坎門(mén)漁港三期工程潮流數(shù)模匯報(bào)

坎門(mén)漁港三期（南排山—外黃門(mén)山）防波堤工程

潮流數(shù)學(xué)模型及泥沙回淤分析河海大學(xué)2012.08.16

2一、前言二、自然條件三、坎門(mén)漁港潮流數(shù)學(xué)模型

四、防波堤工程潮流數(shù)值模擬五、港內(nèi)泥沙沖淤分析六、結(jié)論與建議主要內(nèi)容一、前言1.1研究目的

玉環(huán)縣擬在坎門(mén)灣口的南排山與黃門(mén)山之間進(jìn)行三期防波堤工程建設(shè)，將坎門(mén)漁港建成深水港。為了從潮流變化和港內(nèi)回淤方面探討防波堤的合理布置，開(kāi)展本項(xiàng)研究，成果作為坎門(mén)漁港三期（南排山—外黃門(mén)山）防波堤工程可行性研究的依據(jù)。

一、前言1.2

工作依據(jù)

“浙江省玉環(huán)縣坎門(mén)漁港三期（南排山—外黃門(mén)山）防波堤工程潮流數(shù)學(xué)模型及泥沙分析”合同書(shū)，2010年6月。中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）。中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》（JTS/T231-2-2010）。一、前言溫州灣及附近（圖號(hào)13710，比例尺1:100000，2004年5月出版，中國(guó)人民解放軍海軍司令部航海保證部，理論深度基準(zhǔn)面）。漩門(mén)灣及附近（圖號(hào)13711，比例尺1:25000，2005年10月出版，中國(guó)人民解放軍海軍司令部航海保證部，理論深度基準(zhǔn)面）?？查T(mén)漁港水下地形測(cè)量圖（比例尺1:5000，2001年11月施測(cè)，溫州綜合測(cè)繪院，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)面）。長(zhǎng)江委水文局長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局編制的《玉環(huán)縣坎門(mén)南排山避風(fēng)港防波堤工程水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)報(bào)告》，2009年11月。

一、前言1.3

研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線(xiàn)

在分析地形、水沙因素等自然條件的基礎(chǔ)上，建立平面二維潮流數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行模型驗(yàn)證計(jì)算；然后，進(jìn)行工程方案的潮流模擬，比較工程前、后流場(chǎng)的變化（著重比較工程前、后流速的變化）；最后，計(jì)算分析泥沙沖淤特征，比較各工程方案的優(yōu)劣。

二、自然條件

2.1地形

內(nèi)港水域的等深線(xiàn)呈現(xiàn)以二期防波堤口門(mén)為中心的弧形，口門(mén)附近水深最深，離口門(mén)愈遠(yuǎn)，水深愈淺，西北部水深大多不足0m。

坎門(mén)灣口有南排山和黃門(mén)山，形成三條水道與外海相通：（1）東口門(mén)，介于南排山與北側(cè)坎門(mén)頭之間，寬約0.7km，最小水深6m，其間有寬約0.3km、水深大于10m的深槽；（2）南口門(mén)，介于黃門(mén)山與南排山之間，寬約2.5km，水深10－14m；（3）西口門(mén)，介于黃門(mén)山與小門(mén)仔之間，寬約0.5km，水深多大于10m。

2.2

潮位根據(jù)坎門(mén)海洋站多年實(shí)測(cè)潮位資料分析，坎門(mén)灣的潮汐屬正規(guī)半日潮；潮差較大，多年平均潮差為4.05m；漲潮歷時(shí)比落潮歷時(shí)略長(zhǎng)，多年平均漲潮歷時(shí)為6h18min，多年平均落潮歷時(shí)為6h7min。2.3

潮流坎門(mén)灣的潮流有往復(fù)流、旋轉(zhuǎn)流和混合流三種類(lèi)型。

坎門(mén)灣的潮流屬駐波型。漲、落急出現(xiàn)在中潮位附近，漲、落憩出現(xiàn)在高、低潮位前后。

二、自然條件

2.4

泥沙坎門(mén)灣為淤泥質(zhì)海灣，懸移質(zhì)造床。東口門(mén)和西口門(mén)的底質(zhì)相對(duì)較粗，中值粒徑分別為0.018mm和0.022mm，其他水域的底質(zhì)中值粒徑為0.007－0.008mm。懸移質(zhì)中值粒徑為0.008mm左右?？查T(mén)灣含沙量大小按大、中、小潮的順序依次遞減，漲潮含沙量大于落潮含沙量；在灣口的三個(gè)口門(mén)中，南口門(mén)的含沙量最大，西口門(mén)次之，東口門(mén)最??；坎門(mén)灣灣口的平均含沙量為0.3kg/m3左右。

二、自然條件

10三、坎門(mén)漁港潮流數(shù)學(xué)模型3.1數(shù)學(xué)模型水流運(yùn)動(dòng)的基本方程包括水體連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程，即

3.2

計(jì)算模式采用有限體積法離散上述基本方程；通過(guò)離散得到的線(xiàn)性代數(shù)方程組，用高斯消去法求解。

11三、坎門(mén)漁港潮流數(shù)學(xué)模型3.3

模型范圍及網(wǎng)格尺寸模型范圍，南起北緯27°58′22″，北至北緯28°11′45″，南北間距24.8km；西起東經(jīng)121°10′46″，東至東經(jīng)121°23′15″，東西間距20.5km；其面積為508.4km2。采用正方形網(wǎng)格剖分計(jì)算域，網(wǎng)格尺寸為20m×20m。

123.4

邊界條件3.5

參數(shù)確定

曼寧系數(shù)：n＝0.020三、坎門(mén)漁港潮流數(shù)學(xué)模型

模型的水邊界采用潮位控制，潮位過(guò)程由東中國(guó)海潮波數(shù)學(xué)模型提供。對(duì)于隨潮位變化的淺灘動(dòng)邊界，采用網(wǎng)格干、濕判斷法進(jìn)行處理。13三、坎門(mén)漁港潮流數(shù)學(xué)模型3.6

驗(yàn)證計(jì)算模型驗(yàn)證取用2009年11月3日－11月10日的實(shí)測(cè)大、中、小潮水文資料，測(cè)站布設(shè)見(jiàn)圖2.3，有2個(gè)潮位測(cè)站（W1、W2）和6條測(cè)流垂線(xiàn)（S1－S6）。

14三、坎門(mén)漁港潮流數(shù)學(xué)模型大潮驗(yàn)證曲線(xiàn)15三、坎門(mén)漁港潮流數(shù)學(xué)模型中潮驗(yàn)證曲線(xiàn)16三、坎門(mén)漁港潮流數(shù)學(xué)模型小潮驗(yàn)證曲線(xiàn)17三、坎門(mén)漁港潮流數(shù)學(xué)模型流場(chǎng)特征

（1）計(jì)算水域的潮汐屬正規(guī)半日潮型，潮波為駐潮波。（2）漲潮時(shí)，潮水由東口門(mén)和南口門(mén)進(jìn)入坎門(mén)灣內(nèi)，其中，由南口門(mén)進(jìn)入灣內(nèi)的水流大部分通過(guò)外黃門(mén)（西口門(mén)）流出，然后沿西南方向流往甌江口；由東口門(mén)進(jìn)入灣內(nèi)的水流主要經(jīng)過(guò)二期防波堤口門(mén)進(jìn)入坎門(mén)漁港現(xiàn)有港區(qū)（內(nèi)港區(qū)）。三、坎門(mén)漁港潮流數(shù)學(xué)模型（3）落潮時(shí)，由西口門(mén)和南口門(mén)西側(cè)（馬祖印礁至黃門(mén)山之間）流來(lái)的潮水由南口門(mén)東側(cè)（馬祖印礁至南排山之間）退出；坎門(mén)漁港現(xiàn)有港區(qū)的潮水經(jīng)過(guò)二期防波堤口門(mén)由東口門(mén)退出。

玉環(huán)縣坎門(mén)漁港三期（南排山-黃門(mén)山）防波堤工程擬建南防波堤和東防波堤，南防波堤位于南排山與黃門(mén)山之間的南口門(mén)，東防波堤南排山與坎門(mén)頭之間的東口門(mén)。根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛布安ɡ颂攸c(diǎn)，防波堤有六種平面布置方案。4.1

三期防波堤工程布置方案四、防波堤工程潮流數(shù)值模擬四、防波堤工程潮流數(shù)值模擬四、防波堤工程潮流數(shù)值模擬四、防波堤工程潮流數(shù)值模擬4.2

成果分析方案4、方案5及方案6的南防波堤未完全封堵南口門(mén)，坎門(mén)漁港有東口門(mén)、新的南口門(mén)及外黃門(mén)（西口門(mén)）與外海相通。漲潮時(shí)，潮水由東口門(mén)和新的南口門(mén)進(jìn)入港內(nèi)，由外黃門(mén)（西口門(mén)）流出；落潮時(shí)，潮水由外黃門(mén)（西口門(mén)）流入港內(nèi)，由東口門(mén)和新的南口門(mén)退出。這表明，三個(gè)方案的流路與工程前相同。但是，進(jìn)出新的南口門(mén)和外黃門(mén)（西口門(mén)）的潮量減少了，而進(jìn)出東口門(mén)的潮量增加了。

四、防波堤工程潮流數(shù)值模擬方案1的南防波堤完全封堵南口門(mén)，坎門(mén)漁港只有東口門(mén)和外黃門(mén)（西口門(mén)）與外海相通。漲潮時(shí)，潮水由東口門(mén)進(jìn)入港內(nèi)，由外黃門(mén)（西口門(mén)）流出；落潮時(shí)，潮水由外黃門(mén)（西口門(mén)）流入港內(nèi)，由東口門(mén)退出。此時(shí)，進(jìn)出外黃門(mén)（西口門(mén)）的潮量進(jìn)一步減少，而進(jìn)出東口門(mén)的潮量進(jìn)一步增加。

方案3為南口門(mén)完全封堵，且在東口門(mén)布置250m長(zhǎng)的東防波堤。它的流路變?yōu)椋簼q潮水流由新的東口門(mén)和外黃門(mén)（西口門(mén)）同時(shí)流入港內(nèi)，落潮水流由新的東口門(mén)和外黃門(mén)（西口門(mén)）同時(shí)退出。此時(shí)，進(jìn)出外黃門(mén)（西口門(mén)）的潮量繼續(xù)減少，但減小幅度??；進(jìn)出新的東口門(mén)的潮量進(jìn)一步減少，且減少幅度大。

四、防波堤工程潮流數(shù)值模擬工程前后流場(chǎng)變化的特點(diǎn)：（1）方案1、方案4、方案5及方案6中，東口門(mén)流速增大，漲潮平均流速變化率為+7.2%~+42.9%，落潮平均流速變化率為+4.1%~+71.9%；方案1的流速變化最大，方案5的流速變化最小。東防波堤對(duì)通過(guò)東口門(mén)進(jìn)出灣內(nèi)的水流有阻擋作用，防波堤愈長(zhǎng)，阻擋作用愈大；方案2的東口門(mén)流速增大，而方案3的東口門(mén)大部分水域流速減小，僅在東防波堤堤頭與坎門(mén)頭之間的水域流速增大。

四、防波堤工程潮流數(shù)值模擬（2）方案1、方案4、方案5及方案6中，外黃門(mén)（西口門(mén)）流速減小，漲潮平均流速變化率為-10.8%~-62.2%，落潮平均流速變化率為-6.0%~-67.8%；方案1的流速變化最大（即流速變化率值最?。?，方案5的流速變化最?。戳魉僮兓手底畲螅７桨?和方案3中，外黃門(mén)（西口門(mén)）流速也減小，且流速減小的幅度較方案1大。（3）各個(gè)方案中，外港區(qū)大部分水域流速減小，由東北端到西南端，流速減小的幅度加大；距南防波堤法向距離愈近，流速減小的幅度愈大。（4）各個(gè)方案中，內(nèi)港區(qū)流速變化很小。四、防波堤工程潮流數(shù)值模擬27工程實(shí)施后的泥沙沖淤?gòu)?qiáng)度，可采用文獻(xiàn)[4]中的公式計(jì)算。

5.1泥沙沖淤?gòu)?qiáng)度計(jì)算五、港內(nèi)泥沙沖淤分析坎門(mén)灣為淤泥質(zhì)海灣，懸移質(zhì)造床。根據(jù)潮流數(shù)學(xué)模擬結(jié)果，采用半理論、半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行工程實(shí)施后的港內(nèi)水下地形沖淤變化計(jì)算。

5.1.1

計(jì)算公式5.1.2

計(jì)算參數(shù)（1）含沙量根據(jù)2009年11月坎門(mén)漁港水文泥沙測(cè)驗(yàn)資料，按半潮平均分別統(tǒng)計(jì)水流要素v2/gh和平均含沙量，然后采用最小二乘法進(jìn)行回歸分析，得到相關(guān)關(guān)系如下：

漲潮流落潮流（2）泥沙沉速和干容重

ω=0.00037m/s

γd=723.28kg/m3五、港內(nèi)泥沙沖淤分析5.1.3

計(jì)算結(jié)果五、港內(nèi)泥沙沖淤分析方案5的泥沙淤積最少，港內(nèi)平均淤積強(qiáng)度為0.05m/a；方案3的泥沙淤積最多，港內(nèi)平均淤積強(qiáng)度為0.45m/a；其他方案的港內(nèi)平均淤積強(qiáng)度在0.26～0.39m/a之間。

5.2最終沖淤厚度計(jì)算5.2.1

計(jì)算公式假定工程前、后水流挾沙能力不變，可得新沖淤平衡狀態(tài)下的水深：

床面最終沖淤厚度：

五、港內(nèi)泥沙沖淤分析5.2.2

計(jì)算結(jié)果（1）方案3的東口門(mén)，泥沙淤積，但最終淤積厚度較小（0.46m）；其余方案的東口門(mén)，海床沖刷；方案2和方案3的東防波堤堤頭前水域海床沖刷分別達(dá)到5.01m和4.37m。（2）各個(gè)方案的外黃門(mén)（西口門(mén)），泥沙淤積；方案2的最終淤積厚度最大，達(dá)到7.35~10.70m，但水深仍超過(guò)10.0m（85國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同）；方案5的最終淤積厚度最?。?.08~1.74m）。

五、港內(nèi)泥沙沖淤分析

（3）各個(gè)方案的外港區(qū)大部分水域，泥沙淤積，由東北端到西南端，最終淤積厚度逐漸增大；距南防波堤法向距離愈近，最終淤積厚度愈大；在南防波堤堤前水域，方案3的最終淤積厚度最大，達(dá)到5.09~6.93m；但南防波堤堤前水深仍超過(guò)5.0m。（4）內(nèi)港區(qū)、二期防波堤所形成的口門(mén)及其南側(cè)小范圍水域，海床基本不沖不淤。

五、港內(nèi)泥沙沖淤分析33六、結(jié)論與建議6.1

結(jié)論

（1）通過(guò)驗(yàn)證計(jì)算，表明本模型是正確的，計(jì)算結(jié)果是可靠的,可以用該模型對(duì)坎門(mén)漁港三期防波堤工程實(shí)施后的潮流場(chǎng)進(jìn)行預(yù)報(bào)模擬。（2）方案1為坎門(mén)灣南口門(mén)全封閉方案。南防波堤截?cái)嗔送ㄟ^(guò)南口門(mén)經(jīng)內(nèi)港區(qū)進(jìn)出外黃門(mén)（西口門(mén)）的水流，造成外黃門(mén)（西口門(mén)）和內(nèi)港區(qū)大部分水域流速減小、泥沙淤積，東口門(mén)及其附近小范圍水域流速增大、海床沖刷。（3）方案2和方案3，除坎門(mén)灣南口門(mén)全封閉外，還在東口門(mén)的南排山一側(cè)布置了東防波堤。東防波堤對(duì)通過(guò)東口門(mén)進(jìn)出灣內(nèi)的水流有阻擋作用，防波堤愈長(zhǎng)，阻擋作用愈大。因此，與方案1比較，東口門(mén)、外黃門(mén)（西口門(mén)）及外港區(qū)的流速減小，泥沙淤積范圍擴(kuò)大、淤積強(qiáng)度增大，海床沖刷范圍縮小、沖刷強(qiáng)度減小。

（4）方案4、方案5及方案6為坎門(mén)灣南口門(mén)不完全封閉方案。南防波堤對(duì)通過(guò)南口門(mén)經(jīng)內(nèi)港區(qū)進(jìn)出外黃門(mén)（西口門(mén)）的水流有阻擋作用，新南口門(mén)布置在南排山一側(cè)，阻擋作用?。恍履峡陂T(mén)愈寬，阻擋作用愈小。因此，與方案1比較，外黃門(mén)（西口門(mén)）及內(nèi)黃門(mén)山東北側(cè)水域