通州湾港区三港池1#～3#码头工程潮流泥沙数值模拟研究

通州湾港区三港池1#～3#码头工程潮流泥沙数值模拟研究

徐伟杰1，罗锋2,3,4， ，吴鸿博2，向云帆2

（1.南通港集团建设投资有限公司，江苏 南通 226000；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；3.南通河海大学海洋与近海工程研究院，江苏 南通 226004；4.海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏 南京 210098）

摘要：本研究针对南通港通州湾港区三港池1#～3#码头工程建设后对区域流场及冲淤现象的影响，构建了通州湾潮流泥沙数学模型，并利用2023~2024年实测水文泥沙数据验证模型的精度。通过设置工程前后两种工况并进行两年数值模拟，分析了该工程对周边海域流场和底床冲淤的影响。结果表明，工程前引堤已改变岸线平顺性，对主潮流影响不显著，但对引堤周边潮滩和细小潮沟的涨落潮流有所影响，冲刷集中在堤顶和引堤的折角处，两年累计冲刷深度最大可达1.45m。工程后引堤的延伸显著增强了对流场的影响，尤其是在涨急时深槽流速明显增加，堤顶流速超过2m/s，落急时引堤南侧出现高流速区域。流场变化导致NNE方向引堤交接段南侧潮滩冲刷加剧，两年累积冲刷量最高可达2.13m；而大型潮沟处两年冲刷量相比工程前工况增加了约0.9m。尽管新引堤扩大了冲淤影响范围，但总体影响程度相对较小，主要因新引堤所在区域水深较大，使流速增加对底床泥沙的悬浮影响有限。

关键词：通州湾；水动力；数值模拟；码头工程

Numerical Simulation Study on Tidal Currents and Sediment for the 1#–3# Wharf Construction Project in the Third Harbor Basin of Tongzhou Bay

Xu Weijie1, Luo Feng2,3,4, , Wu Hongbo2, Xiang Yunfan2

（1. Nantong Port Group Construction Investment Co., Ltd., Nantong226000,China; 2. College of Harbour, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China, 3. Nantong Ocean and Coastal Engineering Research Institute, Hohai University, Nantong 226004, China;4. Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence, Ministry of Education, Nanjing 210098, China）

Abstract:This study investigates the impact of the construction of the 1#–3# wharves in the Third Harbor Basin of Tongzhou Bay, Nantong Port, on the regional flow field and sedimentation-erosion phenomena. A mathematical model for tidal currents and sediment transport in Tongzhou Bay was developed, and its accuracy was validated using hydrological and sediment data collected from 2023 to 2024. By establishing two conditions (before and after construction) and conducting two years of numerical simulations, the effects of the project on the surrounding marine flow field and sediment dynamics were analyzed. The results indicate that the pre-construction training jetty altered the smoothness of the coastline, with no significant impact on the main tidal flow. However, it affected the tidal currents around the tidal flats and small tidal creeks, resulting in concentrated erosion at the top of the jetty and the corners of the training jetty, with a maximum cumulative erosion depth of 1.45 m over two years. The extension of the training jetty after construction significantly enhanced its influence on the flow field, particularly during rising tides, where the flow velocity in the large tidal creek increased noticeably, exceeding 2 m/s at the top of the jetty. During falling tides, high-velocity zones emerged on the southern side of the training jetty. Changes in the flow field intensified erosion on the southern tidal flats at the junction of the NNE-direction training jetty, with a maximum cumulative erosion amount of 2.13 m over two years. Additionally, the erosion volume at the large tidal creek increased by approximately 0.9 m compared to the pre-construction condition. Although the new training jetty expanded the range of sedimentation-erosion effects, the overall degree of impact remained relatively small, primarily due to the greater water depth in the area of the new training jetty, which limited the effect of increased flow velocity on the suspension of bed sediments.

Key words:Tongzhou Bay; Hydrodynamics; Numerical simulation; Wharf construction

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引  言

南通港地处沿江、沿海“T”型黄金交汇点，滨江临海，是江苏全省唯一兼有河港和海港的港口，拥有独特的地理区位优势和水运发展优势[1]。近年来，南通港集团积极响应国家“一带一路”、长江经济带及长三角一体化发展战略，全力推进通州湾新出海口建设[2,3]。作为南通港及江苏省沿海开发的重要组成部分，通州湾作业区为满足大型散货转运和产业转移的需求，计划在三港池内建设1#~3#码头。此举对优化江苏沿江沿海产业布局、推动地方经济发展具有深远意义。

然而，相关的引堤工程造成了岸线的不规则性，将会截断部分潮沟，改变潮流路径[4]，影响浅滩的涨潮漫滩和落潮归槽水流，并可能引发地形冲淤模式的改变[5,6]，故开展周边海域海洋水文动力及冲淤环境模拟研究至关重要。本研究通过数值模拟方法研究工程建设后对局部海域流场和多年冲淤的影响，为海域水文动力和冲淤环境恢复提供基础数据，并为生态保护与修复的长期过程提供技术参考[7]，确保项目在实施过程中能够兼顾经济发展和生态保护，实现可持续发展。

1工程设置和水文泥沙条件

1.1 工程设置

本码头工程位于江苏省南通市通州湾港区三港池西端，自西向东依次布置1#～3#通用泊位，1个5万吨级和2个10万吨级通用泊位以及配套工艺和公用工程设施，码头岸线长923m。新建水工建筑物主要由码头、栈桥和引堤组成。在本码头工程建设之前，新出海口一期通道工程已建设一段东西走向的引堤，本工程在其基础上将引堤继续向东延伸并转向东北，并引堤的顶端通过码头引桥与码头相连。其中，新建引堤为不透水构筑物，而码头为透水构筑物，如图1(b)所示。

图1工程地理位置和范围

1.2 水文泥沙条件

通州湾位于江苏省通州东部沿海地区，本海域属于亚热带海洋性季风气候，风向季节性变化强，夏季盛行东南风，冬季盛行东北风。年平均风速为3.5m/s，主导风向为ESE，多年最大风速为20.0m/s。潮位观测期间，各潮位测站的最高潮位为3.13m，最低潮位为-2.98m，最大潮差为6.11m；各潮流测站的大潮平均流速为0.46m/s，最大流速能够达到2.0m/s左右。

含沙量冬夏季差异明显，风浪对该海域含沙量影响较大，平均在0.2kg/m3~0.4kg/m3。沉积物以砂和砂质粉砂为主，表层沉积物粒径表层在5.49～15.62μm之间。悬沙以粉砂和黏土质粉砂为主，悬沙粒径在0.004～0.017μm之间。

2 潮流泥沙数学模型建立与验证

2.1 模型介绍

本章利用Delft3D-FM[8,9]构建通州湾海域二维潮流泥沙数值模型。Delft3D-FM在浅水假设和Boussinesq近似下求解不可压缩流体的Navier-Stokes方程。

通过以下方程表示质量守恒和动量守恒：

                      (5‑1)

(5‑2)

其中，, 为水位，为水深，为流速矢量，为重力加速度，为黏度，为水的质量密度。为底部摩擦力，，其中为Chézy系数。相似地，为作用在自由表面的风应力，，其中为空气密度，为空气-水（或风）摩擦系数，为自由表面之上10m的风速矢量。

通过求解悬沙的三维平流-扩散（质量守恒）方程，计算悬沙的三维输运。简化后的二维形式为：

(5‑5)

其中，为泥沙组分的质量浓度，和为两个流速分量，和为泥沙组分的涡流扩散系数。

2.2 模型范围和工况设置

通过Delft3D-FM模型的水动力、泥沙和地貌模块，构建了通州湾海域的二维模型，模型区域及网格情况如图2所示。图2中使用UTM-51坐标系，高程基准为平均海平面。模型的左下边界设为闭边界，其余边界为开边界，采用非结构三角形网格，总共包括30717个网格节点和60610个网格单元。为了提高模拟精度，在三港池1#~3#码头附近进行了局部网格加密，最小网格尺度为50m，最大网格尺度为2000m。初始地形数据来源于2011~2021年间的海图数据和工程实测数据，闭边界轮廓基于2023年的遥感影像确定，开边界潮位则由TPXO9-atlas模型[10]提供。

模型设置了工程前后两种工况进行对比分析，模拟时间设置为两年。其中，码头作为透水构筑物未体现在模型，而引堤作为不透水构筑物则被完整刻画，工程前后引堤的形态变化如图3所示。

图2 模型地形及网格图

图3 工程前后引堤形态

2.3 模型验证

图3 工程区附近2023年秋季典型潮位测站和潮流泥沙测站位置

为验证本文的潮流泥沙数学模型的可靠性，分别将工程区水域2023年秋季和2024年春季的大小潮水文泥沙实测资料与数模结果进行对比。其中潮位测点4个，潮流泥沙测点6个。本文选择性列举了靠近工程位置附近的典型潮位测站和潮流泥沙测站，位置如图3所示，对应的2023年秋季水位、流速和悬沙浓度验证结果如图4所示。

根据实测资料，各年份各站点的潮高历时相近，最高潮差超过6m，最小潮差约为1m，呈现显著的规则半日潮特征。潮位验证结果显示，潮位的计算值与实测值吻合较好，与实测值相比相位差不超过0.25h，最高、最低潮位的计算值与实测值误差普遍在±5cm以内，满足规范要求，说明了本模型的合理性，基本上反映了项目区附近海域的潮波运动规律。

流速流向验证结果显示，流向的模拟值呈现较为明显的往复流，与实测资料情况基本吻合；而各点的流速大小与实测结果吻合良好，涨、落急出现时刻同步，模拟值与实测资料数值量级吻合，计算得到的涨落潮平均流速误差小于10%，最大流速与实测值的误差小于15%，符合相关规范要求。悬沙浓度验证结果显示，计算值与实测值的量级基本一致，悬沙浓度变化过程的计算值与实测值有一定的吻合度，反映了项目附近海域的泥沙运动规律，模拟精度满足需要。

图4 2023年秋季典型潮位测站和潮流泥沙测站验证曲线

3 模拟结果分析

3.1 工程区流场变化

工程前所存在的引堤已经破坏了岸线的平顺性，对大潮涨落潮时的流场产生了显著影响，如图5(a)所示。引堤由南北向和东西向两段组成，虽然整体上未改变涨潮期间深槽主导的自东向西的潮流方向，但切断了一条较小的潮沟，阻断了其向西南方向的涨潮流。引堤使南侧高滩区域的流速显著减小，同时加速了深槽附近潮滩的流速。落潮时，引堤的转角处导致局部流速明显增加。

工程后，引堤深入到更深的潮滩区域，阻断了更多潮沟，对流场的影响更加显著，如图5(b)所示。新增的NNE方向引堤段阻挡了原本东西向的涨落潮流，使得工程后引堤对整体流向的影响更为突出。在大潮涨急时，这段引堤加速了深槽的流速，引堤顶端流速超过2m/s，且流向发生剧烈转变。NNE向引堤段与东西向引堤衔接段北侧潮滩形成了流速较大的逆时针旋转水域。在大潮落急时，被阻断的潮沟本为NE向流态，遇到引堤后被迫转向正东，使得引堤南侧出现高流速区域，紧贴引堤岸线分布。

图5 工程前附近海域大潮(a)涨急时刻(b)落急时刻流场

图6 工程后附近海域大潮(a)涨急时刻(b)落急时刻流场

3.2 工程区冲淤变化

工程建设前，原有引堤的折角处导致附近潮滩发生显著冲刷，两年冲刷深度可达1.45m，如图7(b)所示。引堤的不规则形态还加剧了堤顶位置潮沟的冲刷，主要是因为引堤使得落潮时南侧潮流汇聚。引堤对其周边区域具有一定保护作用，但对较远区域的影响则不显著。

引堤延长后，虽然保留了原有引堤带来的潮滩冲淤特征，但其影响范围有所扩大，如图8(b)所示。一个明显的冲刷区域出现在NNE方向引堤与东西向引堤交接段南侧潮滩，两年冲刷量可达2.13m，原因有两方面：一是折角段流速增大，二是新引堤截断了一条潮沟，导致落潮时潮沟的归槽流被引堤阻挡，由东北向转为沿引堤紧贴的正东向。与南北向引堤与东西向引堤交接段相比，这次的冲刷区域更偏向于东西向引堤的南侧。此外，由于NNE方向引堤缩减了东西向潮流的过水截面积，故堤顶位置及附近大型潮沟区域的冲刷也略微加剧，相比于工程前两年冲刷量增加了0.9m左右。与此同时，引堤两侧的潮滩得到了良好保护，冲淤差值增加。

尽管新引堤扩大了冲淤影响范围，但总体影响程度不大，如图9所示。这可能是由于原有引堤所在的潮滩高程较高，水深较浅，流速变化更容易在底床泥沙的冲淤上有所体现；而新引堤尽管显著改变了流速，但由于水深较深，底床泥沙较难悬浮，因此冲淤调整不如预期明显。

图7 工程前附近海域(a)两年末的地形(b)两年累计冲淤

图8 工程后附近海域(a)两年末的地形(b)两年累计冲淤

图9 工程前后两年冲淤差异

4 结语

针对南通港通州湾港区三港池1#~3#码头工程建设后对区域流场和冲淤产生的影响，本文构建了通州湾潮流泥沙数学模型，通过2023~2024年周边海域实测水文泥沙数据验证模型精度，考虑工程前后两种工况并分别进行两年模拟，研究工程建设对工程区附近海域流场和底床冲淤的影响，得到的主要结论如下：

1）所建立的潮流泥沙数学模型与实测潮位、流速流向和悬沙浓度数据的验证结果良好，准确刻画了研究区域的潮流和泥沙特征，验证精度满足相关规范要求，能够进一步用于研究区域的模拟研究。

2）工程前的引堤已改变岸线的平顺性，对主潮流的影响不显著，但对引堤周边的潮滩和细小潮沟中的涨落潮流有一定影响。冲刷主要集中在堤顶和引堤的折角处，其中堤顶位置的两年冲刷量可达1.45m。

3）工程后，引堤向海方向延伸，对流场的影响更加显著。在涨急时，深槽的流速明显增加，堤顶位置的最大流速超过2m/s，流向发生剧烈转变；在落急时，引堤南侧出现高流速水域，流向紧贴引堤向东流动。

4）工程后的流场变化导致了冲淤趋势的改变。NNE方向引堤与东西向引堤交接段南侧潮滩发生了显著冲刷，两年冲刷量达到2.13m；堤顶位置及其附近大型潮沟的冲刷加剧，相比于工程前，两年冲刷量增加了约0.9m。

5）工程建设对局部水动力的影响显著，而冲淤的影响范围较大，但影响程度相对较小。这可能是由于新引堤深入海域，水深较大，使得流速增加对底床泥沙的悬浮影响有限，因此对局部冲淤的影响不明显。

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