顾杰，刘鹏晨，宋竑霖，马震，谢海澜

（1.上海海洋大学海洋科学学院，上海　201306；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092；3.同济大学土木工程学院水利工程系，上海　200092；4.天津地质调查中心，天津　300170）

黄骅港工程进展对潮流输沙影响分析

顾杰1，刘鹏晨2，宋竑霖3*，马震4，谢海澜4

（1.上海海洋大学海洋科学学院，上海201306；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092；3.同济大学土木工程学院水利工程系，上海200092；4.天津地质调查中心，天津300170）

随着黄骅港工程不同位置的导堤、防波堤和港口建筑物等的陆续建成，势必对近岸海域的潮流和泥沙输运产生不同的影响。文中应用Delft3D数值模拟软件建立黄骅港海域水动力泥沙数学模型对黄骅港一期工程、外航道整治工程、2011年和2013年工程下的潮流和泥沙输运进行对比分析，研究表明：一期工程导堤长度短，黄骅港东南和西北区域间悬沙输运和交换比较畅通；外航道整治工程后，港区东南和西北区域被分割成两片较为独立区域，东南区域总体含沙量大小及泥沙输运范围均有所减小；综合港区北导堤工程的建设进一步阻碍了东南和西北区域的水体和悬沙交换，降低了黄骅港两侧近岸区域与原口门处的高悬沙浓度范围。

黄骅港；工程建设；水动力；泥沙输运；Delft3D

0　引言

黄骅港是河北省第一个地方商港，也是我国的主要能源输出港之一，始建于1984年。港区位于渤海湾西南部、沧州市区以东约90 km的渤海之滨，拥有突出的腹地优势，是河北省冀中南及晋、蒙、鲁、豫、陕、甘、宁等中西部地区陆路运输距离最短的港口，被誉为“亚欧大陆桥新通道桥头堡”，陆上距黄骅市区约45 km，水上北距天津60 n mile，东距山东龙口149 n mile，汇集漳卫新河与宣惠河的大口河在此交汇入海。从渤海湾沿岸的港口布局来看，天津到龙口500 km海岸线内没有港口，黄骅港所在地理位置适中，可供其使用的水陆域面积广阔。

2011年黄骅港总吞吐量超过1亿t，跻身全国亿吨大港之列。按照交通运输部、河北省政府批复的《黄骅港总体规划》，2015年黄骅港吞吐量达3亿t，到2020年达4亿t，2030年达5亿t，2050年突破6亿t。随着河北沿海地区发展规划上升为国家战略，黄骅港进入了千载难逢的发展黄金期，展现出更为广阔的发展前景。截至2013年，黄骅港煤炭港区工程已建设至四期，黄骅港综合港区工程已建设至二期，其发展阶段可以分为以2003年为代表的黄骅港一期工程、以2006年为代表的黄骅港外航道整治工程以及以2011年和2013年为代表的现有工程3个阶段。随着工程的不断进展，煤炭港区和综合港区大规模建设项目的相继动工，不同位置的防波堤和港口建筑物等的陆续建成，势必对黄骅港近岸海域的水动力泥沙环境造成不同的影响[1-2]，因此，有必要及时预测并分析工程对近岸海洋水动力及泥沙环境的影响[3-5]，以此为黄骅港的后续建设和港口的运营维护提供理论依据和参考。

本文应用Delft3D数值模拟软件建立黄骅港海域二维潮流和泥沙输运数学模型对黄骅港一期工程、外航道整治工程、2011年和2013年工程下的潮流和泥沙输运进行对比分析，深入了解黄骅港工程进展对其海域水动力和泥沙环境的影响，分析黄骅港海域水动力和泥沙变化特性。

1　数学模型的建立

1.1数值模型

荷兰Delft水利研究所开发的数值模拟软件Delft3D已在世界范围内的河口、海岸地区广泛运用，它可用于模拟水流、波浪、泥沙、污染物等的运动过程以及相互作用。本文在研究过程中主要应用Delft3D-FLOW潮流模块与Delft3D-SED泥沙输运模块分别建立二维水动力模型与泥沙输运模型来模拟黄骅港潮流动力和泥沙输运。

1.2模块介绍

Delft3D-FLOW潮流模块根据浅水假定和Boussinesq假定求解不可压缩流体的Navier-Stokes方程，得到二维和三维非线性浅水方程，其基本方程包括了连续方程和动量方程[6]。Delft3D-SED泥沙输运模块的计算是在Delft3D-FLOW计算网格的基础上进行的，泥沙模型中包含了黏性沙（≤0.063mm）和非黏性沙（>0.063 mm），其中黏性沙的计算采用著名的Partheniades-Krone侵蚀沉积公式[7]，非黏性沙的计算则采用Van Rijn[8]基于水深积分对流-扩散方程。

1.3计算范围及网格

模型有东北边界、西北边界和东南边界3条开边界以及一侧岸线闭边界，计算范围为东经117°36′—118°40′，北纬38°07′—38°51′的海域（图1）。海域开边界采用潮位过程来控制，侧向固边界采用不可滑移条件，即流速为零。其中开边界潮位条件由渤海大模型获得，大模型为以大连老虎滩至烟台两个潮位站连线为开边界的整个渤海区域（图1）。

模型计算网格为197×125正交曲线网格，网格尺寸在东北—西南方向为200～430 m，西北—东南向为70～1 480 m。计算网格采用非均匀网格，工程区域网格较细，外海水域网格较粗，沿黄骅港航道和近岸处作加密处理。

2　模型的率定和验证

选用2012年10月15日5:00—10月16日6:00大潮期间计算区域内3个观测点的实测水动力和泥沙资料对模型进行率定和验证（验证潮位站及观测点布置见图2），潮位验证资料采用2012年10月15日0:00—10月16日23:00黄骅港一期煤码头潮位站潮位过程。模型计算中水平黏滞系数为20m2/s，曼宁系数根据底部泥沙粒径及水深分布计算率定，取值范围为0.011～0.016，滩地采用动边界处理干湿交换过程。床面泥沙干重度根据实测资料取恒定值952 kg/m3，泥沙沉降速度为0.5mm/s[9]。经过计算和率定，临界冲刷切应力取值范围为0.190～1.600 N/m2，相应临界淤积切应力取值范围为0.084～0.710 N/m2，冲刷系数选取0.000 064 kg/（m2·s-1）能较好地反映黄骅港海域的悬沙输运特征。

图3为2012年10月大潮潮位验证，显示出模型计算与实测的潮位过程相当一致。

图3 潮位验证Fig.3　Verification of tidal level

图4以观测点HH4为例，展示了该站点在2012年10月大潮的垂向平均流速、流向、含沙量的验证结果。本文采用Willmott统计学方法[10]来定量评价水动力和泥沙输运模型的效率，计算得到模型验证计算的流速、流向和含沙量的skill值范围分别为0.69～0.79，0.66～0.73和0.50～0.55，即水动力和泥沙输运模型的评价结果分别为极好和非常好，说明建立的水动力和泥沙输运模型是合理的，因此本模型可以用于黄骅港一期工程、外航道整治工程、2011年工程和2013年工程4种工况下潮流和泥沙输运的模拟、比较和分析。

图4　测站HH4垂向平均流速、流向、含沙量验证Fig.4　Verification of depth-averaged current velocity, direction and sediment concentration at station HH 4

3　结果分析

截至2013年，黄骅港的发展阶段可以大致分为以2003年为代表的黄骅港一期工程、以2006年为代表的黄骅港外航道整治工程以及以2011年和2013年为代表的现有工程3个阶段。已验证的黄骅港潮流模型和泥沙输运模型可用于研究2003年工况、2006年工况以及2011年和2013年工况下黄骅港海域水动力和泥沙输运的变化。

本文以具有实测资料的大潮（2012年10月15日—16日）作为典型潮，采用已经验证的潮流模型模拟了4种工况下的潮流变化，并采用泥沙输运模型研究潮流动力作用下的各工况下泥沙场的变化情况。

3.1工程建设对潮流的影响

计算了4个工况下的潮流场，其中2003年和2013年工况下的涨急流场如图5所示（其余工况由于篇幅限制不再展示）。黄骅港一期工程下，远离港区的海域产生较为明显的旋转流，港区附近的潮流由于防波堤的阻水效应呈现出往复流特性，潮流在到达口门处形成横流，导堤虽然产生一定的阻水效应，但因其长度有限所以港区东南和西北部区域的水体在涨、落潮过程中交换畅通。黄骅港外航道整治工程后，煤炭港区南北导堤向海延伸接近11 km，分割了港区东南和西北两侧海域，涨、落潮时导堤外侧的潮流运动呈明显的沿堤往复流特征，原口门附近的大范围口门横流减弱，涨、落潮过程中水体交换较外航道整治工程前大幅减少，被分割成两片单独的涨、落潮区域，导堤的延伸同时增强了它的阻水效应，受挑流作用的影响，新口门处仍有横流出现。2011年黄骅港西侧综合港区工程的围垦减少了滩槽容量，新北导堤的建设在黄骅港西北侧形成一个两端宽中间窄的类沙漏状区域，受到束窄效应的影响，最东段围垦区与北导堤间区域内的涨、落潮流速有所增加。2013年工程下，综合港区北导堤延伸工程的建成改变了黄骅港工程区域的水流运动情况，在导堤和防沙堤的掩蔽作用下综合港区内部航道涨落潮流速有较大幅度的减小。

图5 黄骅港典型工况下涨急流场Fig.5　M aximum flood current fieldsunder typicalconstruction stages

3.2工程建设对泥沙输运的影响

由图6可以看出：高悬沙浓度区域为港区东南面滨州港导堤附近以及黄骅港西北部滩地附近。结合3.1节的流场分析，导堤阻碍了周围水体的交换过程并在导堤附近形成沿堤流，该海域的粉沙淤泥质泥沙易随潮流输运，近岸在沿堤流作用下沿堤运动至口门，并在转流时刻经口门横流作用越过导堤。黄骅港一期工程时，导堤虽产生一定的阻水效应但因其长度短，经过黄骅港口门的大范围横流使黄骅港东南、西北区域间悬沙尚能输运和交换；外航道整治工程后，导堤延伸工程把港区东南和西北区域分割成两片相对独立的区域，口门横流减弱，港区东南区域水体涨潮平均流速减小了0.10 m/s，落潮沿堤流、沿岸流速增加了0.05 m/s左右，减少了涨潮来沙，增加了落潮向外海输沙，从而使东南区域含沙量及输运范围都有所减小；2011年综合港区导堤的建设加上黄骅港西北侧区域的围垦导致了滩地面积减小，使黄骅港西北面近岸区域含沙量有所下降，但是西北侧导堤的建设也使得综合港区形成口小腹大，导堤内侧的含沙量有所积聚；对比2006年与2013年工程，2013年工程下由于综合港区北导堤延伸工程的建设，黄骅港西北侧的含沙量明显降低，同时延伸工程堤头的挑流和阻水效应改变了原煤炭港区口门处的水流状态，横流范围进一步减小，一定程度上阻碍了东南、西北区域的悬沙交换，降低了黄骅港两侧近岸区域与原口门处的高悬沙浓度范围。

图6　黄骅港典型工况下全潮平均含沙量场Fig.6　Tidal-averaged sedimentconcentration fieldsunder typical construction stages

4　结语

随着黄骅港工程的不断进展，不同位置的导堤、防波堤和港口建筑物等的陆续建成，势必影响近岸海域的潮流和泥沙输运。本文通过已验证的黄骅港潮流模型和泥沙输运模型对黄骅港一期工程、外航道整治工程以及2011年工程和2013年工程4种工况下的潮流和泥沙输运进行模拟、对比和分析，得到以下主要结论：

1）远离港区的海域潮流为旋转流，导堤附近的潮流运动呈现出明显的沿堤往复流特性；近岸泥沙在沿堤流作用下沿堤输运，一期工程因导堤长度短，通过口门的绕流水体黄骅港东南和西北区域间的悬沙进行输运和交换。

2）外航道整治工程后的各工况下，煤炭港区导堤的延伸增强了导堤的阻水效应，把港区东南和西北区域分割成两片相对独立的区域；东南区域总体含沙量大小及泥沙输运范围均有所减小。

3）2011年和2013年黄骅港西侧综合港区长北导堤工程的建设进一步阻碍了东南和西北区域的水体和悬沙交换，降低了黄骅港两侧近岸区域与原口门处的高悬沙浓度范围。

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Im pact analysis of Huanghua Harbor development on hydrodynam ic and sediment environment

GU Jie1,LIUPeng-chen2,SONGHong-lin3*,MA Zhen4,XIEHai-lan4
（1.CollegeofMarine Sciences,ShanghaiOcean University,Shanghai201306,China; 2.ShanghaiMunicipal Engineering Design Institute(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200092，China; 3.DepartmentofHydraulic Engineering,CollegeofCivil Engineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 4.Tianjin Institute ofGeology and Mineral Resources,Tianjin 300170,China）

With the developmentof Huanghua Harbour,the continuous construction of jetties,breakwaters and other structures certainly affect the hydrodynamic and sediment environment in near-shore coastal waters.A hydrodynamic and sediment transportmodel of Huanghua Harbor coastalwater is set up with Delft3D to simulate the changes of tidal currentand sediment transport under four construction stages:first-stage project,outerwaterway regulation project,2011 projectand 2013 project. The results indicate that:the short breakwaters in the first-stage project had lim it effect on sediment transport in coastalwater between the southeast partand northwest partof the harbor;after the outerwaterway regulation project,the southeast partand northwest partof Huanghua Harbor had been divided into two relatively separate regions,and the sediment concentration and sediment transportamount in the southeastpartwere reduced;the construction of long northern jetty in the general port district further impeded theexchangeofwater body and sediment transportbetween the southeastpartand northwest partof Huanghua Harbor,thus reducing the range of high concentration suspended sediments in Huanghua coastal area and around the entrance of coalport.

Huanghua Harbour;engineering construction;hydrodynam ics;sediment transport;Delft3D

U651.3；TV148

A

2095-7874（2016）10-0008-05

10.7640/zggw js201610002

2016-05-31

2016-07-25

中国地质调查局项目（1212011120087）；河北省科学技术研究与发展计划（11276709D）

顾杰（1961—），男，江苏兴化人，教授，主要研究方向为河口海岸动力与环境。*通讯作者：宋竑霖，E-mail：021_hlsong@tongji.edu.cn