日照豪迈码头港池布局对泥沙输移影响研究

作者:王春玲;武雅洁;董启涛;陈玉洁; 刊名:中国海洋大学学报(自然科学版) 上传者:刘宝成

【摘要】港池的布局会改变其周边海域水动力条件及其泥沙冲淤状况,为了进一步了解其影响程度,本文以山东日照豪迈重工临港厂区运输码头的改造工程为研究对象,利用平面二维数值模型MIKE21/3 Integrated Models,建立了潮流和波浪耦合作用下的泥沙输移数值模型,对该工程附近海域进行了波浪、潮流和泥沙输移的数值模拟。同时采用实测数据对数值模型进行了验证,数值模拟结果与实测资料拟合较好,表明MIKE21能有效地模拟运输码头及其周围海域潮流的变化过程。以日照豪迈重工临港厂区运输码头为依托,基于数值模拟结果,分析不同改造方案下的水动力条件和泥沙冲淤状况。结果表明:港池布局对水动力条件影响甚微,对地形地貌冲淤影响较大;模拟结果确定港池南向开口为最佳改造方案,为工程的规划和设计提供科学依据。

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: 王春玲(1992-),女,硕士生。E-mail:623908023@qq.com ** 通讯作者: E-mail: yajiewu@ouc.edu.cn 豪迈重工临港厂区运输码头位于山东省日照市日照经济开发区南部,紧靠日照港南面,工程海域为砂质海岸。豪迈重工临港厂区运输码头改造工程拟在现有的港池基础上确定不同防波堤开口方向及航道规划下港池和航道回淤情况,而泥沙淤积问题一直是影响通航能力和投资建设的关键因素[1],因此建立工程区域潮流泥沙的数学模型是必要的。中国学者对码头附近潮流特性和泥沙输移作了一些研究工作。成积禧等分析研究了日照港水域水动力及港区回淤情况[2];胡金春等针对石臼湾研究当地泥沙输移情况,为港池、航道的冲淤计算提供依据[3]。 MIKE21是丹麦水力学研究所研发的二维数学模拟软件,应用于河口、海湾以及海洋近岸区域的水流及水环境的数值模拟[4],可为工程应用、海岸及规划提供完备、有效的设计条件和参数[5]。该软件已在国内外工程中得到广泛应用,如:南水北调工程[6]、三峡库区排污数值模拟[7]、维斯瓦河盐度分析[8]、法国瓦河地貌变化分析[9]等。MIKE21FM是一个基于三角形不规则网格的数值模拟工具[10],由于其网格的灵活性,在地形较为复杂的区域具有较好优势,例如模拟岸线弯曲的情况[11],也可在研究的重点区域局部网格加密,计算结果可信,后处理功能强大。 本文以豪迈重工临港厂区运输码头改造工程为背景,建立潮流与波浪耦合作用下的泥沙冲淤数值模型,分析码头在不同规划方案下水动力环境以及泥沙冲淤情况,探索港池布局对周边海域流场及泥沙输移的影响情况,为后续开展工程规划和设计提供科学依据。 1 模型介绍与设置 1.1 控制方程与定解条件 1.1.1 控制方程 本文基于MIKE21/3 Integrated Model建立潮流和波浪耦合作用下的泥沙输移数值模型,其子模块在空间上采用有限体积法进行离散计算,在时间上采用显性欧拉法进行离散计算,控制方程[12]如下: 二维深度平均浅水方程: 。 (1) 。 (2) 。 (3) 泥沙输移控制方程: 。 (4) 波作用守恒方程: 。 (5) 式中:η为潮面高程;d为静水深度;h=η+d为总水深;,别为深度平均流速向x,y方向的分量;f为科氏力系数(f=2Ωsinφ,Ω为地球自转角速度,φ为地理纬度);Sxx,Sxy,Syx,Syy为辐射应力张量分量;Txx,Txy,Tyy为水质点侧向应力,包括粘滞摩擦力、紊流摩擦力、对流力等;τsx,τsy分别为海面风摩阻x,y方向分量;τbx,τby分别为海底摩阻x,y方向分量;n为孔隙度;z为底床高程;Sx,Sy分别为泥沙输移率x,y方向分量;V为波群速度,V=(cx,cy,cσ,cθ);cx,cy为波作用在地理空间(x,y)中传播时的变化;cσ为由水深和水流变化造成的相对频率的变化;cθ为由水深和水流引起的折射;S为能量方程中以谱密度表示的源函数。 1.1.2 定解条件 初始条件: 。 (6) 边界条件:对开边界,采用预报潮位条件;对水陆边界,采用法向流速为零条件;对潮滩区,采用干湿边界处理。 1.2 模型建立与参数设置 1.2.1 计算范围和网格设置 本文所建立的数值模型计算域范围如图1所示,地理位置为119°24′E~119°37′12″E,35°13′48″N~35°24′36″N之间,计算区域东西宽约20.46 km,南北长约19.8 km。为了能较好拟合地形边界,模型采用非结构三角形网格,同时为了更清楚地了解工程区域所在区域的水动力条件,工程区域进

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