金子嵩

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳，110006）

0 引言

河流入海口附近的水力特性及行洪安全受潮流影响，因此需要采用适当的潮流数学模型进行计算。近年来，国内针对海岸河口的二维潮流数学模型已经发展得较为成熟，ADCIRC、FVCOM、MIKE等软件都已经得到广泛采用，其建立的模型也大多经过了工程应用和学术检验。李池鸿等[1]基于MIKE21研究了某码头工程建设前后潮流场特征以及工程建设对海区潮流场影响，王璐璐等[2]采用MIKE21潮流数学模型与污染物扩散模型分析了三亚中心渔港内部水动力及污染物扩散分布情况，袁帅等[3]基于FVCOM模拟了渤、黄海区域沿岸的潮流，并与实测结果进行对照。由此看来，潮流数学模型已经广泛应用于整片海域以及某些单一工程所在的局部海域的潮流特征分析。

本文以河北省某港区工程项目为例，建立二维潮流数学模型，分析港区附近两条入海河流——陡河和沙河河口区域工程前后的潮位、流速、流态等水力特性，以及工程建设对河道行洪安全的影响。

1 工程概况

某港区工程利用沙河口至陡河口之间岸线形成环抱式港池，港池内东侧为突堤结合挖入式港池的形式，西侧为顺岸布置形式。港内主要布置干散货泊位区、通用泊位区及临港工业区、仓储物流区。港区平面布置见图1。

图1 港区平面布置图

丰南港区附近有陡河与沙河两条小型河流入海，其来水来沙量均很小，其中陡河全长120km，流域面积1 340km2，在陡河村附近入海；沙河全长108km，流域面积975km2，在黑沿子村与黑沿子排干交汇后入海，沙河口位于陡河口以东约10km处。为充分反映港区建设对河道水力特性及行洪的影响，需要将河道计算范围定在河口上游一定距离以外，陡河的计算范围为D1+366～D3+766（河口），长 2.4km，沙河的计算范围为SH0+000～SH7+590（河口），长 7.59km。

2 潮流计算的数学模型

2.1 数学模型简介

2.1.1 潮流计算数学模型

本项目的潮流计算采用由丹麦DHI水工所开发的MIKE21软件的三角形网格水动力模块（HD模块）[4]，该模块在国内外工程项目中应用广泛，可以应用于海洋、海岸、河口区域的二维水动力计算[5]。

MIKE21软件的水动力学模块（HD模块）基于水流运动控制方程——浅水方程进行计算[6]，浅水方程表达式如下：

式中：l为特征长度，常数cs可取为0.28。

Manning系数可以根据底部糙率计算。

2.1.2 波浪计算数学模型

本项目的潮流计算中加入波浪引起的辐射应力作为驱动力计算波浪影响下的流场，采用第三代风浪模型中的SWAN模型来模拟波浪变形[7]。SWAN模型基于波作用谱平衡方程进行计算[8]，可表示为：

式中：σ为波浪的相对频率（在随水流运动的坐标系中观测到的频率）；θ为波向（各谱分量中垂直于波峰线的方向）[9]；Cx、Cy为 x、y 方向的波浪传播速度，m/s；Cσ、Cθ为 σ、θ空间的波浪传播速度，m/s。

2.2 模型网格划分和边界条件

对港区范围内海域建立潮流场模型进行计算。为了增强潮流场模型的整体性，本文采用大、中、小三重模型以嵌套方式进行计算，分别由大模型为中模型、中模型为小模型提供边界条件。图2显示了大、中、小模型计算范围。大模型包含整个渤海海域。本工程紧邻周边若干其他港口，为充分考虑周边港口建设对本工程的影响，中模型范围包含了整个渤海湾，东西向最长约129km，南北向最长约147km。小模型为工程局部范围。

图2 大模型计算范围示意图

图3分别给出了中模型以及小模型的计算网格。本模型由三角形非结构化网格构成[10]，其中港区内航道、建筑物及陡河、沙河河道内网格进行加密。大模型共9 030个网格节点，计算时间步长从0.01～60s自动调节。中模型约52 400个网格节点，网格最大空间步长约5 000m，最小空间步长约10m，计算时间步长从0.01～5s自动调节。

图3 中、小模型网格示意图

3 计算成果及分析

3.1 潮位影响分析

将工程建设后计算潮位与现状（工程建设前）计算潮位进行比较，变化值列于表1。现状采用的是2010年实测潮位+陡河、沙河10年一遇流量进行计算的结果；工程建设后分别计算了2010年实测潮位+陡河、沙河10年、30年和50年一遇的设计洪峰流量条件下潮位的变化过程。

表1 工程建设前后各测站最大潮差变化值 m

分析潮位变化统计结果可知港区工程实施后，不同设计标准（10年一遇、30年一遇和50年一遇）时，甸头、南堡、陡河口、汉沽四个水位站工程后与现状潮位的差值分别在0.03m、0.12m、0.13m和0.13m以内，可见工程对港区设计防洪（潮）水面线的影响极为微小，因此可以认为工程对设计防洪（潮）水位影响不大。

3.2 流速影响分析

工程前50年一遇流量条件下的涨急流速矢量如图4所示，流速等值线图如图5所示。工程后50年一遇流量条件下的落、涨急流速矢量图如图6所示，流速等值线图如图7所示。工程前50年一遇流量条件下的局部流场落、涨急流速矢量如图8所示，流速等值线图如图9所示。工程后50年一遇流量条件下的局部流场落、涨急流速矢量图如图10所示，流速等值线图如图11所示。

图4 工程前50年一遇流量涨急流速矢量图

图5 工程前50年一遇流量涨急流速等值线图

图6 工程后50年一遇流量涨急流速矢量图

图7 工程后50年一遇流量涨急流速等值线图

图8 工程前50年一遇局部流场涨急流速矢量图

图9 工程前50年一遇局部流场涨急流速等值线图

图10 工程后50年一遇局部流场涨急流速矢量图

图11 工程后50年一遇局部流场涨急流速等值线图

从图4～7中可以看出：相比于工程前，流速等值线明显向内海偏移，即流速有明显增大；工程后流场在工程区附近变化较为明显，即工程前流向趋近于竖直向外海方向，工程后在工程区左右两侧流向大约与工程区平行，在工程区下侧流向发生倾斜；远离工程区的外海处流向变化不明显。

工程区域位于陡河村陡河河口至黑沿子沙河河口之间，两河口具有一定的防洪和航运功能。为减小对河口水域的不利影响，设计开发方案时围垦堤线走向与防洪制导线走向一致，并留出了一定的间距（图1）。由局部流场流速变化等值线图（图8～11）可知，拟建港区西侧的陡河河口以外海域流速基本没有变化，东侧的沙河河口近岸区流速略微减小，往外海流速减幅略大。因此该港区航道工程、河口码头区护岸工程、东防波堤工程、西防波堤工程等四个项目对两河口直接不利影响较小。

3.3 河道行洪安全影响分析

3.3.1 水面线计算参数

本工程涉及陡河、沙河河口区域河段洪水位推算采用恒定非均匀流水面线法，主要理论依据是伯努利能量守恒方程式[11]。

陡河、沙河起推断面位于河段的最下游即入海口处，起推水位受潮汐水位顶托影响，按潮汐水位作为起推水位[12]。

陡河、沙河河口附近河段属平原河道，河道坡度较缓，河道基本为单槽，根据现场勘查河道的河床组成及植被情况，参照《水力计算手册》中的“天然河道糙率表”[13]，综合选取工程河段河槽内糙率为0.03。

3.3.2 水面线成果

《河北省海堤建设方案调整报告》中提出该地区30年一遇设计潮位为3.06m，本次对治理河段的10年、20年、30年、50年一遇设计洪水分别推求了现状水位，最终确定陡河采用10年一遇的洪水位与30年一遇的潮位两者取高值；沙河采用10年一遇水面线成果与30年一遇的潮位两者取高值，即低于30年一遇的设计潮位的采用3.06m，高于设计潮位3.06m的采用计算值。假设不冲不淤，工程前后的河底高程一致。陡河河口现状水面线计算成果见表2，陡河河口工程后水面线计算成果见表3，沙河河口现状水面线计算成果见表4，沙河河口工程后水面线计算成果见表5。

表2 陡河河口现状水面线 m

表3 陡河河口工程后水面线 m

表4 沙河河口现状水面线 m

表5 沙河河口工程后水面线 m

从表中可以看出，在假设河道不冲不淤，计算流量不变，工程前后起推水位略微变化的情况下，河道洪水位发生了变化，这主要是由于工程建设后改变了整个河口区域的地形，引起区域流速、流向发生变化。但水位变化幅度很小，不会影响河道的行洪能力。

5 结论

本研究采用河北省某港区项目整体潮流数学模型，对港区附近海域及陡河、沙河河口的潮位、流速等进行计算，并采用河道一维水面线数学模型对陡河、沙河的水面线进行计算。水力学计算模型的采用及概化处理方法等对类似入海河流分析具有较为普遍的参考价值。得出结论如下：

（1）河北省某港区工程所在的水域，岸线伸展速率不大，岸线向水域推进较为均衡。近岸水流流势与岸滩基本平行，往复潮流比较畅通，因而港区近岸滩槽基本稳定。

（2）从壅水计算成果看，工程对甸头、南堡、陡河口、汉沽四个水位站设计潮位及高低潮位的影响值不足0.13m。工程建设对设计防洪（潮）水位影响不大。

（3）工程建设改变了河口区域的地形，因此造成流速、流向发生变化，但由于港区合理设计了围垦堤线，陡河河口和沙河河口区域的流速变化很小。

（4）工程建设对水动力影响局限于工程附近区域，陡河、沙河工程前后的洪水位变化很小，故工程对河道的河势稳定、行洪安全影响不大。

（5）从潮位、流速、流态综合分析，工程建设后，对河道泄洪、纳潮、防汛抢险影响不大。