大型海岸工程对水流和泥沙运动的影响研究_张玮

趋势。
关键词：大型海岸工程；水沙环境；工程影响；近岸区
中图分类号：TV 142；O 242.1
文献标识码： A 文章编号：1005-8443（2014）01-0001-07
近年来，随着沿海地区社会经济的快速发展，大型海岸工程建设正面临一个崭新的局面。自然条件较好 的岸线已基本开发完毕，剩余岸线中淤泥质海岸占有较大比例。淤泥质海岸水浅坡缓，受风浪作用明显，水沙 运动复杂。为了开发利用淤泥质海岸的深水岸线资源，通常做法是修建环抱式防波堤，而且需要突出于海岸 线一定距离才能满足港区防浪挡沙、防淤减淤的目的［1］。
图 6 工程前后全潮平均流速变化图
连云港区 羊窝头
旗台咀
防波
堤 外（航17道.3
内km段）
羊山岛 田湾电站 取水导堤
（1徐7.圩6 k航m道）
2# 倾倒区
徐圩港区
积超过 70 km2；灌河口双导堤延伸至-2.0 m 等深线处，东西导
堤分别长 11.0 km 和 8.4 km，导堤为半潮潜水堤，堤顶高程为
西导堤 东导堤
3.0 m。
2 数学模型建立及求解
进行了验证，验证结果令人满意。
3 潮流模拟及结果分析
3.1 数值模拟 在模型验证的基础上，采用 2004 年 7 月的实测大潮作为计算潮型，进行工程前后潮流场的模拟计算及
比较分析。 3.2 计算结果分析 3.2.1 潮流场特征分析
对比工程前后的大范围海域流矢图，可以看出，工程实施前，连云港海域外海为旋转流，近岸为主轴与岸 线平行的往复流。工程实施后，外海（-8 m 以外）的潮流矢量基本没有变化，变化区域主要集中在工程周边海 域，详见图 2 和图 3。其中，工程后田湾电站取水口导堤与徐圩港区间水域的潮流基本变为垂直岸线的往复 流，主轴方向沿顺时针有所偏转，平行于新岸线；徐圩港区与灌河双导堤之间的水域面积较大，两侧建筑物附 近的潮流主要为沿堤往复流，中间则为过渡水域，流速较工程前有所减小但流向变化不大。 3.2.2 流速特征分析
+Uy
坠Ux 坠y
=fUy-g
坠ζ 坠x
-
ρ（hτ+x ζ）+Nx
坠2Ux 坠x2
+
坠2Ux 坠y2
（2）
2 2 坠Uy
坠t
+Ux
坠Uy 坠x
+Uy
坠Uy 坠y
=-fUx-g
坠ζ 坠y
-
ρ（hτ+y ζ）+Ny
坠2Uy 坠x2
+
坠2Uy 坠y2
（3）
式中：x、y 为直角坐标系坐标；t 为时间变量；h 为平均水深；ζ 为相对于平均海平面的潮位；Ux、Uy 为 x、y 方向 上的垂线平均速度；ρ 为水流密度；g 为重力加速度；Nx、Ny 为 x、y 方向的水平紊动粘性系数；f 为科氏参数（f= 2ωsin准，ω 为地球旋转角速度，准 为纬度）；τx、τy 为水流作用下的床面剪切应力在 x、y 方向的分量。 2.1.2 二维泥沙数学模型
2014 年 2 月
张 玮，等 大型海岸工程对水流和泥沙运动的影响研究
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系数；ω 为泥沙絮凝沉降速度。
（3）波流共同作用下的床面剪切应力。
# ! "! "$ τcw = τc
τc+τw τc+τw
1+b
τc τc+τw
p 1- τc τc+τw
q
（7）
式中：τcw 为波流共同作用下的床面剪切应力；τc 为只考虑水流作用时的床面剪切应力；τw 为只考虑波浪作用
第 35 卷第 1 期 2014 年 2 月
水道港口
Journal of Waterway and Harbor
Vol.35 No.1 Feb. 2014
大型海岸工程对水流和泥沙运动的影响研究
张 玮 1，刘 燃 1，钱 伟 1，李 泽 1，张 婧 2
（1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098；2.上海市水利工程设计研究院有 限公司，上海 200061）
（4）
γd
坠ηb 坠t
-Fs=0
（5）
式中：γd为床沙干容重；ηb 为海底床面的竖向位移（即冲淤变化量）。
泥沙冲淤函数 Fs 与底部剪切应力及泥沙特征有关，由下式确定［11］
≥≥≥ωS（1-τ/τd）
F = 0≥≥
s
≥ ≥
≥
≥≥≥-M（τ/τe-1）
τ≤τd τd＜τ＜τe τ≥τe
（6）
式中：τ 为水流底部切应力；τe 为临界冲刷切应力；τd 为临界淤积切应力，（1-τ/τd）定义为淤积概率；M 为冲刷
工程前后的涨落潮平均流速、全潮平均流速及全潮最大流速变化的差值图（百分比）详见图 4~图 7，可 以看出：
工程实施后，工程区以外的大范围海域（-8 m 以外），潮流流速没有改变，变化主要集中在连云港区、徐
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水道港口
第 35 卷第 1 期
图 2 工程前流矢图 Fig.2 Vectorgram of flow velocity before projects
本文以连云港海域为例，利用二维波浪潮流泥沙数学模型，模拟计算连云港区、徐圩港区以及灌河口双 导堤工程等大型海岸工程实施后连云港海域的水流泥沙运动情况，分析多个大型海岸工程对于周边海域水 沙环境的综合影响，研究成果可为类似工程提供参考依据。
收稿日期：2013-05-20； 修回日期：2013-06-20 基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）（2012AA112509） 作者简介：张玮（1958-），男，山东省青岛人，教授，博士生导师，主要从事港口航道工程研究。 Biography：ZHANG We（i 1958-），male，professor.
过程。验证表明，所建立的连云港海域潮流数学模型所计算的潮位、流速与流向均与实测资料吻合较好，能够
较好地反映原体潮流的运动规律。至于泥沙数学模型，除采用多个测点长期含沙量实测资料进行验证外，还
利用连云港区 7 万 t 和 15 万 t 级航道、以及徐圩港区航道先导试挖和 5 万 t 级航道等实测回淤资料，对模型
行动边界处理。在进行泥沙数值计算时，只定义了东边界和北边界，由三角形网格泥沙模型按照零梯度方法
经计算提供。
计算的初始条件通过估算给出，与实际值并不一致，但是，经过一定时间后，即使初值有一定的误差，在
计算过程中也将会随着时间而逐渐消失。
2.3 模型验证
潮流场的验证采用 2004 年 7 月、2005 年 9 月和 2010 年 6 月各潮位站的潮位过程及各潮流测点的流速
图 5 工程前后落潮平均流速变化图
Variation of mean velocity of ebb tide before and
after projects
（kilometer）
（kilometer）
80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 （kilometer）
图 3 工程后流矢图 Fig.3 Vectorgram of flow velocity after projects
（kilometer）
（kilometer）
80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 （kilometer）
摘 要：在淤泥质海岸建设大型海岸工程，会对周边海域的水沙环境产生一定影响。文章以连云港为例，
应用波浪潮流泥沙数学模型，模拟计算了连云港海域大型海岸工程实施后对于水流泥沙运动的影响。研
究结果表明：连云港区、徐圩港区以及灌河口双导堤工程实施后，工程区以外的大范围海域潮流场和含沙
量场基本没有改变，变化主要集中在工程区和工程区附近近岸海域，总体呈现出动力减弱、含沙量减少的
（1）悬移质输移扩散方程。
坠［（h+ζ）S］+ 坠［（h+ζ）SUx］+ 坠［（h+ζ）UyS］=
坠t
坠x
坠y
2 2 2 2 -Fs+
坠 坠t
（h+ζ）Dx
坠S 坠x
+
坠 坠y
（h+ζ）Dy
坠S 坠y
式中：S 为垂线平均含沙量；Dx、Dy 分别为 x、y 方向的泥沙扩散系数；Fs 为泥沙冲淤函数。 （2）床面冲淤变化方程。
图 4 工程前后涨潮平均流速变化图
Fig.4 Variation of mean velocity of flood tide before and
after projects
80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10
5 0
Fig.5
10 20 30 40 50 60 70 80 （kilometer）
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水道港口
第 35 卷第 1 期
1 研究对象概述
连云港地处江苏省北部沿海，所在海域的潮汐受制于南黄海驻波系统，为正规半日潮型。外海潮流呈逆
时针旋转流特征，向岸逐渐向往复流过渡。海区波浪以风浪为主，常浪向为偏东北向，强浪向为偏北向。海域
泥沙平均粒径 0.002~0.004 mm，为淤泥质海岸。近岸水体多年平均含沙量一般在 0.21～0.24 kg/m3，泥沙运动Leabharlann 埒子口 燕尾港2.1 基本方程
图 1 连云港工程平面布置图
2.1.1 二维潮流数学模型
Fig.1 Layout of Lianyungang Port project
（1）连续方程
坠ζ + 坠［（h+ζ）Ux］+ 坠［（h+ζ）Uy］=0