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黄骅港周边海域悬浮泥沙运移和海底蚀淤变化规律研究 摘要 黄骅港位于河北省沧州市区以东9 0 k i n 的渤海之滨，漳卫新河与宜惠河交汇 的大口河北侧，是我国西煤东运第二通道出海港。自2 0 0 1 年建成以来，一直深 受外航道严重淤积的困扰。随着“2 0 0 7 年跨入亿吨大港”目标的提出及朔黄铁 路复线的加紧建设，如何维持外航道正常通航水深的问题显得更为紧迫。本文根 据多年水深地形、水文气象、底质、风况等实测和历史资料，运用e c o m s e d 数值模型对黄骅港附近海域潮流场、正常和大风天气下悬浮泥沙运移以及海底蚀 淤变化进行了模拟研究，经验证其结果与实测资料吻合良好。 黄骅港海域潮流流向基本呈e w 向，流速一般在3 0 c m s 6 5 c m s 之间， 涨潮流速大于落潮流速。正常气候条件下，研究区内悬浮泥沙运移主要受潮流控 制，沿逆时针方向旋转，经过一个潮周期后，产生w s w 向的净位移；整个研究 区内悬沙浓度较小，在5 0 m g l 3 5 0 m g l 之间，并呈现向外海浓度逐渐降低的 趋势；与悬沙相对应，研究区海底蚀淤变化不大，年最大侵蚀和淤积量分别为 7 5 c m 和2 5 c m 。 n e 向大风作用下，研究区内悬浮泥沙运移方向为w s w 向：与正常天气相 比，悬沙浓度明显增大，在1 0 0 m g l 5 0 0 0 m g l 之间，浓度由岸向海逐渐降低； 6 级以上大风作用3 3 小时( 最大风级8 级) 和2 2 小时( 最大风级9 级) 后， 研究区大部分地区处于侵蚀状态，侵蚀量向外海逐渐降低，航道淤积严重，淤积 量分别在5 c m 3 8 c m 和4 c m 2 6 c m 之间。 n w 向大风时，研究区内悬浮泥沙颗粒向s e 运移，悬沙浓度在5 0 1 0 0 0 m g l 左右，6 级大风作用1 2 小时后，研究区内处于略微侵蚀状态，侵蚀量 在l c m 左右航道整体淤积量在2 c m 左右，北侧淤积较大，在8 c m 左右。 海岸附近海域的泥沙输运是海岸港口运行过程中必须解决的问题，本文结合 工程实践对黄骅港周边海域悬浮泥沙运移和海底冲淤变化规律进行了研究，为黄 骅港航道的淤积整治提供了科学技术资料。同时e c o m s e d 数值模型在研究区 的成功运用，丰富了e c o m s e d 数值模型的内容，为黄骅港海域研究提供了新 的技术方法。 关键词：黄骅港、数值模拟、运移轨迹、悬浮体浓度、蚀淤 黄骅港周边海域悬浮泥沙运移及海底蚀淤变化规律研究 s t u d yo nt h es u s p e n d e ds e d i m e n tt r a n s p o r t a t i o na n ds e a b e d e r o s i o na n dd e p o s i t i o ns u r r o u n d i n gh u a n g h u ah a r b o r a b s t r a c t t h eh u a n g h n ap a r ti sam a n - m a d eh a r b o ra tt h es o u t h w e s to fb o h a ib a y ，9 0 k i l o m e t e r sf a rf r o mc a n g z h o uo fh e b e ip r o v i n c e i ti st h es e c o n db i g g e s t e x p o r tp a r t o fc o a l h u a n g h u ap o r th a sb e e np u z z l e db yt h es e v e r es a l u t a t i o no fo u t e rc h a n n e l s i n c eb e i n g b u i l t i n2 0 0 1 a c c o m p a n y i n g w i t h t h eg o a lo f b e c o m i n g o n e o f t h e b i g g e s t h a r b o r sw h o s et h r o u g h o u ta m o u n t st oo n eh u n d r e dm i l l i o n st o n si n2 0 0 7a n dt h e r e c e n tc o n s t r u c t i o no ft h es e c o n dr a i l w a yl i n ef r o ms h a n x it oh a t l 曲a a ，i ti sa p r e s s u r eh o w t om a i n t a i nt h eo u t e rc h a n n e l sn a v i g a b l ed e p t h s i n c et h e1 9 8 0 s t h e c o a s ta r o u n dh a n g h u ap o r ti ss i l to rs l i t - m u d d yc o a s t i th a sb e e ni nm o r p h o l o g i c a l p r o c e s sb yl o n g - t i m ee r o s i o n r e t r o g r e s s i o na n dd e s t r u c t i o nf r o mt h ea n c i e n ty e l l o w r i v e re s t u a r y sa b a n d o n m e n t t h et y p eo f h u a n g h i l ac o a s ti sn o to n l yd i f f e r e n tf r o m s a n d yc o a s tb u tm u d d yc o a s t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e d i m e n ti st h a tt h es e d i m e n ti s s u s p e n d e db yw a v e sa n dt r a n s p o r t e db yc u r r e n t s o nt h eb a s i so ft h eh i s t o r i cd a t aa n dr e s e a r c hr e s u l t ，i n c l u d et h es i z eo fg r a i n t h e d e p t ho fs e aw a t e ra n dt h ed a t ao fw i n d i ta n a l y z e dt h ed i s t r i b u t i o no fs u s p e n d e d s e d i m e n ta n dt h ee v o l u t i o no fe r o s i o na n dd e p o s i t i o na r o u n dh u a n g h u ap o r ta r e aw i t h t h ea p p l i c a t i o no f e c o m s e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n u n d e rn o l l l a ic l i m a t e ，w a t e rh a sl e s sc o n t e n to fs u s p e n d e ds e d i m e n ta n ds e a b e d i sb a s i c a l l ya tl i g h te r o s i o ns t a t e ；t h ec o n t e n to fs u s p e n d e di sb e t w e e n5 0 m g l 3 5 0 m g l ，t h em o s te r o s i o ns t a t ej s7 5c e n t i m e t e rp e ra n n u m ，a n dt h ed e p o s i t i o ns t a t ei s2 5 c e n t i m e t e rp e ra n n l i l n d u r i n gg a l e sw h o s ew i n df o r c eo v e rg r a d e6i nn e ，s u s p e n d e ds e d i m e n tm o v e d t o w a r d sw s w ：t h ec o n t e n to fs u s p e n d e ds e d i m e n ti nw a t e ri ss i g n i f i c a n t l yh i g h e r t h a nu n d e rn o r m a lw e a t h e rc o n d i t i o n s ，b e t w e e n1 0 0m i l l i g r a m ep e rl i t r et o5 0 0 0m i l l i g r a m e p e rl i t e r a n dt h ee r o s i o ni sh i g h e rt o o h u a n g h u as e a - r o u t es t r o n g l yd e p o s i t e d ，6w i n d b l o w e dl a s t2 2 h o u r s ( t h eb i g g e s t 耐n df o r c ei s8g r a d e ) ，t h ed e p o s i t i o no fh u a n g h u a s e a - r o u t ei sb e t w e e n5 c e n t i m e t et o3 8 c e n t i m e t e t h ew i n df o r c eo v e rg r a d e6 b l o w e dl a s t 黄骅蓬周边海域悬浮泥沙运穆及海底蚀淤变化规律研究 3 3h o u r s ( t h eb i g g e s tw i n df o r c ei s9g r a d e ) ，t h ed e p o s i t i o no fh u a n g h u as e a r o u t ei s b e t w e e n4 c e n t i m e | et o2 6 c e n t i m e t e d u r i n gg a l e sw h o s ew i n df o r c eo v e rg r a d e6i nnw s u s p e n d e ds e d i m e n tm o v e d t o w a r d ss e ，c o m p a r ew i t hw i n df o r c eo v e rg r a d e6i nn w ，t h ec o n t e n to fs u s p e n d e d s e d i m e n ti nw a t e ri sl e s s b u th i g h e rt h a nu n d e rn o r m a lw e a t h e rc o n d i t i o n s ，b e t w e e n5 0 m i l l i g r a mp e rl i t e r t o1 0 0 0m i l l i g m m ep e rl i t r e ，a n dt h ee r o s i o ni sl e s st o o 6w i n db l o w e dl a s t 1 2 h o u r s ( t h eb i g g e s tw i n df o r c ei s8g r a d e ) ，t h ed e p o s i t i o no fh u a n g h u as e a - r o u t ei s a b o u t2c e n t i m e t e t h ed e p o s i t i o ni sh i g h e ri nn o a h e mp a r t ，i sa b o u t8e e n t i m e t e t h i st e x tn o to n l ya n a l y z e dt h ed i s t r i b u t i o no fs u s p e n d e ds e d i m e n ta n dt h e e v o l u t i o no fe r o s i o na n dd e p o s i t i o na r o u n dh u a n g h u ap o r ta r e ab ym a c r o s c o p i c a la n d m i c r o c o s m i cw a y , b u ta l s oc o n f i r m e dt h es e q u e n c eo fe r o s i o ni nt h ei nt h eo u t e r w a t e r w a y ，a n dp r o v i d e da v a i l a b l ei n f o r r n a t i o n sa b o u th o w t os o l v ei t t h em o d e lo f e c o m s e d ss u c c e e f u l l yu s e d ，n o to n l ye n r i c hi t s e l f , b u ta l s op r o v i d ean e wm e t h e d w h e nw es t u d yo nt h i sa r e a ， k e y w o r d ：h u a n g h u ap o r t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t r a n s f e rc o n t r a i l ； s u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n ；e r o s i o na n dd e p o s i t 黄骅港周边海域悬浮泥沙运移及海底蚀淤变化规律研究 0 前言 0 1 研究意义 粉沙质海岸泥沙运动活跃，易起易落，易发生骤淤，因此在过去一段时期内、 在一定程度上视这种泥沙的海岸为建港“禁区”，由于对其水力特性了解很少， 成为泥沙研究的“盲区”。我国由东北沿渤海湾向南至长江口北存在不少粉沙质 海岸段。近年来，随着经济的发展，这些地区相继提出了建港辟航的要求，黄骅 港就是在这种情况下建立的。黄骅港自建港以来，己发生多次泥沙问题，主要淤 积问题出现在外航道。自2 0 0 0 年外航道全面施工后，2 0 0 0 年1 2 月中旬至2 0 0 1 年2 月底两个半月期间，外航道回淤了6 2 8 x 1 0 4 m 3 ，期间只发生了一场特殊大 风天气，与建港前的预测年回淤量2 0 0 3 0 0 x1 0 4 m 3 相去甚远。2 0 0 3 年1 0 月 的一次大风过程曾经造成外航道淤积量达9 7 0 1 0 4 m 3 ，严重影响了外航道的正 常使用。 因此，研究粉沙质海岸泥沙运移问题对予了解粉砂质海岸上的航道淤积变化 和维持海港的稳定性具有重要的科学意义、社会效益和经济价值。本文针对目前 黄骅港存在的严重问题，利用e c o m s e d 模型从正常天气和大风条件两个方面 模拟并分析了黄骅港泥沙运动规律，对黄骅港防淤减淤有着蕈要的实际意义，同 时e c o m s e d 数值模型在研究区的成功运用，丰富了e c o m s e d 数值模型的内 容，为以后泥沙运动的研究提供了新的技术方法。 0 2 前人研究工作 0 2 1 黄骅港泥沙问题研究概述 黄骅港海区由于泥沙问题，港口工程界一直对在黄骅建港存有疑虑。当国家 将神府煤炭的外运通道出海港址选在河北黄骅港以后，由交通部水运规划设计院 组织各单位进行了八年的可行性研究。在预可行性研究阶段，先后组织了全国在 建港、水利、水运、海岸、泥沙及地基基础等方面的勘察测量、科研、大专院校、 设计和施工等3 2 个单位，运用国内近代各种条件和先进技术手段，对港址附近 8 8 0 k m 2 海域和3 3 0k m 2 陆域从空中、水上、陆上和地下进行了大规模综合勘 黄骅港周边海域悬浮泥沙运移及海底蚀辨变化规律研究 察、测验和研究工作；工程可行性研究阶段又进一步开展了测量、钻探、水文泥 沙测验、环境评佶和模型试验等五个方面计2 1 个子项的前期工作，取得了大量 第一手技术资料，基本摸清了黄骅港海区的自然规律，确认了黄骅港建港技术上 的可行性，为国家决策提供了依据。1 9 9 2 年1 2 月，国家海洋第海洋研究所完 成“神府煤炭出口港黄骅港泥沙测量分析报告”；1 9 9 3 年7 月，南京水利科学研 究院完成“神木煤炭出口大港黄骅港物理模型试验和回淤量计算初步报告”； 1 9 9 3 年7 月，南京水利科学研究所完成“黄骅大港潮流和波浪共同作用下泥沙数 学模型初步成果”；1 9 9 3 年8 月，交通部水运规划设计院完成“神府煤炭出口港 黄骅港煤码头一期工程工程可行性研究报告”；1 9 9 3 年1 2 月，海洋环境保护研 究所完成“黄骅港区流路和流冰调查报告”；1 9 9 6 年4 月，交通部天津水运工程 科学研究所完成“黄骅港一期工程倾倒区( 抛泥区) 疏浚物运移规律与工程疏浚 经济性研究”。针对2 0 0 0 年冬至2 0 0 1 年春和2 0 0 2 年冬至2 0 0 3 年春的几次大 风造成的黄骅港外航道骤淤问题，黄骅港经过大量的研究、论证提出了外航道整 治工程方案即建设外航道防沙堤。交通部天津水运工程科学研究所、中国海洋大 学、中交第一航务勘察设计院、中国水利水电科学研究所等科研单位从潮流、波 浪、海冰、泥沙淤积、各断面的物理模型等方面对外航道淤积问题做出了大量细 致的研究工作。 在此基础上，在“黄骅港海岸的性质、黄骅海区的泥沙来源”、“外航道骤 淤的机理分析【2 】”、“不同重现期外航道骤淤量估算及淤积量预报”等方面7 诹 得了许多重要的研究成果。 此外，在交通部天津水运工程科学研究所研究成果的基础上，许多学者也对 黄骅港的淤积问题进行了研究。曹祖德、赵冲久等 1 5 - 2 3 i 对吼黄骅港为代表的粉沙 质海岸泥沙的粉砂质悬移质的水力特性和在波浪、潮流共同作用下的运动特性进 行了深入的研究，并提出了底部高含沙水体( 混移质) 【2 2 1 的概念，在现场勘测工 作中也得到了证实。曹祖德、罗肇森、刘家驹1 2 l t 2 4 彩1 等对粉砂质海岸泥沙淤积计 算和大风期航道骤淤计算发表了自己的见解，并提出了计算公式，并同实际的淤 积量进行了比对说明了公式的适用性。张庆河【2 6 l 利用卫片资料进行分析，定性 和定量地分析了黄骅港泥沙运动趋势和悬沙运动趋势，并对黄骅港沿堤流现象及 成因进行了初步分析，探讨了沿堤流对黄骅港局部回淤的影响。营祖德、罗肇森、 2 黄骅港周边海域悬浮泥沙运移及海底蚀淤变化规律研究 徐宏明、杨树森等| 2 5 , 2 7 j 对黄骅港的淤积成因进行了研究，并提出了粉沙质海岸的 具体的防淤减淤措施。 0 2 2 近岸海洋泥沙运动研究现状 现代意义的泥沙运动力学研究应始于1 8 7 9 年，2 0 世纪上半叶的研究工作是 在无统一理论指导下，其后通过不断探索，得出了一些有突破性进展的成果，在 此基础上，e i n s t e i n 2 8 j 于1 9 5 0 年提出了泥沙运动力学的理论体系，从而系统的 泥沙研究工作在统一理论的指导下有序地进行着。然而泥沙运动力学的研究，虽 然取得了不少突出的成绩，但与许多其他学科同时期的进展相比，发展还是比较 缓慢的，尤其是近岸海洋的泥沙运动。其原因是多方面的，既有学科本身问题复 杂，涉及面广泛，也有测量仪器不能满足进一步研究的需要，如无法观测到最关 键的边界区域( 床面层) 的泥沙运动是制约泥沙运动学发展是一个重要的原因。 ( 1 ) 运动泥沙分类 对泥沙输移运动的研究，通常按泥沙在床面不同位置的输运特征，分悬移质 输沙和推移质输沙。水流中悬浮泥沙问题一直受到学界的重视，对悬移质运动研 究，除维利卡诺夫的重力理论之外，一般大体都遵循扩散理论进行研究。早在 1 8 5 8 年d u p u i t 就提出了关于泥沙悬浮理论的设想，此后经s c h m i d t ( 1 9 2 5 、 b r i e n ( 1 9 3 3 ) 、v o n k a r m a n ( 1 9 3 4 ) ，到1 9 3 8 年r o u s e 提出垂线含沙量分布公式。 然而由于扩散理论在边界层应用的困难以及由于泥沙问题的复杂性，有关悬移质 与床面的交换，大多采用实验或经验方法来解决，如1 9 3 6 年s h i e l d s 起动条件， 是在水流的作用下，泥沙颗粒由静止状态进入运动状态是一个重要的临界条件。 ( 2 ) 悬移质输沙研究 悬移质输沙研究主要集中在水体含沙量垂直分布和悬沙与床面交换条件，依 扩散理论，水体含沙量主要由泥沙沉速与水流的垂直湍流扩散所决定，水体含沙 量平衡时，悬沙沉降通量与湍流扩散上扬通量相等。 泥沙沉速是水体中悬移质运动的基本参数，其中有关泥沙在淡水中沉速研究 较多单个泥沙静水沉速分别有s t o k s 公式，武汉电力学院公式等等这些公式 对处理淡水中泥沙的沉降运动都有较好的效果。对泥沙群体的沉速也有较多的研 究，如沙玉清泥沙群体的沉速公式等等，他们共同特点是考虑悬移质浓度对沉速 的影响。在河口或近海，由于盐度等电子离子的作用细颗粒泥沙絮凝，沉速加 黄骅港周边海域悬浮泥沙运穆及海底蚀淤变化规律研究 大目前已得到共识，密尼奥( m i g n i o t c ) 认为泥沙的絮凝临界粒径为大于 0 0 3 m m ，沉速在( o 0 1 5 0 0 6 ) c m s 之间，但根据钱宁，万兆惠口9 j 的研究， 粒径大于o 0 1 m m 泥沙，絮凝对沉降的影响微弱，黄委会水科所进行的静水沉 降试验结果为，泥浆中含有粒径小于o 0 1 m m 的泥沙一般呈絮凝沉降。金鹰i 3 、 时钟【3 l j 在长江口粘性细颗粒泥沙絮凝试验研究中认为，盐度在5 0 左右的长江口 水体对泥沙絮凝沉降影响最大，但絮凝条件和量的关系也难以确定。静止的水流 是相刈的。流动的水流几乎是绝对的，曹祖德【= 1 2 】、赵龙保b ”研究认为，动水中泥 沙絮凝沉降与静水有所不同，当紊动流剪切力小于絮团抗剪强度时，有利于絮团 形成，沉速加大：当紊动流剪切力大于絮团抗剪强度时，絮团结构受到破坏，仅 呈小絮团或单颗粒形式，曹祖德根据实验资料，整理出在盐度、流速影响下泥沙 絮凝沉降速度与单个泥沙静水沉速的经验关系。 ( 3 ) 含沙量垂直分布 目前研究含沙量的垂直分布有扩散理论、二相流理论、湍流猝发理论和随机 理论。扩散理论研究悬移质浓度的分布，是传统理论，如r o u s e 垂线含沙量分 布公式，扩散理论关键是如果确定合理的泥沙垂直扩散系数，其中有人认为悬移 质垂直扩散与流体湍流扩散系数相当，如对数流速分布公式，王志德流速分布公 式，张红武流速分布公式等；倪晋仁【3 4 j 、时钟等 3 s 3 9 1 人通过观测和实验资料，拟 合泥沙垂直扩散系数大体与水流湍扩散相当，李华军采用数值计算方法，研究悬 沙对m e l l o r - - y a m a d a 湍流扩散的影响，指出细颗粒悬沙对湍流扩散有抑制作用。 0 2 3 数值模拟方法进展 由于泥沙物理模型的设计存在许多模型比尺难点因此虽然泥沙数学模型发 展的历史并不长，但迅速得到学术界和工程界的普遍关注，其发展的速度很快。 特别是随着近年来大型、超级计算机、微型计算机的集群应用及计算机网络技术 的应用，人们能够同时使用几十个甚至上百个c p u 进行计算。微型计算机迅猛 发展，已经适应二维和简单三维数学模型。这样也就使得人们希望了解自然情况 下泥沙输移的非恒定性、非均匀性、非平衡性及多维性特点能够逐步变为现实1 4 0 j 。 国外数学模型起步较国内早，成熟的商业软件和开放源代码的模型相对较 多。国内这方面的研究也很多，同时一些关于泥沙数学模拟的专著也相继问世。 但由于国内泥沙问题突出，问题复杂，尚没有成熟商业软件和世界著名的开源模 4 黄骅港周边海域悬浮混沙运移及海底蚀淤变化规律研究 型问世l “。 泥沙数学模型的发展历程可以从以下几个方面来分：从研究的维数来分，经 历了从一维到二维再到简单三维的过程：从研究内容来分经历了悬沙模型、底沙 模型到全沙模型的过程；从研究泥沙级配角度来看经历了从均匀沙模型到非均 匀沙模型的发展过程；从泥沙颗粒的特性来看，经历了从非粘性沙模拟到粘性沙 模拟的发展过程：从水流和泥沙相互作用的模拟与否来看，经历了从非祸合到祸 合模型的过程，许多一维泥沙数学模型己经大量地被应用到国内外许多重要的水 利建设工程实践中，而且经过检验具有相当的精度。几乎所有重大工程项目的建 设都同时用物理模型试验和数学模型计算对其进行评估和关键因素的研究。例 如，在举世瞩目的三峡工程建设中，数学模型不仅与物理模型试验相辅相成，而 且一维泥沙数学模型还为坝区物理模型试验提供了进口的边界条件，这也说明人 们对一维数学模型提供的结果越来越有信心。 国际上常见的泥沙一维数学模型包括：丹麦水利所m i k e1 1 模型n i j ：美国 陆军土木工程师兵团的h e c r a s 模型“2 l ；法国国家水利所s e di c o u p 模型； 英国w a l l i n g f o r d 水利所的i s i s 模型以及德国国家水利设计院b a w 系列模型等 州。 平面二维泥沙数学模型己逐步应用到工程实践之中，国内外的研究己经有较 多的报道，王光谦等人首先结合流体运动方程和泥沙运动特性，导出平面二维泥 沙异重流的运动方程，然后数学模型模拟了水槽试验，并与试验结果对比，验证 了数学模型的适用性。西方国家中荷兰d e l f t 的v a nr i j n “6 1 模型、t r i m2 d 模型 “”、i o w a 水利所的m o b e d 2 模型1 4 s j 、美国的m i s s i p s i p p i 大学水科学计算中心 c c h e 2 d 模型、丹麦水利所的m i k e 2 1 4 9 1 模型、美国的s e d 2 d 圳，h a y t e r 的 h s c t m - 2 d 5 j 等。由于国内目前所遇到的大多数问题中悬移质泥沙所占比例较 高，所以关于悬沙输移问题所积累的经验也丰富一些：而西方国家则在推移质泥 沙输沙方面建立了大量的数据库和相关公式。 自然界的流体运动往往是三维特性很强的，特别是在边界变化较为剧烈的区 域和深水区域以及地形复杂的水域和弯道等流体运动的三维性尤为突出，垂向流 速不能简单的忽略，所以这样的情况下一、二维数学模型就难以保证相应的准确 度。河口地区，盐水入侵以及泥沙含量的垂向分布，使得水流在盐水楔滞留区具 黄骅港周边海域悬浮泥沙运移及海底蚀淤变化规律研究 有较为明显的分层流的现象。这些问题，平面二维数学模型就无法刻画了。随着 泥沙工程技术要求的不断键商，迫切需要发展更接近于实际情况的三维泥沙数值 模拟方法。目前，由于计算机的性能问题，大水体( 如河1 ：3 ) 雷诺方程的三维数值 模拟还没能发展到实际工程应用韵地步。考虑到近海潮流的水平空间尺度远大于 垂直空间尺度，可以看作一种准平行流动，这时水质点运动的垂直加速度比重力 加速度小得多，垂直方向的流体运动方程退化为静压方程，即所谓的静压假定。 这样，可以用水位变量( ( x ，y ，t ) 代替雷诺方程中的压力变量得到三维浅水方 程，使得需求解的数学问题得到简化。基于三维浅水方程，l e e n d e r t s e ( 1 9 7 3 ) 5 2 】 的工作具有开创性，他在垂直方向采用固定分层法，即将计算水域划分为固定的 多层，在每层中沿水深积分使之成为二维问题，并用a d i 格式进行数值离散。 而后国外众多的学者发展了大量的浅水流动和输运三维数学模型。浅水流动和输 运三维数学模型垂向空间的离散通常在笛卡几坐标系( z 坐标系) 或a 坐标系下进 行，为适应不规则的床面地形，在笛卡儿坐标系下可以对床面做阶梯化近似处理， 但这样会带来床面计算精度降低。此外，笛卡儿坐标下常采取垂向固定分层的做 法，即任意一水平位置的分层数与水深成正比，显然，这种网格系统对高剪切应 力的浅水区的分辨率不高，且在给定底边界和水面边界条件时会遇到很大困难。 为克服笛卡儿坐标的不足，浅水流动和输运三维数学模型多采用。坐标变 换，o 坐标下，整个计算域均匀地处于0 和一1 之间。这样数值离散与计算就可以 在一个固定的盒式区域内进行，计算域在垂向可以分为相同的层数，带来了网格 剖分和数值离散的方便。同时，在。坐标下可以精确地给定床面和水西的边界条 件，而在笛卡儿坐标下则几乎无法做到这一点。因此，对于床面和自由表面变化 缓慢的水域，o 坐标坐标变换能够保证在垂向有较高的分辨率。正是基于上述优 点，多数浅水流动和输运三维数学模型睁s 6 1 使用了该坐标系，包括著名的p o m 模型、c h 3 d 系列模型和t r i s u l a 模型。 目前，三维自由水面水流数学模型的发展比三维泥沙数学模型的发展快得 多，一方面是由于泥沙基础理论还远没有发展到具有三维特性的成熟的理论体 系，另一方面是因为三维的水流模型有一个共同的缺点一稳定性不好，其中一个 重要原因是因为三维水流计算的网格的水平尺度和垂向尺度相差甚远，而这个问 题至今还没有克服，阻碍了工程上的广泛应用酬。国外较为成功的三维泥沙数学 6 黄骅港阁边海域悬浮泥沙运移及海底蚀淤变化规律研究 模型有美国的e c o m s e d ，s e d 3 d e f d c ，丹麦的m i k e i i i ，荷兰d e l f t 大学 水力学实验室的d e l f t3 d 模型，其中e c o m s e d 模型、s e d 3 d 模型、e f d c 模型为开放源代码的。国内三维泥沙数学模型的研究相对较少，但也有一些探索， 如江文胜和孙文心研究并改造了德国汉堡大学的粒子示踪悬沙输运的三维模式， 利用粒子示踪方法模拟了黄河口排放的细颗粒泥沙的分布和输运的情况。陆永军 等【5 9 ( 2 0 0 3 年) 根据紊流随机理论，导出了各向异性紊流的r e y n o l d s 应力的数值 格式。将精细壁函数应用于边壁处理，将传统的悬沙运动、床沙级配控制方程推 广到三维模型给出了床面附近含沙量表达式，建立了三维紊流悬沙数学模型。李 瑞杰等在环境流体动力学模型基础上进一步开发了适用于河口海岸的海岸工程 水动力及物质输运数学模型，并将其应用到太平水道和崖门水沙问题的研究中， 取得了很好的效果 6 0 - 6 2 】。 0 2 4e c o m s e d 模型介绍 e c o m ( e s t u a r i n ec o a s t a la n do c e a nm o d e l ) 是在著名的海洋水动力模型 p o m ( p r i n c e t o no c e a nm o d e l ) 的基础上发展而来，适应用于河流、堤坝、河 口海岸或湖泊等浅水环境的一个三维水动力模型。上世纪9 0 年代，有关粘性泥 沙输运、再悬浮及沉积固结的模块( l i c k ，e ta 1 ，1 9 8 4 ) 被引入到模型中来发 展为e c o m s e d 模型。到了近代，e c o m s e d 己经发展到包括非粘性泥沙输运、 质点追踪模犁、波浪模型等的一个完善的数值模拟模式。它己被成功地用于了海 洋、海岸和河口水域的数值模拟研究中，证明了其可以较好的模拟真实世界的物 理过程。 e c o m s e d 模型包括水动力模块e c o m 以及物质输运模块s e d 两个部 分。e c o m 模型从原始奈维斯托克斯方程出发，以自由水位、三方向速度分 量、温度、盐度、密度和代表湍流的两个特征量为预报变量，对海洋非线性动力 过程进行刻画。有关e c o m 模式方程可详见参考文献【6 删。s e d 模型是基于 沉积动力学的物质输运数值模拟系统，它包含了粘性和非粘性沉积物的输运、沉 积及再悬浮过程，因而可以计算出分层深度内的悬浮泥沙浓度，使得模型模拟的 结果更为精确。其中，对非粘性泥沙的输运、沉积及再悬浮过程采用的是v a nr i j n 模式l 明，而对于粘性泥沙的再悬浮、沉降、堆积等过程则是采用g a i l a n i 等人的 研究成果嘲7 1 】。 黄骅港周边海域悬浮泥沙运移及海底蚀淤变化规律研究 0 3 本文研究内容 文章以现场底质取样结果、区域底质粒径分布、水深测量结果和风况等实测 数据和历史资料为基础，利用e c o m s e d 模型对黄骅港周边海域潮流场、正常 天气和大风天气下悬浮泥沙运移及海底蚀淤变化进行了模拟研究，并用现场观测 资料、地形对比等方法对结果进行了验证。主要研究内容包括： i 搜集、整理了区域内底质、水深地形、风况等实测资料和历史资料，为 模型中条件输入提供基础性资料，并对本文所采用的e c o m s e d 模型进行了详尽介 绍： i i 对潮流场进行了模拟和验证； i i i 对正常天气和大风天气下悬浮泥沙的运移进行了模拟和分析： 分析了研究区正常天气和大风天气下悬浮泥沙的分布特征； v对研究区正常天气和大风天气下海底蚀淤进行了模拟研究。 8 黄骅港周边海域悬浮泥沙运移及海底蚀淤变化规律研究 1 研究区概况 1 1 地理位置 研究区位于河北省沧州市区以东9 0 k m 的渤海之滨，漳卫新河与宣惠河交汇 的大1 3 河北侧。研究区所在黄骅港是我国西煤东运第二通道出海港，朔( 州) 黄( 骅) 铁路直通港口，与神木煤炭、朔黄铁路构成一个新型能源开发系统。黄 骅进港航道设计水深一1 1 5 m ，底宽1 4 0 m ，边坡1 ：5 。航道总长3 4 k i n ( 其中外 航道3 1 k m ) 。( 图1 1 a 、图1 - l b ) 。 1 2 水文条件 1 2 1 潮汐 由渤海海峡进入的潮波，其中有一部分传向渤海湾，引起岐口一大口河海区 的潮振动。 ( 1 ) 潮汐性质 由于本区无正规海洋站，根据塘沽站资料，并按a = ( h k i + h o t ) h m 2 的比 值作为依据，确定潮汐性质。 当0 5 a 2 0 为不正规半日潮，a 6 级大风各向出现频率统计表续表 大风风况 与航道 6 级7 级e级9 级轴线的 风向 次数 频率 次数 频率 次数 频率 次数 频率 夹角 ( )( )( )( ) ( 4 ) s s wl0 410 5l1 8o03 7 0 s w1 66 31 36 9 2 3 6oo1 4 5 w s w62 421 1l1 8o08 0 w 10 4 0 0 0 0 o 0oo3 0 5 w n w 3 1 22i 10o ooo5 3 0 n w72 863 2l1 80o7 5 5 n n w83 273 723 60o8 2 0 合计2 5 21 0 01 8 81 0 0 05 51 0 0 0l o o1 0 0 黄骅港周边海域悬浮泥沙运移及海底蚀淤变化规律研究 3 研究方法 本文主要用e c o m s e d 数值模型模拟研究正常天气和大风浪天气下黄骅港 周边地区悬浮泥沙运移和分布特征及海底蚀淤变化，并对模型结果进行了验证。 e c o m ( e s t u a r i n ec o a s t a la n do c e a nm o d e l ) 是在著名的海洋水动力模型 p o m ( p r i n c e t o no c e a nm o d e l ) 的基础上发展而来，适应用于河流、堤坝、河 口海岸或湖泊等浅水环境的个三维水动力模型。上世纪9 0 年代，有关粘性泥 沙输运、再悬浮及沉积固结的模块( l i c k ，e ta 1 ，1 9 8 4 ) 被引入到模型中来发 展为e c o m s e d 模型。到了近代，e c o m s e d 己经发展到包括非粘性泥沙输运、 质点追踪模型、波浪模型等的一个完善的数值模拟模式。它己被成功地用于了海 洋、海岸和河口水域的数值模拟研究中，证明了其可以较好的模拟真实世界的物 理过程。 完整的e c o m s e d 模型共包括水动力模块、泥沙输运模块、风驱波浪模块、 熟通量模块和粒子示踪模块。本文运用了水动力模块、风驱波浪模块、粒子示踪 模块和泥沙输移模块。文章所用水动力条件由e c o m 模块得到。数值模拟步骤 见图3 1 。 图3 1数值模拟步骤图 黄骅港周边海域悬浮泥沙运移及海底蚀淤变化规律研究 3 1 潮流数值模型介绍 3 1 1 基本方程 本研究采用了可专门模拟不同水体流体动力以及物质输运过程的 e c o m s e d 模式作为黄骅港周边地区冲淤研究的数值模拟物理原型，它包括水 动力模型e c o m 6 3 缶5 】以及物质输运模块s e d 两个部分。其中水动力e c o m 模 型是从p o m 模型中移植过来，本项研究中，有关动力场的条件由e c o m1 6 6 1 模 式模拟产生的。 潮流场模拟的连续方程和动量方程： 鲁+ “罢+ v 考一声，g 差+ 罢t 彳。罢，+ 嘉c 如拿卜鲁c3dy 小， i + “j + v j 一= 一g j + j 一j ) + j ( 如_ ) 一音 - l - l a壤讲硪馥优讲n 善+ “罢+ v + = 一g 差+ 丢c 4 。罢，+ 刍c a n 舅，一鲁 c ，- 一z ， 石棚瓦+ v 石+ 以2 一g 茜+ 夏爿“夏) + 万瓦) 一百 3 卜” 堕+ 堡咝+ 堕堕：0 ( 3 1 - 3 ) 露夙 。 式中：t 为时间o x 、y 是c a r t e s a i n 坐标，在这里分别取向东和向北为正。 为水位： d 为未扰动水深； h 为总水深，h = d + ； u 、v 为海流速度沿x 、y 方向分量的从海底到海面的平均值； f 为c o r i o l i s 参数； p w 是海水密度，取1 ，0 2 5 9 c m 3 ； g 为重力加速度，取为9 8 1 m s 2 ； a - 水平扩散系数； 1b x 、1b 。为底摩擦应力沿x 、y 方向分量。 i 62p 。g 卿 ( 3 1 4 ) 其中：c 。是摩擦系数。 3 1 2 边界条件 黄骅港周边海域悬浮泥沙运移及海底蚀淤变化规律研究 由于潮流属于非恒定流，所以方程的求解需要初始条件和边界条件。 ( 1 ) 初始条件 在计算的初始时刻给出初始场( 变量的空间分布值) 。初始场的选取较为宽 松，因为初始条件的误差可以在正确的边界条件控制下很快消失。本文采用的初 始条件如下： 初始条件：t = 0 酐t ，u = u 0 ，1 ，= v 0 ，f 2 “ ( 2 ) 边界条件 在边界上给出每个计算时刻的控制变量值( 变量的时间序列值) 。边界条件 的选取较为严格，因为边界条件直接影响到计算结果的正确与否及计算精度。处 理不当可能出现完全背离实际的结果。 开边界：一般由实测水文资料给出，而实际计算时如边界无实测资料时可以 考虑采用模型嵌套网格给出，或者根据附近水文资料考虑潮波变形采取权重平均 法等方法插值得到，对于后者选取变化幅度较小容易确定的变量。 本文的开边界条件如下： c = 0 闭边界：一般采用不考虑渗透作用的流体不可穿越固壁原理，特殊情况下用 流速边壁条件，但需注意的是由于基本方程为紊流模型推导中忽略了粘性应力 项，因此对于边壁处粘性应力占优的粘滞边界层不再适用。 本文采用的是闭边界上不考虑渗透作用的流体不可穿越固壁原理即： v _ i | = 0 ( 沿岸移动，z 为边界法线方向) 3 2 泥沙输运模型介绍 s e d 模型是h y d r o q u a l 最新的三维泥沙输运模块。它己被证明可以比较理 想地模拟各种水系统( 如湖泊，河流，河口，海湾和海岸带) 的粘性和非粘性泥 沙。模式中综合考虑了泥沙的沉降、沉积固化、再悬浮、溶解絮凝作用、推移质 输运，这样就可以比较精确的再现物理现实。下面将对其泥沙运算技术进行简单 介绍。 沉积物输运三维对流扩散方程为： 黄骅港周边海域悬浮泥沙运移及海底蚀淤变化规律研究 坠+ “旦堕+ 。盟+ o f w - w , k ) c t c 3 t o x 却 o z = 去( 厶警 + 专等) + 芝( 如警) 边界条件： k h _ 0 c k ：o z 一叩 k 。莘：晟一皿，：一一h ( 3 2 一1 ) 式中：x , y 和z 为向东、向北和向上的笛卡尔坐标轴； c k 为k 类沉积物悬浮浓度，其中k = l 、2 ，分别代表粘性和非粘性沉 积物： u , v , w 分别代表x 、y 、z 方向的速度； a h 为水平扩散系数； k h 为垂向涡动黏滞系数； e k ，d k 为k 类沉积物再悬浮和沉积通量； n 为海表面波动： h = 水深： w s 为泥沙沉降速度。 3 3 泥沙计算参数介绍 在河口海岸地区，悬浮泥沙根据粒径大小可以分为颗粒较小的粘性泥沙和颗 粒较大的非粘性泥沙。而如何准确区分粘性和非粘性泥沙目前还没有很规范的定 论。本文所提到的粘性泥沙和非粘性泥沙是指，粒径小于0 0 7 5 r a m 的细颗粒泥 沙为粘性泥沙粒径，介于o ，0 7 5 5 m m 的粗颗粒的泥沙是非粘性泥沙，非粘性 泥沙颗粒在沉积时一般不考虑与其它泥沙颗粒之间的作用力在沉积时相对比