湄洲救助基地码头工程泊稳条件与泥沙淤积数值计算分析

李松喆，张明进，刘海源，郑金海

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456）

湄洲救助基地码头工程泊稳条件与泥沙淤积数值计算分析

李松喆1,2，张明进2，刘海源2，郑金海1

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456）

通过分析湄洲湾的水文泥沙条件，对救助基地码头工程的2个拟建位置进行了比选，建立工程区波浪数学模型，计算了不同工程方案情况下港内泊稳条件，采用经验公式估算了工程区附近泥沙淤积及大风骤淤。结果表明：湄洲岛西南部海岸由于其海域海床基本稳定且沙源较少，发生较大骤淤的可能性较小；由于湄洲岛南端岸线有效地阻挡了N向—SSE向的波浪，使得近岸码头方案的前沿设计波要素更小；港内泊稳条件与码头离岸距离相关；近岸区域年平均淤强在较小范围内，在预留一定的备淤深度的情况下可以满足船舶安全通行和港口正常作业的要求。

波浪；泥沙；数值模拟；泊稳条件；码头工程；湄洲湾

我国东南沿海受台风等极端天气影响较大，海上作业受到威胁，急需设立救助基地加以保障。湄洲救助基地码头工程选址在湄洲湾口处的湄洲岛上，建成后可为福建沿海及周边海域的海上作业提供安全救援，保障人民生命财产安全。为了给码头工程选址及初步设计提供科学依据，本文采用平面二维波浪数学模型，针对不同位置的码头布置方案计算救助船舶泊稳条件，计算给出影响作业天数；同时，针对航道与船舶回旋水域的开挖情况，采用经验公式进行泥沙回淤计算和骤淤分析，给出开挖区域的年回淤估算值。

1 工程区水文泥沙条件

湄洲救助基地码头工程选址在湄洲湾口的湄洲岛上，位于我国福建沿海中部，台湾海峡西侧［1］。拟建码头港址位于湄洲岛西侧中部的九宝澜附近，A1和A2为2个拟建码头位置，如图1所示。拟建码头前沿为盘屿西北水道，水下坡道较大，南侧为一沙砠地貌，东北侧为滩涂地带、延伸至文甲水道的西口，引桥根部礁石露头。隔湾口与东周半岛、黄干岛、剑屿等地相望。湄洲湾海区水文泥沙情况概述如下：

（1）风浪：湄洲湾海域属亚热带海洋性气候，四季分明。统计资料分析［2］：常风向为NNE和NE向，频率分别为28%和26%；秋季和冬季盛行偏东北风，常风向为NNE向，次常风向为NE向，二者出现频率分别为27%和24%；春季常风向为NE向，次常风向为NNE向，出现频率为48%；夏季常风向为SSW向，次常风向SW向，出现频率为53%。

（2）潮汐［3-5］：湄洲湾潮汐属于正规半日潮，即每日出现2次高潮和2次低潮，根据秀屿观测站的中期验潮资料，以及在湄洲湾口及湾内的斗尾、东吴和秀屿的同步验潮资料，统计得到湄洲湾潮汐特征，据湄洲湾同步验潮资料可知，从湾口到湾顶，高潮位逐渐抬高，低潮位逐渐降低，潮差呈递增变化。从潮差上看，湾内秀屿站的最大潮差可达7.59 m，最小潮差则为2.22 m，其间极值相差5.37 m，变幅较大。

图1湄洲岛位置示意图及救助码头选址Fig.1Location of Meizhou Island and rescue base

（3）潮流［3-5］：湄洲湾的潮流为正规的半日潮流。湄洲湾因受地形控制，湾内基本上是往复流；深槽部位涨落潮流向基本上与槽向一致，大潮流速大于小潮流速，表层流速大于底层流速。湾内西侧山腰湾口内至峰尾附近涨潮流速约为2.444 m/s，落潮流速约为1.801 m/s。在这两侧中间，即湾内主航道附近，均为落潮流大于涨潮流。

（4）泥沙［3-5］：本海区悬沙含沙量实测最大值，涨潮达到0.239 6 kg/m3（山腰湾口附近），落潮达到0.932 5 kg/m3（黄干岛南侧）。平均含沙量一般在0.01～0.043 3 kg/m3，且冬季高于夏季，落潮高于涨潮，湾口高于湾内，深槽高于两侧。含沙量高值一般出现在半潮位涨、落急时段，并形成于底层。本海区冬季平均含沙量在0.027 7～0.068 2 kg/m3，在口门附近，落潮平均含沙量高于涨潮，湾顶涨潮平均含沙量高于落潮。夏季平均含沙量在0.010 3～0.025 6 kg/m3，口门附近涨潮平均含沙量高于落潮，湾顶落潮高于涨潮。含沙量垂直变化比较小，底层平均含沙量为表层的1.5～2.0倍，且有冬季含沙量垂直变幅大于夏季，湾口垂直变幅大于湾顶的特点。

2 码头建设方案

湄洲救助基地码头工程选址在湄洲岛上，可供比选的两处码头分别位于湄洲岛西侧的原对台客运码头（A1）和湄洲岛南侧鹅尾山西侧位置（A2），两备选位置方位见图1。为了确定救助码头建设位置，从以下3个方面对初步选址的2个位置方案进行比较。

（1）泥沙来源与沿岸流输沙：A1处2个岬湾式海岸的中间岬头位置，其东侧有较长的相对顺直岸线，可能存在较强的输沙能力；A2处位于一个岬湾式海岸的头部位置，该处不存在沿岸流和较大的沙源。

（2）泥沙运动平衡情况：A1处客运码头建成后一直处于淤积状态，期间进行过几次疏浚，疏浚后均淤积变浅。目前该区域还没有达到平衡状态，仍处于发展阶段。如在该处续建引桥及码头，进一步淤积的可能性较大；A2处离岬角较近，目前该区域附近无大的工程，附近没有沿岸输沙的地形地貌特征，并受到南侧岬角一定的掩护，该位置泥沙运动长期处于平衡状态［6］。

（3）波浪影响情况及骤淤分析：根据实测资料分析，湄洲湾海区的常浪向为NNE—NE方向，多发生在秋季、冬季、春季，湄洲湾海区的强浪向为SE方向［7］。根据初步选址所在位置并结合该区域相关研究成果，A1和A2两选址位置波浪影响情况相当。骤淤大多发生在台风浪等强浪天气，大浪造成沙质岸滩剖面横向变化，可能使得A1码头区域引起一定的骤淤；A2处由于其所处的泥沙输运平衡位置及沙源较少，发生较大骤淤的可能性较小。经比较分析，湄洲救助基地码头工程选址在A2处。为减少波浪对码头及船舶影响，码头位置尽量布置在靠近湾内的位置，这样借用湄洲岛西南端岸线作为港区掩护，可以有效降低港区波高值，并且为保证港池船舶航行水深，进行必要的开挖。以下研究均针对A2处的码头布置进行计算分析。选定鹅尾山西侧作为工程建设位置，根据该区域水深情况，设计单位共设计了3个方案。图2为3个方案平面布置图，码头长350 m，均为组合桩基码头形式，以减少避免码头前沿波浪反射。方案1位于-10 m等深线附近，码头走向平行于-10 m等深线；方案2位于-8 m等深线且基本平行于方案1码头走向，方案2港区需要进行局部开挖，使得港区水深达到-9.7 m；方案3更靠近湾内侧，成NNE—SSW走向，距离基地岸线近，该方案同样需要进行局部开挖，使得港区水深达到-9.7 m。

3 波浪数学模型

3.1设计水位

设计波浪要素推算水位为校核高水位、设计高水位、设计低水位；泊稳计算采用设计高水位。以85高程计，湄洲湾水域的校核高水位、设计高水位、设计低水位分别为4.59 m、3.28 m、-2.74 m。

3.2根据风资料推算外海波要素

平海海洋站位于东经119度16分、北纬25度11分，位于湄洲岛东北方向30 km，是距离工程区域较近的测站，如图3所示，以平海测站的实测资料作为本次计算的基础数据。通过平海站1962年至1972年实测风速和波浪资料的统计分析可以得到［8］：

（1）各向Vm、Vmax及出现频率风玫瑰图见图4，可见平海站常风向为NNE向，频率约为28.8%，强风向为SSW向和SE向，最大风速可达34 m/s。

（2）该海域常浪向为NE，出现频率为50.08%，次常浪向SSW，频率12.62%；强浪向为S，其次为ESE向和SE向。

根据1962至1972年平海站各向H1/10波高值，用PⅢ型曲线作为理论频率曲线，适线法求得平海站各波向各重现期的波高值。采用抛物型缓坡方程波浪数学模型计算，反推出-50 m等深线处P点的波要素（表1）。

3.3设计波要素计算

（1）Mike21 PMS波浪数学模型。

该模型考虑了由于水深变化而引起的折射和浅水变形，以及由于底部摩擦和波浪破碎而引起的沿波浪主要方向的衍射和能量耗散。该模型采用抛物线近似法求解椭圆型缓坡方程，差分格式Crank-Nicholson。如图3方框线围起的区域代表了外海波浪传入的计算模型范围，其中P点位于-50 m水深等深线上，以有效波高作为外海边界条件的依据进行模型计算，计算范围70.6 km×77 km，计算网格尺寸ΔX=ΔY=20 m。

（2）Mike21 SW波浪数学模型。

Mike21 SW是基于非结构化网格的新一代分谱风浪计算模拟模型，其模拟的物理现象包括风生波、非线性波浪相互作用、水深变化引起的折射和浅水变形等。计算域范围同图3。模型计算在各方向上的风场给定包括风速、风向，均以平海海洋站实测波要素作为验证依据最终确定。

3.4计算结果

根据湄洲湾基地工程所在位置特点，计算波向考虑SE—NW向，其中SE向、SSE向、S向、SSW向、SW向采用大范围PMS模型（外海来浪）计算，WSW向、W向、WNW向、NW向采用SW模型计算。采用SW模型计算时也参照平海站统计资料作为依据。计算重现期为50 a、25 a、5 a、2 a，计算水位为校核高水位、设计高水位、设计低水位。

设计高水位下重现期50 aH13%波高分布见图5，计算结果显示，50 a一遇极端高水位条件下，最大波高出现在SSW向，达到5.8 m，其次为S向、SSE向，分别为5.41 m和3.89 m，这3个方向主要是外海涌浪所致。由于湄洲岛南端陆地掩护，SE向、ESE向、E向外海来浪影响较小，方案3充分利用了这一优点，使得设计码头前沿波高比方案1小很多，大大提高了码头泊稳条件。

图3大范围波浪场计算范围Fig.3Calculation domain of wave field

图4平海海洋站风玫瑰图Fig.4Wind rose of Pinghai observation station

表1-50 m等深线处（P点）有效波高Tab.1Significant wave height on-50 m isobath

3.5港内泊稳条件分析

采用Mike21 BW模型计算港池泊稳时，考虑到了地形和水工建筑对波浪的折射、反射、绕射及底摩擦损耗，多年来被多次成功应用于港内波浪数值模拟中，用于港池内波况及码头泊稳计算分析，模拟结果接近工程实际。湄洲湾救助基地码头轴线为SSW-NNE向，规划泊位为3 000 t级和5 000 t级，根据规范要求，船浪夹角≥45°为横浪，船浪夹角＜45°为顺浪，5 000 t级以下船舶作业的波稳条件为顺浪H4%≤0.8 m，横浪H4%≤0.6 m。设计高水位，重现期2 a的波浪条件下，方案3码头中间前沿位置处的比波高和H4%波高计算结果如表2所示。可见，在重现期2 a一遇的波浪条件下，港区受SE—NW向波浪影响，只在SE向满足泊稳条件，其他方向的波浪条件均不满足设计船只的泊稳条件。

根据《开敞式码头设计与施工技术规程》［9］，因受灾害性风、浪影响，船舶必须离开码头时，其紧急离泊波高可取1.5～2 m。为保障救助船舶安全，本文取1.5 m为紧急离泊波高，根据表1，S向、SSW向、SW向影响船舶停泊，需离开码头。受波浪影响的作业天数见表3。

根据港池泊稳计算结果和各方向波浪出现的频率，对3个方案码头受波浪影响的作业天数及影响的船舶停靠码头的天数做出统计。如考虑风、雨、雾天气，影响天数还将增加，根据文献［1］，风≥6级，雨≥2.6 mm/0.5～1 h，雾能见度≥1 000 m全年影响作业的天数分别为13.93 d、7.73 d、11.56 d。由于风与浪重复的可能性大，考虑雨、雾的影响还应该减少作业天数20 d左右。

综上，方案1～方案3码头前沿5 000 t级船舶作业影响天数分别为42.03 d、40.42 d、35.06 d，考虑雨、雾的影响还应该减少作业天数20 d左右，总影响天数分别为62.03 d、60.42 d、55.06 d。救助船舶没有作业需求，方案1～方案3码头救助船舶在波高大于1.5 m时紧急离泊天数分别为21.63 d、20.19 d、16.13 d。

图5重现期50 a一遇设计高水位下H13%波高分布图Fig.5Distribution of H13%in return period of 50 years on highest design water level

表2不同方案设计高水位重现期2 a主要影响波向比波高及H4%波高Tab.2Wave height and wave H4%influenced by different design of 2 years return period on high water level

表3不同方案波浪影响频率(%)及天数(d)Tab.3Frequency and days of wave influence in different schemes

4 泥沙淤积

对于泥沙淤积问题，本文计算了方案2、方案3在10 a一遇风浪情况下，挖槽内平均淤强及淤积量。淤强计算采用如下公式［10］

式中：p为年平均淤强，m；k为泥沙沉降几率，取0.45；ω为泥沙动水沉降速度，本海区悬沙中值粒径介于0.006 9～0.009 9 mm，码头前沿港池内泥沙沉速的取值约为0.042 cm/s［11］；s为水体年平均含沙量。经以往研究成果及现场观测资料统计分析，工程区海域，年平均含沙量取值约为0.07 kg/m3［11］；t为淤积时间，s;γ0为淤积泥沙干容重；h1为开挖前半潮位下平均水深，m；h2为开挖后半潮位下平均水深，m；θ为水流流向与开挖航道走向所夹之锐角（°）。计算结果见表4。

骤淤计算仍采用上述淤积量计算公式，但计算参数需作必要的调整。由于本区实测含沙量资料不足，特别是大风天实测含沙量资料更是缺乏，故采用经验公式作一估算。

当海上大风（台风）出现时，含沙量会呈数倍增大，本文采用式（2）作近似推算。

式中：γs为泥沙颗粒重度；V→1为潮流V→（取涨潮流流速平均值）和风吹流V→b的合成流速，即V→b=0.020U→；U→为风速矢量；V→2为波动水流流速；C为波速；Hˉ为平均波高；h为水深；其他参量意义同前。

对于大风骤淤分析，本文计算了方案2、方案3在10 a一遇风浪情况下，挖槽内平均淤强及淤积量。当出现大风天气时，水体紊动强烈，挟带泥沙粒径较大，在计算中对泥沙沉速和含沙量等参数也都进行相应的调整。另外，由于大风天气持续时间长短不一，统一按24 h淤积强度进行计算。计算结果表明，方案2在10 a一遇S向浪作用下，淤强值介于0.06～0.09 m/d，挖槽内淤积总量约为1 876 m3/d；方案3在10 a一遇S向浪作用下，淤强值介于0.07～0.10 m/d，挖槽内淤积总量约为4 387 m3/d。而其他方向大风天出现的淤积都会小于S向浪的作用，因此，只要预留一定的备淤深度，是可以满足船舶安全通行和港口正常作业的要求。

表4淤强及淤积量计算结果Tab.4Calculation results of siltation intensity and sedimentation volume

5 结论

根据以上研究成果，本文得出以下结论：

（1）从泥沙来源、泥沙运动机理及波浪和大风骤淤等方面对P1、P2两个码头选址位置进行了比选分析，选定P2处为湄洲救助基地码头工程位置。

（2）湄洲岛南端岸线有效地阻挡了N—SSE向的波浪，使得方案3的码头前沿设计波要素值比方案1和方案2优越。

（3）计算表明，方案1～方案3码头前沿5 000 t级船舶作业影响天数分别为42.03 d、40.42 d、35.06 d，考虑雨、雾的影响还应该减少作业天数20 d左右，总影响天数分别为62.03 d、60.42 d、55.06 d。

（4）救助船舶没有作业需求，方案1～方案3码头救助船舶在波高大于1.5 m时紧急离泊天数分别为21.63 d、20.19 d、16.13 d。

（5）通过对工程区附近泥沙回淤分析，方案2年平均淤强介于0.18～0.36 m/a，挖槽内淤积总量约为6 567 m3/a，方案3年平均淤强介于0.19～0.48 m/a，挖槽内淤积总量约为15 355 m3/a。

（6）从水流与泥沙淤积角度来看，方案1、方案2优于方案3；从波浪条件与船舶泊稳条件来看，方案3优于方案2、方案1。综合分析波浪条件及泥沙淤积，推荐方案3为救助基地码头工程平面布置方案。

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Numerical calculation analysis on tranquility condition and sediment deposition of wharf engineering of Meizhou rescue base

LI Song⁃zhe1,2,ZHANG Ming⁃jin2,LIU Hai⁃yuan2,ZHENG Jin⁃hai1
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport, Tianjin 300456,China）

The condition of hydrology and sediment of Meizhou Bay was analyzed and the two locations of the rescue base wharf on Meizhou Island were combined.The numerical wave model of engineering area was estab⁃lished and the tranquility condition of different engineering schemes was calculated.The sediment deposition and sudden silting near the engineering area were estimated by empirical formula.The result shows that it is less likely to occur in serious sudden siltation because of its location of sediment transport balance and less sand source on the southwest coast of Meizhou Bay.As a result of Meizhou Island at the southern end of the shoreline,it effectively blocks the waves of direction from N to SSE of the waves,and the design wave elements of coastal wharf scheme are smaller.The tranquility condition is associated with the offshore distance of the wharf.The average annual siltation intensity of the nearshore region is in a small range.The requirements are satisfied for ship traffic and port operating under the circumstances of the certain depth for siltation.

wave;sediment;numerical simulation;Meizhou Bay;tranquility condition;wharf engineering

TV142；O242.1

A

1005-8443（2015）04-0302-06

2015-01-29；

2015-04-08

李松喆（1990-），男，天津市人，硕士研究生，主要从事海岸动力学与海岸工程研究。

Biography：LI Song⁃zhe(1990-),male,master student.