海南昌化一级渔港工程口门方案研究(2)

人气指数:点发布时间:2014-03-05 16:34 来源：http://www.zgqkk.com 作者：陈斌

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　　2.5岸滩演变

　　昌化江河口湾北侧是一段向海突出的基岩岸段，对NE和NW向风浪及其引起从北向南运移的沿岸漂沙产生一定的拦截作用。同时，岬角岸段因波向线幅聚，波能较强，对水下岸坡产生侵蚀，5m和10m等深线紧靠岸线。在基岩岬角的遮蔽下以及昌化江径流输沙的影响下，对昌化渔港的岸滩地貌及水下地形演变起着主要控制作用。在昌化渔港及其上游水域，沉积物净搬运趋势较为显著，有向外海搬运的趋势；此外，昌化江支汊河口泥沙亦基本向外输运；而峻壁角岬角处的近岸海域，泥沙则呈现自NE向SW搬运的趋势，并在昌化渔港外海形成一落淤中心；10m等深线海域，泥沙部分向湾内输移。沉积物输运方向和水流方向的分布具有相关性，反映昌化江河口泥沙输运以洪水季节强劲的径流输沙为主，径流自分汊口入海后，因过水断面突然展宽而流速减低，水流挟沙能力下降而使沉积物沉降下来；潮流进入河口，能量损失，顶托下泄径流，也是泥沙淤积的主要因素；枯季在波浪作用控制下，砂坝逐渐封闭口门，砂坝变长变窄。

　　3.设计方案

　　根据当地风、浪、水流、泥沙、地质、地形等自然资料，考虑港区船舶进出方便、良好的掩护条件、适应远期船型发展以及减少港内泥沙淤积等因素，在口门提出了三个防波堤布置方案进行分析研究（见图2）：方案一北防波堤长472m，堤头处水深-4.3m（85高程，下同），南防波堤长1028m，堤头处水深-3.5m，口门朝向为西北向；方案二北防波堤长771m，堤头处水深-4.3m，南防波堤长419m，堤头处水深-1.3m，口门朝向为西南向；方案三北防波堤长775m，堤头处水深-2.5m，南防波堤长817m，堤头处水深-2.8m，口门朝向为西向。

　　渔港口门平面方案一渔港口门平面方案二渔港口门平面方案三

　　图2昌化渔港比选方案

　　4.研究方法

　　对于工程后的泥沙输运和岸滩演变，在此采用DELFT3D二维泥沙模型进行计算，DELFT3D是一套耦合波浪、流、泥沙输运与地形变化的模型系统，由荷兰著名的delfthydraulics开发，是国际上进行海岸动力地貌与工程研究的较为成熟的软件系统，也是目前最先进的模型之一，软件综合考虑了风能的输入、波浪的折射、绕射、破碎、底摩擦耗能、白浪、波-波相互作用等过程。

　　DELFT3D中可以采用平面二维的，也可以采用三维的模型。其垂向坐标有Z坐标与SIGMA坐标可供选择。在本次研究中，采用平面二维的流场模型，其底摩擦系数采用谢才系数加以确定。对于波浪作用下的泥沙输运，其计算分为两部分，一部分为悬浮泥沙，一部分为推移质输沙。整个泥沙输运模型采用的为VANRIJN的SEDTRAN模块。对于地形的冲淤变化，DELFT3D采用经过改进后的地形变化方程，在原有的欧拉方程的基础上加进一扩散项，以保证计算的稳定性。

　　由于昌化港附近海域临近北部湾，潮流作用较强，在此考虑了波浪与潮流联合作用下的水动力、泥沙输运与海岸的演变过程，并根据实测资料，选取出现频率最大的四个浪向，即NE、N、SW与NW向，分别计算工程前以及工程后三个不同方案后在平均浪与风暴浪的情况下的向岸传播过程，以及这些波浪在向岸传播过程中波高分布、产生的波生流和相对应的泥沙输运与地形冲淤变化。本次计算中除考虑波生流外，还耦合了潮汐与潮流的影响，通过一个覆盖琼州海峡的大模型，并将大模型的计算结果插值到工程区小模型的外边界，采用调和常数或实时的水位对小模型的边界加以控制。

　　参数选取，泥沙粒径参照本海区的表层沉积物调查结果，选取中细砂为代表，中值粒径为0.25mm。底摩擦系数中的谢才系数选取模型的缺省值，为65。

　　4.1模型验证

　　潮位验证见图3，潮流验证见图4。由潮位和潮流的验证效果来看，本模型基本能体现本区域的潮流动力，可以用于计算泥沙输运和岸滩演变。

　　图3潮位验证

　　图4潮流验证

　　4.2计算结果

　　通过模拟平均浪和风暴浪情况下的波高分布和泥沙输运发现，风暴浪和平均浪的分布规律基本相同（见图5）。现在SW向风暴浪为例来说明工程方案后的波高分布。由图5可知，SW向风暴浪向岸传播时，波高基本平行于等深线分布。方案一和方案三口门处的波高为0.6m左右，方案二口门处的波高0.4m左右，南防波堤堤头处的波高达到0.7m。风暴浪在南防波堤以南海域衰减较快，此处大部分区域的波高在0.5m以下，而在北防波堤以北的湾内衰减较慢，大部分区域的波高在0.6m以上。

　　通过泥沙输运和岸滩演变数学模型将工程前后的各向波浪（NE、N、SW与NW向）作用下地形的冲淤变化剩以浪向频率进行加权平均叠加，得到地形冲淤的计算结果如图6所示。

　　图5SW向风暴浪波高分布图

　　方案一工程后各向波浪作用下累计的地形冲淤变化（m/a）

　　方案二后各向波浪作用下累计的地形冲淤变化（m/a）

　　方案三工程后各向波浪作用下累计的地形冲淤变化（m/a）

　　图6三个方案地形冲淤图

　　5.研究结果

　　（1）方案一工程后口门处和口门外的航道淤积强度在0.3m/a左右，而方案二和方案三口门处和口门外的航道淤积强度达到1.2m/a。方案一防波堤堤头处的冲刷强度在0.3m/a左右，方案二和方案三防波堤堤头处的冲刷强度在1.1m/a左右。各方案北防波堤以北的近岸海域冲淤幅度相差不大，强度在0.3m/a左右，而南防波堤以南的近岸海域淤积强度达到1.0m/a左右。各方案港池的淤积强度都小于0.2m/a。由此可知，各方案冲淤对比明显的区域在于口门和口门外的航道处。

　　（2）根据数值模拟结果方案一、方案二和方案三的港池淤积强度分别为0.08m/a、0.07m/a和0.09m/a。口门以内的航道方案一存在0.14m/a的淤积，而方案二和方案三则分别存在0.31m/a和0.25m/a的冲刷。口门处的冲淤幅度方案一、方案二和方案三分别为0.16m/a、0.59m/a、0.87m/a。口门外的航道处淤积强度方案一、方案二和方案三分别为0.23m/a、1.12m/a、1.24m/a。

　　（3）从地形冲淤变化的分析结果对比来看，方案一要优于方案二和方案三。

　　6.讨论

　　本文通过应用Delft3D波浪耦合数学模型，研究了昌化渔港区的泥沙运动特征，并对三个口门和防波堤设计方案进行了比选研究；结果表明，昌化渔港的泥沙输运主要受西南向浪的作用，方案一对西南向浪具有较好的屏蔽作用，其口门和航道的泥沙淤积强度最小。

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