（水利工程专业论文）天津港防波堤延伸对港内水流及潮汐特征值影响的研究.pdf

摘要 本文主要介绍了运用二维潮流数学模型计算，分析天津港防波堤延伸和北 港区建设对港区水流和潮汐特征值的影响，找出了港区潮流变化规律，分析预 测了新条件下港区泥沙淤积趋势，并对今后天津港航道疏浚、工程设计、施工 等相关方面提出了改进意见。 天津港防波堤延伸工程已于2 0 0 8 年建设完成，北港区( 反f 港池) 目前正 在建设中，这两项重大工程的实施，使得天津港港区水域面积大幅增加，港区 边界发生变化，这将对天津港港区的水流状态和潮汐特征值产生一定影响。港 池流态的变化会导致港内泥沙淤积分布改变，对港口安全航行和航道疏浚维护 具有最直接的影响。为深入了解防波堤延伸工程前后港区水域的水动力环境的 变化情况，通过潮流数学模型和数据分析等手段，对新条件下港区的水流流态 变化及潮汐特征值进行研究，得到防波堤延伸工程实施后的天津港港区流态及 潮汐特征值的变化规律，对保证港口船舶航行安全，和今后天津港航道疏浚、 工程设计、施工提供科学依据，以及对港口未来的建设和发展具有重大的现实 意义。 本次研究建立了渤海整体数学模型，根据天津港历史潮汐数据，结合潮流 数学模型试验结果，利用必要的理论知识和经验公式进行分析，得到工程实施 后港区流场变化特点，包括西航道与北支航道交汇处流态可能发生的变化，分 析由此引起的泥沙淤积变化趋势，得到港池清水线位置的变化、最后找到港区 潮汐特征值变化规律。 关键词：防波堤延伸，水流，潮汐特征值，二维数学模型，泥沙淤积 a b s t r a c t t h i s p a p e rw a sm a mm t r o d u c e t h a tm a k eu s eo ft w o d i m e n s i o h a lt i d e m a t h e m a t i c a lm o d e lc a l c u l a t i o n , a n a l y z et h ei n f l u e n c eo f t h ef l o wa n dt i d ee i g e n v a l u e i nh a r b o rb yt h ep r o j e c to fb r e a k w a t e r se x t e n s i o na n dt h ec o n s t r u c t i o no ft h en o r t h h a r b o ra r e ai nt i a n j i np o r t ，f o u n do u tt h el a wo ft i d ev a r i a t i o ni nh a r b o ra r e ，a n a l y z e a n df o r e c a s tt h et r e n do fh a r b o ra r e as i l ts e d i m e n t a t i o nu n d e rt h en e wc o n d i t i o n , a n d b r i n gu pt h ei m p r o v e m e n to p i n i o no ft h em a i nc h a n n e ld r e d g i n g ，e n g i n e e r i n gd e s i g n a n dc o n s t r u c t i o ne t c i nf u t u r e t h ep r o j e c to fb r e a k w a t e r se x t e n s i o ni nt i a n j i np o r ta k e a d yh a db e e nb u i l ti n 2 0 0 8 ，t h en o r t hh a r b o ra r e a ( a n t i - fh a r b o rb a s i n ) i su n d e rc o n s t r u c t i o nc u r r e n t l y b e c a u s eo ft h ei m p l e m e n t a t i o no ft h et w oi m p o r t a n te n g i n e e r i n g ，t h ew a t e ra r e ao f h a r b o ri s g r e a ti n c r e a s e ，h a r b o ra r e ab o u n d a r yh a sb a s i c a l l yc h a n g e d ，t h e r ew i l lb e c e r t a i nai n f l u e n c eo ff l o wp a r e r na n dt i d ee i g e n v a l u eo fh a r b o ra r e ai nt i a n j i n p o r t t h ec h a n g eo ff l o wp a t t e r no fh a r b o rb a s i nw i l lc a u s et h ec h a n g eo fs i l t s e d i m e n t a t i o nd i s t r i b u t i o ni nh a r b o r , i tw i l lb et h em o s td i r e c ti m p a c to nt h es a f e n a v i g a t i o no ft h ep o r ta n dc h a n n e lm a i n t e n a n c ed r e d g i n g t ob e t t e ru n d e r s t a n d c h a n g e si nt h ee n v i r o n m e n to f t h eh y d r o d y n a m i cf o r c eb e f o r ea n da f t e ra c t u a l i z et h e p r o j e c to fb r e a k w a t e r se x t e n s i o n t h r o u g h f l o wm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dd a t a a n a l y s i se t c ，r e s e a r c ht h ec h a n g ef l o wp a t t e r na n dt i d ee i g e n v a l u ei nh a r b o ru n d e rt h e n e wc o n d k i o n s ，g e tt h el a wf o rc h a n g eo ff l o wp a t t e r na n dt i d ee i g e n v a l u ei nt i a n j i n p o r ta f t e rt h ep r o j e c to fb r e a k w a t e r se x t e n s i o n si m p l e m e n t a t i o n f o re n s u r es a f e n a v i g a t i o no fs h i p si np o r t ，a n dp r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ec h a n n e ld r e d g i n g ， e n g i n e e r i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n , a sw e l la sh a v eg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo f t h ep o r t sc o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n ti nf u t u r e t h i ss t u d yb u i l dam a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ew h o l eb o h a is e a b a s eo nt h e h i s t o r i c a lt i d ed a t ao ft i a n j i np o r t ，w i t ht h et e s tr e s u l t so ft i d em a t h e m a t i c a lm o d e l u s eo ft h en e c e s s a r yt h e o r e t i c a lk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c ef o r m u l at oa n a l y s i s ，g e t t h ec h a n g e si nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l o wf i e l da r et h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e p r o j e c t ，i n c l u d i n gt h ec h a n g e sm a yo c c u ro f t h ef l o wp a t t e r ni nt h ej u n c t i o no fw e s t c h a n n e la n dt h en o r t hb r a n c hc h a n n e l , a n a l y s i ss i l ts e d i m e n t a t i o nc a u s e db yc h a n g e s i nt h et r e n d ，g e tt h ec h a n g e si nt h el o c a t i o no fw a t e rl i n eo fh a r b o rb a s i n f i n a l l y , f i n d o u tt h el a wf o rc h a n g eo ft h et i d ee i g e n v a l u ei nh a r b o ra r e k e y w o r d s ：b r e a k w a t e r se x t e n s i o n , t w o - d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e l , w a t e r c u r r e n t ，t i d ee i g e n v a l u e ，s i l ts e d i m e n t a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：囱寓擎 签字日期： 如9 年擘月。罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：6 7 年j 月2 7 f t z 日 0 咎 名 钥 魏 醐 折 笋 聊 捍 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍论文的研究背景和相关工程背景。 天津港南北防波堤延伸工程已于2 0 0 8 年建设完成，为深入了解防波堤延伸 工程前后港区水域的水动力环境的变化情况，通过潮流数学模型和数据分析等 手段，对新条件下港区的水流流态变化及潮汐特征值进行研究，得到防波堤延 伸工程实施后的天津港港区流态及潮汐特征值的变化规律，为天津港航道及港 池疏浚、建设工程设计、施工提供科学依据。 本次研究建立了渤海整体数学模型，在对模型进行充分验证基础上，选择 大潮、中潮两个潮型分4 个方案工况进行了流态和潮位特征值计算，通过计算 分析，找出了新条件下港区潮流变化规律、分析预测了新条件下港区泥沙淤积 趋势、找到了港内潮汐特征值变化规律，对今后天津港航道及港池疏浚、工程 设计、施工等相关方面提出了改进意见。 1 1 天津港概况 天津港( 图1 - 1 ) 是我国北方最大的综合性外贸港、国家主枢纽港，位于 我国环渤海地区港群的中心位置，地处华北平原东北部，距北京1 7 0 k m 。环渤海 地区是我国东部沿海三大经济开发重点地区之一，经济影响力广大，投资活跃。 天津港是我国北方地区重要的物流中心，最大的人工港，也是亚欧大陆桥的东 桥头堡之一。它在促进我国的内外贸易，以及京、津及三北地区的经济发展， 起着重要作用。目前天津港与世界上1 6 0 个国家和地区3 0 0 多个港口有货运业 务往来。 天津港现有水陆域面积近2 0 0 平方公里，其中陆域面积5 7 平方公里，规划 到2 0 1 0 年港口陆域总面积达1 0 0 平方公里。天津市正在规划建设1 2 0 平方公里 的临港产业区，到2 0 1 5 年，天津港的陆域总面积达2 2 0 平方公里。目前，天津 港航道水深- 1 9 5 米，2 5 万吨级船舶可自由进出港，3 0 万吨级船舶可乘潮进出 港，实现所有进出渤海湾的船舶天津港都能接待。天津港主要分为北疆、南疆、 东疆、海河四大港区，共拥有各类泊位1 4 0 余个，其中天津港集团公司所属公 用泊位8 4 个，岸线长度1 9 6 公里。北疆港区以集装箱和件杂货作业为主；南 疆港区以干散货和液体散货作业为主；海河港区以5 0 0 0 吨级以下小型船舶作业 为主；东疆港区将吹填造陆形成面积3 0 平方公里的半岛式新港区，其中1 0 平 第一章绪论 方公里将辟建中国规模最大、开放度最高的 5 | 税港区。 天津港( 集团) 有限公司是天津港的主体，目前拥有总资产4 3 0 亿元，员 工2 万人，下属二级企业和单位共计6 5 家。在2 0 0 7 年全国5 0 0 强企业评选中 位居第4 0 3 位，港口企业第二位， 天津港白建港以来不断发展，改革开放后发腱步伐明显加快，尤其是天津 滨海新区发展纳入国家总体发展战略后，天津港更是迎来了前所未有的发展机 遇。2 0 0 8 年天津港货物吞吐量完成34 亿吨，l 司比增长1 2 ，集装箱吞吐量完 成8 5 0 万标准箱：，同比增长2 l4 ，完成基本建设投资1 0 0 亿元，主营业务收 入1 i 5 亿元，实现增加值ej 勇_ -。 委旷 4 5 亿兀。天津港在广辟国 r 量；蕾i 际航线同时，在国内陆地；、 区大力发展“无水港”， 相继在宁夏、北京等地建 成6 个”无水港，无水港 ”总数达到1 0 个，成为腹 地用户开展对外贸易的首 选港；成功开通满洲里国 际集装箱班列，成为国内 唯一拥有三条亚欧大陆桥 通道和亚欧大陆桥运输线 路的港口：新增集装箱航 线2 3 条逐步向发展成为 国际化一流大港的目标不 断迈进。图卜1 天津港遥感图( 2 0 0 5 年4 月 2 天津港南北防波堤延伸工程简介 天津港南北防波堤最主要的作用是防淤、防浪。在建设南北防波堤之前， 天津港是一个重淤型的人工港，通过建造防波堤可有效阻止外水域近底部含沙 水体进入港区，进而减轻港口泥沙回淤。随着防渡堤的建威，目前天律港已属 轻淤型港口泥沙回淤已经不再是制约港口发展的重要因素。 为适应滨海新区开发开放的需求，天津港对港口的发展、布局做出了新的 第一章绪论 调整，根据水利部2 0 0 6 年7 月的关于海河口综合整治规划治导线调整报告的 批复文件，确定了新的海河口综合整治规划治导线的位置。为配合天津1 0 0 万吨乙烯工程拟建的3 0 万吨级原油码头项目建设，满足港口进一步发展的需要， 减小波浪、泥沙回淤对港口的不利影响，决定将天津港南北防波堤向外进行延 伸，使天津港口门位置调整到航道里程1 6 + 0 0 0 处。 1 2 1 天津港南防波堤工程概况 本工程位于天津港原有口门以外水域。根据天津港总体发展的要求，工程 以南疆港区南疆南围埝西部为起点，呈折线形布置，向东延伸至航道里程1 6 + 0 0 0 处，新建防波堤总长1 2 2 7 9 m 。规划口门有效宽度为9 0 0 m 。 南防波堤设计结合了天津港以往工程中进行的对比设计计算结果和工程的 经验，确定了在不同水深位置处结构的基本型式：在浅水段采用大型充砂袋结 构方案，深水段采用半圆型结构方案；对口门段的南防波堤，设计采用钢筋混 凝土箱筒型基础结构方案。建设工期3 0 个月，项目总投资1 4 1 1 8 3 万元。 1 2 2 天津港北防波堤延伸工程概况 本工程位于天津港现有口门以外水域。根据天津港总体布局规划，北防波 堤延伸至航道里程1 6 + 0 0 0 处。以现有北大防波堤为起点，轴线与天津港主航道 平行，向东延伸4 3 8 0 m 后向南偏东方向延伸1 4 7 0 m 至航道里程1 6 + 0 0 0 处，总长 度为5 8 8 0 m 。 设计对北防波堤延伸进行了半圆型结构方案、钢筋混凝土箱筒型基础结构 方案、钢箱筒型基础结构方案、半圆型构件填砂结构方案和插入式钢筋混凝土 圆筒结构方案的对比设计计算。最终确定北防波堤延伸工程口门段采用钢筋混 凝土箱筒型基础结构方案，堤身段采用半圆型结构方案。建设工期3 6 个月，项 目总投资7 9 2 3 9 6 3 万元。 1 3 研究意义 天津港北港区( 反f 港池) 目前正在建设中；天津港南北防波堤延伸工程 也已于2 0 0 8 年建设完成，新建的3 0 万吨级原油码头位于南防波堤延伸内侧， 规划的第二个3 0 万吨级原油码头也正在筹建中。北港区开通和防波堤延伸这两 第一章绪论 项重大工程的实施，使得天津港港区水域面积大幅增加，港区边界发生变化， 这将对天津港港区的水流状态和潮汐特征值产生一定影响。港池流态的变化会 导致港内泥沙淤积分布改变，对港口安全航行和航道疏浚维护具有最直接的影 响。港内潮汐特征值是具有重要作用的数据，是港口水工建筑物设计、施工和 船舶航行等的参考数据。研究工程建成后天津港区流场及潮汐特征值的变化规 律可以为今后港口船舶航行、航道疏浚维护、港口设计、水上施工作业等与港 口密切相关的工作提供准确的依据，进一步提高航运安全性，减少维护疏浚工 作量，节约企业成本。因此本研究对港口的建设和发展具有重大的现实意义。 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 主要内容 本研究主要内容是用二维潮流数学模型计算和资料分析手段，得出北港区 开通和防波堤延伸工程实施后： 1 、港区流场变化特点，包括西航道( 通往老港区) 与北支航道( 通往北港 区) 交汇处流态可能发生的变化，分析由此引起的泥沙淤积变化趋势。 北港区建成并投入使用，会显著增加港区纳潮量，同时改变北支航道的水 流阻力，西航道与北支航道交汇处流态现状会发生改变，流态的变化将直接影 响该区域的泥沙淤积变化，对新条件下天津港泥沙淤积尤其是主航道与北支航 道交汇处泥沙淤积趋势做出科学判断是本次研究的主要内容，同时也是港口建 设的需要，对港口安全生产也具有十分重要的意义。 2 、港池清水线位置的变化。 现状条件下天津港港池水域具有一条明显的清浑水交界线被称为清水线， 在清水线以里的港区，水体泥沙含量低，泥沙淤积强度小，对日常水深维护十 分有利。北港区开通和防波堤延伸工程的实施将大幅改变整体港域面积，尤其 是防波堤延伸工程后，口门来源水体的含沙量变小，清水线位置范围也必将发 生变化。本研究通过数学模型手段研究清水线位置的变化，确定其位置范围， 对以后港区水深维护方案的制定具有指导作用。 3 、港区潮汐特征值变化规律。 天津港建港以来，建设一直在不断地进行。港区工程的建设，会在一定程 度上引起近岸潮波变形，使该区域潮汐特征值发生变化。北港区开通和防波堤 延伸工程实施后，会在多大程度上影响天津港区潮汐特征值，是值得关注的问 4 第一章绪论 题。本研究将通过模型计算手段，研究工程后港内潮汐特征值变化规律。 4 、对实测潮位资料分析得到潮汐特征值。 结合模型试验成果，通过至少年期的港区潮位站实测资料，统计计算得 出新条件下天津港区的潮汐特征值。 1 4 2 技术路线 1 、采用北港区开通和防波堤延伸工程实施前港区及附近区域最新的与验证 资料相匹配的实测地形和水文测量资料建立数学模型并对模型进行验证。 模型的正确验证是进行方案计算的基础，对模型高精度的成功验证，是方 案精度的保障。首先，模型采用的地形是方案前较新地形数据，包括对天津港 周边滩地变化的反映，例如南疆临港工业区围海造陆工程引起的岸线变化等， 尤其是对天津港港池及航道水深的测量数据十分精细，模型正确地表达了天津 港及附近地形状况。其次对模型边界及边界条件的选定也十分重要。为保证工 程域计算结果的正确性，采用模型嵌套技术建立模型。模型边界设在大连至烟 台一线，将整个渤海湾作为模型计算域，而在工程区域实施网格加密技术，保 证工程域的计算精度。 对模型的验证分两部分，首先要对整体大模型域( 渤海) 进行验证，目的 是从整体上保证建立模型的正确性，这主要是通过对渤海沿岸的有逐时潮位资 料的主要港口潮位站进行长时段( 1 5 天) 潮位验证，通过对整体模型长时段潮 位验证，确定模型大范围糙率取值和模型边界的取值；确定边界潮位条件后， 选取其中在工程区有实测流速资料的时段进行流速验证，通过对工程域局部糙 率的进一步细化取值，确定研究区域局部糙率，必要时微调边界潮位( 注意对 渤海潮位验证结果的影响) ，于是模型计算基本条件具备。另外为了得到一年内 极大潮对研究内容的影响，还需要对极大潮时段进行相关潮位的验证。 2 、在对模型进行成功验证的基础上，以规划建设的防波堤延伸方案、北港 池设计方案与典型潮型( 大潮、中潮) 分若干工况进行港内潮流场方案计算， 得到港区流场，分析流场变化和港区清水线位置变化，找出可能产生严重淤积 或轻微淤积的区域。 3 、根据天津港历史潮汐数据，结合潮流数学模型试验结果，利用必要的理 论知识和经验公式进行分析，得到北港区开通和防波堤延伸工程实施后港区潮 汐特征值的变化，定性地给出其变化规律。 4 、根据规范要求，利用至少一年实测资料得到新条件下港内潮汐特征值， 为将来港内工程设计及施工使用。 第二章天津港海域自然条件和水文特征 第二章天津港海域自然条件和水文特征 本章介绍天津港地理条件、自然条件以及海域水文特征 2 1 天津港地理条件及区位特点 天津港位于渤海湾西部海域，海河河口入海处地理坐标：北纬3 8 。5 9 4 8 ”：东经1 1 7 。4 2 3 0 ”，是在淤泥质海岸中建立起来的人工港，目前港区基 本位于一2 米等深线内，南邻黄骅港，北接曹妃甸( 见图2 - 1 ) 。天津港处于京津 城市带和环渤海经济圈的交汇点上，是环渤海港e l 中与华北、西北等内陆地区 距离最短的港口，是首都北京和天津市的海上门户，也是亚欧大陆桥的东端起 点。 图2 - 1天津港地理位置示意图 第二章天津港海域自然条件和水文特征 2 2 天津港地貌特征 目前天津港海域岸坡平缓、水深不大，以潮流动力和风浪动力为主，其底 质泥沙颗粒很细，属于典型的淤泥质海岸。天津港是建立在淤泥质浅滩上的人 工港，泥沙淤积问题曾经是其发展的制约因素，而近年来随着港口及周边海岸 工程的建设，该海域的水文及泥沙环境发生了一定的变化。港区附近的围滩造 陆工程有效地掩护了浅滩泥沙运动，进一步减少了海域水体中的含沙量，对于 减少港口航道的淤积和改善海域的水质环境有益。 天津港海区滩面泥沙属于粘土质粉沙，颗粒很细，平均中值粒径约为 0 0 0 7 m m 。其中沙约占8 6 ；粉沙质约占5 1 o ；粘土约占4 0 4 ；其粘结性较 强，海区底质泥沙从岸向海是呈由粗到细的分布规律。 2 3 自然条件h 1 1 、气温 年平均气温1 2 3 。c 年平均最高气温1 6 2 年平均最低气温9 1 极端最高气温3 9 9 。c ( 1 9 5 5 年7 月2 4 曰) 极端最低气温- 1 8 3 。c ( 1 9 5 3 年1 月1 7 日) 2 、降水 年平均降水量5 8 6 o m m 年最大降水量1 0 8 3 5 m m ( 1 9 6 4 年) 年最小降水量2 7 8 4 m m ( 1 9 6 8 年) 一日最大降水量1 9 1 5 m m ( 1 9 7 5 年7 月3 0 日) 3 、风 本区常风向为e 向，出现频率为1 1 7 1 ；次常风向为s 向，频率为1 0 3 4 ； 强风向为e 向，该向i 6 级风的频率为1 9 6 ，全年各向 1 6 级风所出现的频率 为3 6 5 。 4 、雷暴 年平均雷暴日数为2 7 5 天，多发生在6 - 一7 月份。 5 、雾 能见度 i k m 的大雾多年平均为1 6 5 个雾日，雾多发生在秋冬季节，日出 7 第二章天津港海域自然条件和水文特征 后很快消散。根据资料统计，能见度 l k m 的大雾实际出现天数为5 0 天。 6 、相对湿度 平均相对湿度6 5 最大相对湿度1 0 0 最小相对湿度3 2 4 潮汐1 天津港海域的潮汐形态系数( h o i + h k l ) 蹦2 = o 5 3 ，属于不正规半日潮， 具有明显的日潮不等现象，落潮历时大于涨潮历时。据1 9 8 0 - - - - 1 9 9 4 年东突堤验 潮站资料统计，以新港理论最低潮面为基准面，潮汐特征值如下( 各基面关系 如图2 2 所示) ： 历年平均高潮位：3 6 7m 历年平均低潮位：1 3 2m 历年平均潮差：2 3 5m 历年平均涨潮历时：5 h 4 0 m j n 历年平均落潮历时：6 h 5 3 m i n 历年最大潮差4 3 7 m ( 1 9 8 0 年1 0 月) 历年平均潮差2 4 0 m 历年最高高潮位5 8 1 m ( 1 9 9 2 年9 月1 日) 历年最低低潮位- 1 0 3 m ( 1 9 6 8 年1 1 月1 0 日) 注：1 9 5 7 年1 2 月1 8 日出现最低低潮位一1 0 8 m 2 5 波浪 罟 l r 霎i n 当地平均海平面 大沽零点 新港理论最低潮面 图2 - 2 各基面关系 据1 9 8 3 - , 1 9 8 4 年灯塔站波浪观测资料统计，天津港海区波浪相对较弱。波 浪以风浪为主，频率为6 8 4 ，混合浪为辅，频率为3 1 6 ，纯涌浪频率很小， 8 第二章天津港海域自然条件和水文特征 仅为0 6 。年常浪向为s 向，频率为1 0 6 ，次常浪向为s s e 、s e 和n w 向， 频率分别为8 9 、8 4 和8 4 ；强浪向为n n w 向，次强浪向为n w 、e 及e n e 向。各级波高的分布率为，0 - 0 9 m 占8 4 0 ；1 0 1 4 m 占1 0 7 ；1 5 1 9 m 占5 o ；耋2 o m 的波浪出现频率为0 3 。 就本港区的地理位置而言，由于n w ，n n w 向是离岸向，对港区作用不大， 而e n e ，e 向的波浪为向岸浪，波浪能直接传递到港区，因此，本港区的不利浪 向为e n e ，e 向。 2 6 潮流 2 0 0 5 年4 月在天津港海域进行了一次水文全潮测验，根据实测资料统计计 算，各站位涨落潮的潮段平均流速、流向及最大流速流向如表2 - 1 ，各测站流速 矢量如图2 - 3 。 表2 - 12 0 0 5 年4 月份水文全潮潮段平均流速、流向及最大流速、流向 单位：v ( m s ) ，0 ( o ) 潮段平均流速、流向潮段最大流速、流向 测 位置项目涨潮段落潮段涨潮段落潮段 点 i i i 甲均i i i 平均 ii ii v 0 1 4o 0 80 1 1o 1 60 1 90 1 70 2 40 1 10 2 20 2 8 l 群 02 8 62 8 72 8 68 l8 38 22 8 32 7 38 48 2 vo 2 60 1 5o 2 00 1 50 2 20 1 80 3 70 3 3o 3 2o 3 3 航道南 蒯 3 0 0 0 m e2 9 63 0 32 9 99 81 0 81 0 32 9 62 9 51 0 61 0 l v0 3 00 1 50 2 20 1 70 2 20 1 90 4 60 2 40 2 30 3 3 7 o2 8 73 0 82 9 79 31 0 81 0 02 8 43 1 08 91 0 l vo 2 00 1 2o 1 60 0 50 1 00 0 70 3 20 2 00 0 80 1 6 2 舟 03 4 l3 2 73 3 41 3 71 6 01 4 83 3 93 4 11 3 71 6 8 v 0 2 7o 1 50 2 1 o 1 70 2 20 1 9o 。4 40 2 40 2 30 3 3 航道北 5 舟 2 7 0 0 m 03 0 13 0 23 0 19 9 1 2 3 1 1 1 3 0 93 0 31 0 51 2 6 v 0 3 l0 1 80 2 40 1 8o 2 50 2 10 4 9 o 2 8o 2 30 3 9 8 03 1 83 1 83 1 81 1 61 3 71 2 63 2 63 3 1 1 1 51 4 2 v0 2 6o 1 7o 2 1 0 1 2 o 1 3o 1 3 o 4 20 2 80 2 20 2 1 3 航道北 03 4 93 2 93 3 91 3 81 4 6 1 4 23 4 73 4 41 2 91 5 9 7 0 0 0 m v0 2 5o 1 5o 2 0 0 1 3 0 1 90 1 6 0 4 1o 2 5o 1 80 2 8 斜 e3 1 73 2 73 2 21 3 71 3 81 3 73 2 7 3 2 l1 5 41 3 7 9 删 一 瓣 一 。 目 第二章天津港海域自然条件和水文特征 根据以上最新资料并结合以往的研究成果，该海域潮流主要具有如下特征： ( 1 ) 各测点流速除1 # 点位受围垦等建筑物地形影响呈现落潮流速大于涨潮 流速外，其余测点的潮流运动均遵循涨潮流速大于落潮流速的规律( 如表2 - 1 ) ； ( 2 ) 该海域潮流基本呈现往复运动且流向较为稳定，涨潮流向为n w 向， 落潮流向为s e 向。在东疆港岛近岸附近受其边界地形影响，潮流呈现n n w - - - s s e 向往复运动； ( 3 ) 流速的垂线分布呈现中层最大，底层最小的特点； ( 4 ) 该海域流速相对较小，潮段平均流速小于0 3 m s ，属弱流海区。 2 7 底质1 天津港海区底质泥沙的取样分析，分别是在1 9 8 8 年7 - - - 8 月和1 9 9 6 年7 - - 8 月进行。分析结果表明天津港海区底质泥沙中值粒径小于0 0 0 6 6 m m ，平均中值 粒径为0 0 0 4 8 m m ，属淤泥质类型。 该海区底质的分布特点为：航道以南底质粒径大于航道以北，即南粗北细， - 5 m 等深线以内尤为明显；另一特点是自岸向海随水深增加粒径由粗变细，且分 选系数变小( 即分选程度较好) 。本海区内分选程度大都属中常区域，在一5 一1 0 m 范围内的局部区域分选程度属好。 两次取样结果比较，底质泥沙有所粗化，细粘土比例减少，中值粒径变粗。 这与外来泥沙来源不足、波浪长期冲刷作用有关。 2 8 含沙量7 ： 通过2 0 0 5 年4 月最新含沙量测量资料( 表2 - 2 ) ，并综合以往的研究成果分 析，天津港海域的含沙量分布具有以下特征： ( 1 ) 各测点含沙量呈现为涨潮略大于落潮的特点，最新实测平均含沙量相 对较小，涨落潮平均含沙量为0 0 7 - - - 0 0 9k g m 3 。 ( 2 ) 本港区海域的水体含沙量呈内大外小的分布规律，即近岸最高，向外 侧随着水深的不断增加而逐渐减小；航道纵向含沙量分布呈口门段含沙量最大， 向港区内或向外海均逐渐减少的特点； ( 3 ) 口门外海域含沙量的横向分布是，航道北大于航道南； ( 4 ) 本港区海域水体含沙量的高低随季节性的变化比较明显。冬春两季的 含沙量为全年最高，而夏秋两季的水体含沙量偏低，这是因为冬、春两季的大 第二章天津港海域自然条件和水文特征 波出现频率明显多于夏、秋两季。可见波浪掀沙潮流输沙是造成泥沙输移和港 口航道淤积的重要原因。 表2 - 22 0 0 5 年4 月份水文全潮潮段平均含沙量及最大含沙量 单位：k g m 3 潮段平均含沙量潮段最大含沙量 测 涨潮段落潮段涨潮段落潮段 位置 涨落潮 点亚 平 平均 ii iii iii iil i 均均 l 群0 0 90 0 70 0 8o 0 90 0 60 0 7o 0 80 1 10 1 0o 1 00 0 7 航道南 3 0 0 0 m 6 i 0 0 90 0 6o 0 8o 0 80 0 50 0 70 0 70 1 10 0 60 1 10 0 6 7 群0 1 00 0 70 0 9 0 0 90 0 5 0 0 70 0 8o 1 3o 1 00 1 0 0 0 6 2 群0 0 90 0 7o 0 8o 0 9o 0 60 0 70 0 80 1 20 0 80 1 1o 0 7 航道北 2 7 0 0 m 5 存0 0 90 0 80 0 8o 1 00 0 70 0 80 0 8 0 1 1 o 0 80 1 30 0 8 8 群o 1 20 0 80 1 0o 1 10 0 6o 0 90 0 90 1 8o 0 80 1 50 0 9 航道北 3 捍0 1 3o 0 80 1 0o 1 0o 0 70 0 80 0 90 1 8o 0 90 1 10 1 0 7 0 0 0 m 4 舟0 1 00 0 50 0 80 0 80 0 5o 0 70 0 70 1 3o 0 6o 1 0o 0 6 1 2 第三章平面二维潮流场数学模型 3 1 基本方程 第三章平面二维潮流场数学模型 采用守恒变量( i l ，h u ，h v ) 表示的二维浅水潮流方程的守恒形式为： 连续方程： 丝+ 型+ 型：o 乱舐却 ( 3 1 ) 运动方程： 百3 h u + 廿2 + 圭幽2 愕b k 埚。】坳吨蹋+ ( 3 2 ) 百3 h v + 去1 + 融2 + 丢助2 = 助b 峨1 们踊峨 ( 3 3 ) 其中，x 、y 一水平坐标轴5 h 一水深，h = 办d + 芎，芎为潮位值，而d 为地形水深值： j i l “、办，z 、y 轴向流速； t 一时间变量； g 一重力加速度； 勘、岛一底摩擦项，s f c = 一n 2 u 届矿u 2 r + v 2 ，= 一n 2 v 厅矿u r 2 + v 2 ，刀为糙率； 鼢，沪底坡项，瓯，一誓一。，一鲁： 五一柯氏力参数= 2 s i n , ，为地球自转角速度，巾为北纬角度) ； 坛、w v 一水面风速在x 、y 向分量； f厂o w w o 一为风力系数，根据经验公式兀：t f o o = 迎一矗) w i 其中w = u 2 + k 2 为风速大小，f o = o 0 0 0 6 3 ，五；0 0 0 2 6 ，w o = o m s ，坳2 3 0 m s ； 第乏章平面二维潮流场数学模型 & 、勋为水平涡粘项，s 。= 丢t 。+ 专t 秒，= 专百+ 丢t f ， 百。= 2 五v ，号羹，x = 2 h v t - 嘉- l - 7 , l l a r = 下y x = h v t i o t y y + 号 ，v ，= 。，。巧s c 2 。c 水温) 为运动粘滞系数，也可以用零方程模型求出。 3 2 定解条件旧1 ( 1 ) 边界条件及露滩处理 数学模型通常使用开边界( 水边界) 和闭边界( 岸边界) 两种边界条件。 于开边界，本模型采用潮位过程 乩= 号( x 、y 、t ) ( 3 - 4 ) 进行控制。对于闭边界则根据不可入原理，取法向流速为0 ，即 云元= 0( 3 5 ) 天津港周边海区沿岸海域滩地较多，潮滩淹没和露滩频繁，为了准确模拟 该海域潮流形态，模型闭边界采用了干湿判别的动边界处理技术。设定干滩临 界水深h 1 ( 模型中取h 1 - 0 0 0 5 m ) ，湿滩临界水深h e ( 模型中取h 2 - - - - 0 o l m ) ，当n 时刻控制体水深小于h 1 时，如果相邻控制体的水深小于h 1 ，则该控制体为干滩， 此时在界面上没有质量和动量的交换，如果相邻控制体的水深大于h l ，则该控 制体为半干滩，此时在界面上有质量交换、没有动量交换；当n 时刻控制体水 深大于h 1 同时小于h 2 时，如果相邻控制体的水深小于h 2 ，则该控制体为半干滩， 此时在界面上有质量交换、没有动量交换，如果相邻控制体的水深大于h 2 ，则 该控制体为湿滩，此时在界面上有质量、动量交换，按正常方法计算。 ( 2 ) 初始条件 计算开始时，整个计算区域内各点的水位、流速值就是计算的初始条件， 即 芎( 工，y ，t 。) = 芎。b ，y ) u ( x ，y ，t o ) = u 0 b ，y ) ( 3 6 ) v ( x ，y ，t o - - v 0b ，y ) 一般情况下初值都是通过估算给出的，与实际值并不一致，不过，经过一 定时间以后，即使初值有一定的误差，在计算过程中也将会随着时间的增加而 逐渐消失。 1 4 第三章平面二维潮流场数学模型 3 3 数值方法 利用流体力学有限体积法旧1 计算基本方程的数值解，其基本过程为： ( 1 ) 将控制方程分别在时间和空间上进行离散0 j ，其中，时间离散采用差 分法，空间离散采用有限体积法；为 达到时间二阶精度，对时间差分采用 预测校正法；空间离散采用非结构化 三角形网格离散，可以较好地拟合岛 屿、边界，同时采用局部加密方法， 使空间步长达到工程要求而花费极 少代价。 ( 2 ) 将求解的变量分配到有限 控制体积中心上，本模型采用c c 方 式布置求解变量，即求解变量分布在 控制体几何中心位置，如图3 1 所示。 i 为待求有限体积，其容积为，j 为其周边三个相邻有限体积之一，与 三个优先控制体交界的边为1 、2 、3 ， l i l 是与 控制体的界面长度。 图3 1 有限体积空问离散 ( 3 ) 求出n 时刻各控制体积的界面通量，通量的求解利用r o e 格式的近似 黎曼解计算。 对同一个界面两侧的两个有限体积，一个流出的界面通量在数量上恰好等 于流入另一个有限体积的量值，两者很好地达到平衡，从而使整个计算域在通 量上达到平衡，有效地保证了方程的守恒性。 界面通量求解是有限体积法的关键。对于每一个有限体积界面，由于控制 体形心的物理量值代表整个有限控制体的变量值，它与相邻控制体在数值上一 般并不相同，所以在每个界面上都存在一个间断的r i e m a n n 问题，即为： 万( - o ) ：j u 工三 0 ( 3 7 ) 【u r x 0 对于公式( 3 - 7 ) ，这里采用r o e 格式的近似黎曼解计算。首先利用旋转不变 性，将二维浅水方程求解化为局部坐标下一维问题( 即沿边界法向通量求解) ； 然后，将“一维化”的方程系数矩阵局部线性化，求出线性化矩阵的特征值和 特征向量，进一步沿特征方向分解界面两侧一维化后的守恒变量差值，从而得 第三章平面二维潮流场数学模型 到特征分解系数，最后求出界面的数值通量f n 。为了在空间上达n - - - 阶精度， 在界面通量求解前需要利用状态插值法( m u s c l ) 对界面上的守恒变量进行重 构，重构采用了v a nl e e 限制器函数。 ( 4 ) 处理源项，保证格式的和谐性。对底坡源项采用特征分解法，对摩擦 源项采用半隐格式离散。 ( 5 ) 用欧拉向前格式计算n + l 时刻的预测解，由预测解和n 时刻的解平均 得到n + l 2 时刻的解，最后用时间中心格式在n + l 2 进行求解，得到n + 1 时刻的 具有二阶时间精度的解。 该方法基本属于显式求解模式，求解过程中不用进行矩阵求解，因此具有 较快的求解速度，而界面通量的求解法有效地保证了方程的守恒型，通过空间 变量重构和时间差分的预测校正法，使得格式具有空间和时间二阶精度。 3 4 数学模型建立 3 4 1 计算范围 根据研究内容的要求，以渤海作为整个数学模型的范围，控制口门边界为 大连( 3 8 。5 2 7 n ，1 2 1 。4 1 7 e ) 至烟台( 3 7 。3 3 n ，1 2 1 。2 3 7 e ) 一线，模 型南北全长约4 2 5 5 k m ，东西宽约4 1 7 1 k m ，模型范围约8 5 7 1 0 4 k m 2 ，( 详见图 3 - 2 渤海平面二维潮流数学模型计算范围及验潮站分布图) 。虽然本模型计算范 围较大，但是通过控制区域内的非结构化网格的疏密控制整个计算域网格数量， 进而控制总体计算量。 整个渤海沿岸有较多重要港口，每个港口都积累有潮位观测资料，它们为 模型的验证提供了依据。渤海潮位验证点分布位置及天津港潮流验证点布设位 置示意图见图3 - 3 。 1 6 筇一章平而二维潮流场数学模型 图3 - 2 渤海、r 面二维潮流数学模犁计算范围及验潮站分布图 第三荜平面二维潮流场数学模型 342 模型地形及计算厨格 建立数学模型时渤海大范围地形依据近年出版海图：天津