流速分别为0.96 m/s和0.52 m/s；港池内流速普遍在0.25m/s以内。当防波堤长度在3～7 km之间变化时，涨落潮最大流速均在0.90 m/s左右，且在防波堤掩护段流速分布较为均匀，流向基本与航道走向平行。从航道横流统计结果来看，口门防波堤长度为2 km时，最大横流在0.35 m/s左右，出现在11+000处，其余段横流基本在0.10 m/s以内。当口门防波堤长度延长至3 km时，横流明显减小，最大横流在0.26 m/s左右。当口门防波堤延长至4～7 km时，航道中心轴线沿程横流分布与防波堤长度为3 km时基本一致。

图6 不同堤长方案沿航道轴线方向涨潮最大流速分布Fig.6 The flood tidemaximum velocity distribution along the channel axis of different length breakwater schemes

图7 不同堤长方案航道中心轴线最大横流流速沿程分布Fig.7 Themaximum cross-flow velocity distribution along the channelcenter axisof different length breakwater schemes

表2 不同方案航道中心轴线最大横流流速统计表Table 2 The statistical table of themaximum cross-flow velocity along the channelcenter axisof different length breakwater schemes

北侧未来开发条件下，涨潮期间，随着口门防波堤的延长，最大流速出现位置相应外移并有一定程度增加。防波堤长度分别为2 km、3 km、4 km、5 km、6 km和7 km时，口门附近最大流速分别为 0.94 m/s、1.01 m/s、1.03 m/s、1.05m/s、1.07 m/s和1.08 m/s。落潮期间，最大流速均在0.62 m/s左右。从航道横流结果来看，当口门防波堤长度2 km时，最大横流为0.46m/s，出现在11+700处，在口门防波堤堤头（13+500）附近，最大横流为0.17 m/s，其余段横流均在0.10 m/s以内。随着口门防波堤的延长，东港池附近横流明显减小，最大横流在0.20 m/s以内，但堤头挑流作用越明显。口门防波堤长度分别为3 km、4 km、5 km、6 km和7 km时，堤头附近最大横流分别为 0.24 m/s、0.29 m/s、0.31 m/s、0.33 m/s 和0.35m/s。

从水流条件角度，考虑天津港总体布局规划条件以及北侧未来开发条件，大港港区口门防波堤长度不宜低于3 km；同时，在北侧未来开发条件下，口门防波堤长度在3～7 km之间变化时，防波堤的延长会使口门附近横流有一定程度的增加。因而，防波堤长度不宜过长。综合考虑，口门防波堤长度选择在4～5 km较为合适。4.2 口门布置形式水流条件分析

经过初步比选，认为口门防波堤长度在4～5 km是较适宜的。在口门防波堤长度为4 km条件下，进一步论证口门布设横堤或束口的水流条件。

图8分别给出了横堤和束口方案口门附近的涨落急流场分布。由图可以看到，涨潮期间，横堤方案由于横堤距东港池较近，水流在东港池东端形成较为明显的回流，因而从水流流态考虑，若要修建横堤，横堤不宜太靠近东港池，可以考虑适当外移。口门束口方案形成后，在口门附近以及东港池均有明显回流，从流态上看，横堤方案要优于束口方案。

图8 不同口门布置形式大潮涨急流态Fig.8 Themaximum flood situation of differententrance layout schemes

图9 给出了横堤和束口方案最大横流沿航道中心轴线分布，结合表2可见，与没有设置横堤或束口相比，主要在东港池对应的航道9+000—12+500段，横流有明显增加，其余区域变化不大。其中在9+000—12+500段，横堤距堤头1.4 km和0.5 km以及束口方案最大横流依次为0.46 m/s、0.40 m/s和 0.30m/s。

综合上述分析，从水流结果来看，横堤或束口方案会改变口门附近的水流流态，并在口门以及东港池附近形成一定区域回流，增加东港池对应的航道段的横流流速，且横堤方案要优于束口方案。横堤适当外移能有效减小东港池的回流强度和范围，并减小横流流速。

图9 不同口门布置形式最大横流沿航道中心轴线分布Fig.9 Themaximum cross-flow distribution along the channel center axisof differententrance layout schemes

5 结语

1）综合规划条件以及北侧未来开发条件，口门防波堤长度选择在4～5 km较为适宜。

2）按照1 000m净宽于口门内建横堤或束口方案，从流态上看建横堤优于束口；横堤位置应适当外移，与港池开挖区保持一定距离，能有效减小东港池的回流强度和范围。

3）根据通航水流条件的不同方案比选结果，建议在防波堤长度4～5 km和（或）口门内设置横堤的基础上，再结合码头泊稳条件和泥沙冲淤情况来对口门布置进行综合分析。

[1] 汪德爟.计算水力学[M].南京：河海大学出版社，1989.WANG De-guan.Computational hydraulics[M].Nanjing:Hohai University Press,1989.

[2] 肖立敏，孙波，韩信，等.天津南港工业区港区口门布置优化波浪潮流泥沙数学模型计算研究报告[R].南京：南京水利科学研究院，2013.XIAO Li-min,SUN Bo,HAN Xin,et al.Report on wave current sedimentmathematicalmodel teston entrance location optimization in Tianjin Nangang Industrial Zone[R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2013.

[3] 孙波，韩信，刘建军，等.天津港大港港区口门布置优化试验研究报告[R].南京：南京水利科学研究院，2013.SUN Bo,HAN Xin,LIU Jian-jun,et al.Test report on entrance location optimization in Dagang Harbor of Tianjin Port[R].Nanjing:NanjingHydraulic Research Institute,2013.