舟山岱山岛燕窝山码头工程潮流泥沙数值模拟

舟山岱山岛燕窝山码头工程潮流泥沙数值模拟李玉婷;宋志尧;李瑞杰;彭国强;陈鹏【摘要】岱山岛位于舟山群岛中部,地理位置优越,具有通江达海的区位优势.为满足舟山北向的水路客运需求,拟在岱山岛北侧建设燕窝山码头工程,包括码头和防波堤.文章根据现场实测资料分析,建立了舟山岱山岛燕窝山码头工程及其附近海域潮流泥沙数学模型.在模型验证的基础上,计算了不同防波堤布置方案下码头工程及其附近的流场和泥沙淤积情况,对现有防波堤平面布置方案对水流和泥沙输运的影响进行分析,并选出合理解决方案.从水流、泥沙计算结果看,燕窝山和东垦山的北海域流速较大,超过2.0 m/s,5 m等深线以内水流流速较小,在0.6 m/s以内,故码头工程对岱山海域整体流态影响不大,其是可行的.但根据航道横流流速变化特征,应增大航道设计宽度,保证船舶航行安全.【期刊名称】《水道港口》【年(卷),期】2019(040)002【总页数】9页(P135-143)【关键词】潮流;泥沙淤积;防波堤;码头工程【作者】李玉婷;宋志尧;李瑞杰;彭国强;陈鹏【作者单位】南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室,南京210023;江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,南京210023;大规模复杂系统数值模拟江苏省重点实验室,南京210023;南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室,南京210023;江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,南京210023;大规模复杂系统数值模拟江苏省重点实验室,南京210023;河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室,南京210098;河海大学环境海洋实验室,南京210098;南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室,南京210023;江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,南京210023;大规模复杂系统数值模拟江苏省重点实验室,南京210023;南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室,南京210023;江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,南京210023;大规模复杂系统数值模拟江苏省重点实验室,南京210023【正文语种】中文【中图分类】U656图1 燕窝山码头工程所在位置示意图Fig.1 Topographic map of simulated domain in Yanwoshan近年来，为了开发利用深水岸线资源，修建码头和防护工程较为普遍，尤其在受风浪作用明显的海岸带，防护工程需要突出于海岸线一定距离才能满足防浪挡沙的要求，保证船舶靠泊条件[1]。

在海区建设码头工程与防波堤，需要首先进行泥沙冲淤问题的研究。

我国在这方面的研究成果很多。

例如，李瑞杰等[2]通过建立潮流泥沙运动二维数学模型模拟河口的悬沙运动冲淤变化，为河口整治工程提供科学依据；宋志尧等[3]通过建立海岸河口二维水沙数学模型研究了长江口悬沙的分布特征和各主要入海通道的分沙比变化，为海岸河口相关工程的建设服务；柯杰等[4]在前人基础上通过建立多重嵌套的二维潮流泥沙数学模型，对枸杞岛拟建防波堤工程所引起的潮流场、含沙量场以及海床冲淤变化进行了分析和预测；曹成林等[5]以烟台八角海域为例，分别采用数值模拟计算与实测值对比两种方式分析评价了防波堤工程；解鸣晓等[6]建立波流共同作用下的泥沙数学模型，研究了连云港口门防波堤建设对年平均含沙量场及进港航道回淤的影响。

岱山岛位于舟山群岛中部，在北纬30°13′～30°21′，东经121°3′～122°13′之间，北接长江口，西临杭州湾，东濒东海，南邻舟山本岛，是舟山市第二大岛，面积119.3 km2。

岱山岛位于长江口外国际航线范围内，地理位置优越, 具有通江达海的区位优势。

为满足舟山北向的水路客运需求，拟在岱山岛北侧建设燕窝山码头工程(图1)，包括码头和防波堤。

根据燕窝山海港工程的规划，拟建码头为高桩式码头，栈桥为透空过水式，码头与陆域通过透空栈桥相连，具体方案详见本文第四部分。

本文采用数值模拟计算分析码头工程实施后的流场以及泥沙淤积情况, 对现有防波堤平面布置方案对水流和泥沙输运的影响进行分析，选出合理解决方案。

1 工程海域概况舟山市岱山县岱山岛属于北亚热带南缘季风海洋型气候。

岛上存在沙滩、海涂、低山等多种地貌类型，受冷暖空气交替影响，灾害性天气频繁。

1.1 气象条件此区域多年平均降水量为873.6 mm，6月份月降雨量最多，达121.9 mm，最大年降水量为128.6 mm(1996年)，全年大于25 mm的降水天数为6.6 d。

多年平均风速为6.6 m/s，最大风速为38.6m/s。

台风是影响工程区域的主要灾害性天气系统。

1.2 潮汐潮流条件工程海域潮汐以M2分潮为主。

工程海域的潮汐性质为不规则半日潮，潮汐不对称现象明显，三个临时潮位站均有浅水分潮存在。

工程海域潮流运动形式为往复流。

实测最大涨潮流流速为2.28 m/s，流向为216°；最大落潮流流速为2.52 m/s，流向为77°；垂向平均的最大涨潮流流速为2.17 m/s，流向为237°；垂向平均的最大落潮流流速为2.34 m/s，流向为78°。

1.3 泥沙条件工程海域底质以细颗粒的粉砂和粘土为主，其中粉砂约占69%、粘土约占25%，此外还有少量的砂约占6%。

底质中值粒径范围在3.72～6.51 μm之间，平均为5.17 μm。

底质中值粒径的空间分布有东面粗、西面细的特征。

实测最大含沙量为1.874 kg/m3，最小含沙量为0.171 kg/m3。

垂向平均含沙量最大值为1.495 kg/m3，最小值为0.342 kg/m3(图2)。

图2 岱山岛北部海洋工程水文泥沙工程站位Fig.2 Engineering station of northern Daishan island2 水沙动力学方程采用建立大、小两套模型进行计算，大模型为岱山岛海域，小模型为码头工程局部海域。

大模型为小模型提供水动力模型所需要的边界条件，以保证码头工程局部流场计算符合岱山岛海域潮流场的整体物理特征。

模型采用垂向平均二维浅水方程，采用 ADI法(Alternating Direction Implicit)和DS法(Double Sweep)格式离散，采用非结构三角形网格和有限体积方法进行数值离散和求解。

高桩码头支撑桩对工程海域流场阻流作用的模拟采用等效阻力的方法。

动力学方程包括：连续性方程(1)式中：d=h+η为总水深，η为水位，h为静水深；t为时间；u、v为垂线平均流速分别在x、y方向上的分量。

水深平均x、y方向的动量方程分别为(2)(3)式中：g为重力加速度；f=2ωesinφ为科氏参数，ωe为地球自转角速度，φ为当地纬度；εxx、εxy、εyx和εyy为不同方向上涡粘系数；CZ为谢才系数。

二维悬沙输移扩散方程为(4)式中：C为垂向平均含沙量；εx、εy为扩散系数；Fc为水沙界面通量，由下式给出(5)式中：α为沉积系数；ω为泥沙沉速；M为冲刷系数；τb为底部切应力；τe为临界冲刷切应力；τd为临界淤积切应力。

地形变化方程为(6)式中：γ0为泥沙干密度，Zb为床面高程。

不考虑海面风作用,陆边界Vn(x,y,z,t)=0(n为陆边法向)(7)开边界处给定水位,由东中国海潮波模型[7]计算得到。

悬沙闭边界条件采用法向零通量边界条件，悬沙开边界条件如下式C(x,y,t)|Γ=C*(x,y,t)(当水流流入计算域时)(当水流流出计算域时)(8)式中：Γ为水域开边界；C*(x,y,t)为已知悬沙浓度。

3 模型建立及水沙模拟3.1 模型的构建图3 大、小范围数学模型计算区域Fig.3 The large and small range of calculated area with mathematical model模型计算区域如图3所示，计算区域北面以长江口以南、南汇嘴以东的东海海域为北开边界，南面以六横岛以南约10 km的东海海域为南开边界，东面以嵊山岛以东约40 km的东海海域为东开边界，西面以黄湾镇南杭州湾口为西开边界，其他边界均为固边界。

大、小模型均采用非结构三角形网格,其中大模型最小网格尺寸为50 m，节点数为15 468，网格数为28 987。

小模型最小网格尺寸为5 m , 网格单元34 808个，网格节点17 289个。

结果输出时间步长为1 800 s，计算时段为2017年3月21日00:00时～2017年4月7日00:00；经率定，舟山海域糙率取为0.02；本文利用考虑亚尺度网格效应的Smagororinsky(1963)公式计算水平涡粘系数，取为0.28；由东中国海潮波数学模型确定模型开边界的外海开边界条件。

大、小模型的计算域及网格剖分见图4、图5所示。

3.2 模型的验证图4 大模型计算区域网格剖分图图5 小模型计算区域网格剖分图Fig.4 Mesh map of large model areaFig.5 Mesh map of small model area模型计算的水位、流速、振幅以及过程线，均与原型验证良好，符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》[8]的要求，限于篇幅，不再一一列出。

关于含沙量，实测值依据舟山北向客运枢纽(燕窝山)工程水文泥沙测验分析报告(2017年)[9] ，图6是6个测站的含沙量验证图。

含沙量的验证较好地反映工程海域泥沙的输运特征。

6-a SW1测站6-b SW2测站6-c SW3测站6-d SW4测站6-e SW5测站6-f SW6测站图6 各测站大潮含沙量验证图Fig.6 Sediment concentration verification3.3 水动力模拟工程区潮流数学模型计算流场如图7所示，以大潮为例，大潮涨潮时，潮流由东南方向进入计算区域，流经衢山岛和长涂山时发生分流。

水流绕过燕窝岛后进入工程海域，近岸海域流速较小。

大潮落潮时，来自杭州湾的水流绕过大鱼山向西北方向流去，部分水流进入工程海域，进一步绕过燕窝岛和鲞蓬山，穿过岱山、长涂山与衢山岛中间的海域与南侧落潮流汇合进入东海。

7-a 涨急7-b 落急图7 小模型工程实施前大潮涨落急流场图Fig.7 Rapid flow field of tidal fluctuation before the implementation of small model engineering4 工程应用计算4.1 工程方案情况根据舟山市交通规划设计院提供舟山北向客运枢纽工程工程可行性研究报告(2017年)[10]中的燕窝山陆岛交通码头工程总体布置图，拟建的燕窝山码头位于舟山市岱山县岱山岛北部，地理位置约北纬30°20′48″，东经121°10′23″。