CN111611641B - 一种考虑余流的港口建设方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑余流的港口建设方法：步骤1，确定港区数学模型范围并对港区数学模型进行网格剖分；步骤2，对港区余流特征进行分析，获得各个测点的余流流速和余流方向；步骤3，确定港区数学模型的潮位开边界；步骤4，确定港区数学模型的余流水位边界；步骤5，在潮位开边界上叠加余流水位边界，以获得港区数学模型的最终开边界；步骤6，根据港口规划确认最终网格剖分，根据最终开边界和最终网格剖分进行模拟计算，根据所模拟计算的结果来进行港口设计。本发明港口建设时充分考虑余流影响，并且，港区水流模拟真实水流，模拟结果精确可靠，为港口建设提供准确指导。

Description

一种考虑余流的港口建设方法
技术领域
本发明涉及港口建设，特别涉及一种考虑余流的港口建设方法。
背景技术
粤西海域北面和西面分别为广东省、雷州半岛和海南岛所环抱(图1)，海床地形自西及北向东南急剧倾斜。沿岸有多条河流入海，其中以珠江径流量最大，其多年平均径流总量为3360亿m3。
早期人们对粤西沿岸流定性地认为，其随季节转换，冬季流向西，夏季流向东，如图2和图3所示。近20年来，随着观测和研究成果的增多，人们对粤西沿岸流有了新的认识，即粤西海域近岸带常年存在一股流向西南的沿岸流，平均流速夏半年约0.2m/s，冬半年约0.25m/s。其范围由珠江口向西至湛江湾沿岸，外海基本在-50m等深线以内区域。
冬季，珠江等河流进入枯水期，入海径流有所减少，在东北季风压迫作用下，近岸和外海水体均向西南方向运移，由于风力作用冬季沿岸流流速略大于夏季。对于粤西沿岸流的驱动机制，学者对夏季的流动有较多探讨，然而认识并未完全统一。伍佰瑜等人认为珠江径流受地转科氏力作用以及夏初多东南及东风影响，是粤西沿岸西向流的成因；严金辉和陈达森等人持相似观点，认为粤西西向沿岸流是浮力和季风驱动，夏季径流造成沿岸堆积低密度海水，由于地转效应流向西，同时，夏季粤西沿岸出现频率最高的是东南风，加强了西向流；杨仕英等人则认为夏季粤西海域仍是西南季风，陆架上升流引起海水温盐变化和夏季降雨增多，陆地径流输入引起海面升高这两种机制造成的海洋斜压与正压效应才是控制粤西沿岸流的主要因子；也有少数研究人员认为，气旋式环流是夏季粤西沿岸流向西的主要原因。由此可以看出，尽管前人对粤西沿岸流终年向西有了统一的定性认识，但关于粤西沿岸流的强度以及夏季粤西沿岸流的形成机制尚无明确定论。
对港口建设而言，近岸水流运动规律对其设计有重要的影响。例如，航道走向应尽量与水流主流向平行以减少船舶在航道内航行时的横流来规避通航风险；港内停泊水域水流流速大小和水流流向会直接影响船舶靠泊时的安全程度；另外，港池和航道内水流流态也将影响水体内泥沙的落淤情况，淤积量过多的海域将增加港口运营期的疏浚和维护成本。
数值模拟是目前近岸海域水流运动研究的重要手段。在以往港口建设工程中，一般仅考虑天文潮流的作用(沿岸流较小或没有)。而粤西海域较为特殊，该海域沿岸流较大而潮差较小平均仅有1.6m，因此潮流流速和粤西沿岸流流速达到了同一量级。因此，在粤西海域建设港口等工程时，则必须要考虑粤西沿岸流的影响。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种考虑余流的港口建设方法，本发明港口建设时充分考虑余流影响，并且，港区水流模拟真实水流，模拟结果精确可靠，为港口建设提供准确指导。
本发明所采用的技术方案是：一种考虑余流的港口建设方法，包括以下步骤：
步骤1，确定港区数学模型范围并对港区数学模型进行网格剖分；
步骤2，对港区余流特征进行分析，获得各个测点的余流流速和余流方向；
步骤3，确定港区数学模型的潮位开边界；
步骤4，确定港区数学模型的余流水位边界；
步骤5，在潮位开边界上叠加余流水位边界，以获得港区数学模型的最终开边界；
步骤6，根据港口规划在步骤1网格剖分的基础上增加对港口规划内的航道和港内水域的网格剖分，并根据港口规划设置航道底高程和港内水域底高程，获得最终网格剖分，根据最终开边界和最终网格剖分进行模拟计算，根据所模拟计算的结果来进行港口设计。
进一步地，步骤1中，所述的网格剖分采用无结构三角形网格对计算域进行剖分。
进一步地，步骤3中，所述的确定潮位开边界具体包括：
确定模拟时间；
采用中国海潮汐预报软件提取模拟时间内外海开边界所有节点位置潮位过程；
验证潮位过程：将步骤1网格剖分后获得的网格文件和中国海潮汐预报软件提取的潮位过程输入MIKE21/FW模块进行模拟计算，得到整个网格区域模拟时间内的潮位、流速流向结果，将模拟计算得到的结果与实测潮位过程进行比对。
进一步地，所述的确定余流水位边界包括：
余流水位边界预设：根据步骤2获得的余流方向确定各边界各节点的水位值：所述港区数学模型包括三条边界，设余流方向由X方向指向Y方向，则，X边界的外海节点的水位值为0，X边界的近岸节点为设定水位值，X边界的其它节点采用线性插值给定水位值；Y边界各节点的水位值均为0；第三条边界各节点的水位值均为0；
将步骤1网格剖分后获得的网格文件和预设的余流水位边界输入MIKE21/FW模块进行模拟计算，并采用步骤2获得的各个测点的余流流速和余流方向进行验证，从而调整X边界的近岸节点的设定水位值，直至模拟计算的结果与实测结果相匹配。
进一步地，步骤5为将每个节点位置的潮位值和水位值相加。
进一步地，步骤6中，所述的模拟计算的结果包括：规划港口实施后典型时刻流场图、规划港口实施后港区局部逐时流场图、规划港口实施后航道位置特征点椭圆图并对最大横流进行统计、规划港口实施后与实施前相比全潮平均流速差等值线。
进一步地，步骤6中，所述的港口设计为港口位置的确定、航道设计、以及港内水域设计。
本发明的有益效果是：本发明针对近岸拟建港口水域建立了一种考虑典型余流及潮流共同影响的港口建设方法。该方法不但模拟范围足够大，还将余流拓展为平面二维模式。既能模拟拟建港区对周边工程的影响程度，还能真实有限的揭示港区建成后的水流流态、横流大小等水流特征，并在实践中进行了证明，为今后典型余流条件下港区建设奠定了基础。
附图说明
图1：粤西地理位置示意图；
图2：南海北部1月表层海流示意图(据王文介，1991)；
图3：南海北部7月表层海流示意图(据王文介，1991)；
图4：本发明一种考虑余流的港口建设方法流程图；
图5：本发明实施例1中的港区数学模型的计算范围示意图；
图6a：本发明实施例1中的计算网格示意图
图6b：本发明实施例1中的计算域地形示意图
图7：本发明实施例1中的工程海域大潮潮流流速矢量图；
图8：本发明实施例1中的各站余流流速及流向统计；
图9：本发明实施例1中的节点位置示意图；
图10：本发明实施例1中的边界节点48位置潮位过程示意图；
图11：本发明实施例1中的H1测站潮位过程验证示意图；
图12：本发明实施例1中的各节点水位值给定示意图；
图13：本发明实施例1中的莲头岭(H1)潮位站和沙扒(H2)潮位站潮位过程示意图；
图14：本发明实施例1中的余流验证示意图；
图15-1a：本发明实施例1中的1#测站位置的流速模拟结果和实测流速对比图；
图15-1b：本发明实施例1中的1#测站位置的流向模拟结果和实测流向对比图；
图15-2a：本发明实施例1中的2#测站位置的流速模拟结果和实测流速对比图；
图15-2b：本发明实施例1中的2#测站位置的流向模拟结果和实测流向对比图；
图15-3a：本发明实施例1中的3#测站位置的流速模拟结果和实测流速对比图；
图15-3b：本发明实施例1中的3#测站位置的流向模拟结果和实测流向对比图；
图15-4a：本发明实施例1中的4#测站位置的流速模拟结果和实测流速对比图；
图15-4b：本发明实施例1中的4#测站位置的流向模拟结果和实测流向对比图；
图15-5a：本发明实施例1中的5#测站位置的流速模拟结果和实测流速对比图；
图15-5b：本发明实施例1中的5#测站位置的流向模拟结果和实测流向对比图；
图15-6a：本发明实施例1中的6#测站位置的流速模拟结果和实测流速对比图；
图15-6b：本发明实施例1中的6#测站位置的流向模拟结果和实测流向对比图；
图15-7a：本发明实施例1中的7#测站位置的流速模拟结果和实测流速对比图；
图15-7b：本发明实施例1中的7#测站位置的流向模拟结果和实测流向对比图；
图15-8a：本发明实施例1中的8#测站位置的流速模拟结果和实测流速对比图；
图15-8b：本发明实施例1中的8#测站位置的流向模拟结果和实测流向对比图；
图15-9a：本发明实施例1中的9#测站位置的流速模拟结果和实测流速对比图；
图15-9b：本发明实施例1中的9#测站位置的流向模拟结果和实测流向对比图；
图16：本发明实施例1中的港口规划示意图；
图17a：本发明实施例1中大范围典型时刻流场图；
图17b：本发明实施例1中中范围典型时刻流场图；
图18a：本发明实施例1中小范围典型时刻流场图；
图18b：本发明实施例1中小范围典型时刻流场图；
图18c：本发明实施例1中小范围典型时刻流场图；
图18d：本发明实施例1中小范围典型时刻流场图；
图18e：本发明实施例1中小范围典型时刻流场图；
图18f：本发明实施例1中小范围典型时刻流场图；
图18g：本发明实施例1中小范围典型时刻流场图；
图18h：本发明实施例1中小范围典型时刻流场图；
图18i：本发明实施例1中小范围典型时刻流场图；
图19：本发明实施例1中的航道内大潮流速矢量图；
图20：本发明实施例1中的方案前后全潮平均流速差值等值线。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图4所示，一种考虑余流的港口建设方法，包括以下步骤：
步骤1，确定港区数学模型范围并对港区数学模型进行网格剖分，其中，港区数学模型范围应尽量覆盖余流影响范围，网格剖分采用无结构三角形网格对计算域进行剖分。
步骤2，对港区余流特征进行分析，获得各个测点的余流流速和余流方向。
步骤3，确定港区数学模型的潮位开边界，包括：
确定模拟时间；
采用中国海潮汐预报软件(Chinatide)提取模拟时间内外海开边界所有节点位置潮位过程；
验证潮位过程：将步骤1网格剖分后获得的网格文件和中国海潮汐预报软件提取的潮位过程输入MIKE21/FW模块进行模拟计算，得到整个网格区域模拟时间内的潮位、流速流向结果，将模拟计算得到的结果与实测潮位过程进行比对。
步骤4，确定港区数学模型的余流水位边界，包括：
余流水位边界预设：根据步骤2获得的余流方向确定各边界各节点的水位值：所述港区数学模型包括三条边界，设余流方向由X方向指向Y方向，则，X边界的外海节点的水位值为0，X边界的近岸节点为设定水位值，X边界的其它节点采用线性插值给定水位值；Y边界各节点的水位值均为0；第三条边界各节点的水位值均为0；
将步骤1网格剖分后获得的网格文件和预设的余流水位边界输入MIKE21/FW模块进行模拟计算，并采用步骤2获得的各个测点的余流流速和余流方向进行验证，从而调整X边界的近岸节点的设定水位值，直至模拟计算的结果与实测结果相匹配。
步骤5，在潮位开边界上叠加余流水位边界，即，将每个节点位置的潮位值和水位值相加，以获得港区数学模型的最终开边界。
步骤6，根据港口规划在步骤1网格剖分的基础上增加对港口规划内的航道和港内水域的网格剖分，并根据港口规划设置航道底高程和港内水域底高程，获得最终网格剖分，根据最终开边界和最终网格剖分进行模拟计算，根据所模拟计算的结果来进行港口设计。
其中，模拟计算的结果包括：规划港口实施后典型时刻流场图、规划港口实施后港区局部逐时流场图、规划港口实施后航道位置特征点椭圆图并对最大横流进行统计、规划港口实施后与实施前相比全潮平均流速差等值线。港口设计为港口位置的确定、航道设计、以及港内水域设计。
实施例1
本发明以位于粤西茂名海域的拟建港区(茂名市电白县，即粤西近岸)为例，进一步说明本发明考虑余流的港口建设方法。其中，在粤西地区，余流近似等于粤西沿岸流。
1.港区数学模型的范围选择
首先进行港区数学模型范围的确定。为了规避外海开边界传入误差和模拟拟建港口航道工程实施后对周边工程海域的影响，模型范围应尽量大一些。
本实施例中，东边界至海陵岛，西边界至湛江。需要特别注意的是，粤西沿岸流影响范围南侧基本在-50m等深线附近水域，所以港区数学模型的南边界主要位于-50m等深线附近。图5显示了港区数学模型的计算范围。
2.网格剖分
为拟合复杂岸线和港口航道等细致建筑物，应用SMS软件采用无结构三角形网格对计算域进行剖分。其中岸线来自最新遥感卫片，海床水深采用海图和实测水深数据。
本实施例中，用于最终计算的模型共18073个网格节点，35004个三角形单元，网格最大边长6960.2m，最小边长10m，能够保证充足的网格分辨率。图6a显示了三角形网格示意图。
3.余流特征分析
针对工程海域实测水文资料进行余流特征值分析。
本实施例中，2011年5月19日～20日9条垂线大潮水文观测期间水流矢量图见图7。由此可见，工程附近海域水流明显受粤西沿岸流的影响而呈偏西向的单向流。近岸1#～3#测站受岸线遮蔽，其受粤西沿岸流影响小于4#～9#测站。
余流是指海流中除天文引潮力作用所引起的潮流以外的海流，粤西地区余流近似等于粤西沿岸流。2011年5月19日～20日大潮水文观测期间各测站的垂线平均余流如图8和表1。由此可见，本海区余流明显受粤西沿岸流的影响，余流流向均指向偏西方向。
表1各站余流流速及流向统计
Figure BDA0002501811970000081
4.潮位开边界确定
(1)模拟时间的确定
工程区附近海域大潮测量时间为：2011年5月19日10:00～2011年5月20日15:00。为规避前期模型不稳定造成的误差，模拟时间取为2011年5月19日1:00～2011年5月20日15:00。
(2)外海开边界节点位置的潮位过程提取
采用中国海潮汐预报软件(Chinatide)进行外海开边界所有节点位置潮位过程提取，提取时间为模拟时间，即2011年5月19日10:00～2011年5月20日15:00。
本实施例中，外海开边界共67个节点。其中西边界为节点1～节点24；南边界为节点24～节点48；东边界为节点48～节点67(图9)。其中，节点48提取的潮位过程参见图10。
(3)潮位过程验证
进行潮流数值模拟计算，并通过实测潮位数据对外海潮位边界进行调试。
计算软件选择丹麦水工所开发的MIKE21/FW模块。将网格文件和从Chinatide提取的潮位边界文件提供给该软件，进行模拟计算从而得到整个网格区域模拟时间内的潮位、流速流向结果。
将H1潮位测站位置模拟的潮位结果和2011年5月19日～20日实测潮位过程进行比对，并针对外海开边界进行调整直至验证良好。图11给出了潮位过程验证情况。
5.粤西沿岸流水位边界确定
粤西沿岸流模拟中，需要在开边界67个节点处给出水位过程值。考虑到粤西沿岸流方向为由东至西，所以，节点位置给定水位值参见图12所示。西边界和南边界(节点1～节点48)水位值始终设为0；东边界近岸节点67给出定值(可多次调试)，外海节点48设为0(-50m等深线处不受粤西沿岸流得影响)，后线性插值。
图13给出了大潮水文测验期间内工程区西侧莲头岭(H1)和东侧沙扒(H2)潮位站的潮位过程，可见东侧沙扒潮位站普遍比西侧莲头岭潮位站水位值偏高，平均偏高约0.25m，因此，东边界近岸初始水位值先设置为0.25m。
同样采用MIKE21/FW软件进行计算，将网格文件和水位边界文件提供给模型。然后采用表1中数据进行验证并不断调整节点67的水位值，直至验证良好(图14)。
6.最终开边界确定
将前面潮位边界(第四步)和水位边界(第五步)叠加，即每个节点位置的潮位值和水位值相加，得到最终开边界。
将网格文件和最终开边界文件提供给MIKE21/FW软件后进行模拟。1#～9#测站位置的流速流向模拟结果和实测流速流向进行对比。对比曲线参见图15-1a至图15-9b，可见最终开边界条件下测点流速流向验证情况良好，可应用于下一步考虑港口航道的模拟中。
7.考虑粤西沿岸流的港口建设
(1)港口规划介绍
规划港口参见图16。
共建设3个2万吨级散货船﹑1个5万吨级散货船和2个10万吨级散货船。
其中西一港池和西二港池底高程-10.3m；东一港池～东四港池底高程为-13.2m。
西港池进港航道宽120m，底高程-10.3m，航道走向178°～358°；东港池进港航道宽280m，底高程-15.0m，航道走向178°～358°。
(2)网格剖分
在上述网格基础上将港区部分岸线剖分出来，并将航道和港内水域设置成相应底高程。
(3)考虑粤西沿岸流的港口建设
将最终开边界和新剖分好的网格提供给MIKE21/FW软件，进行模拟计算。
图17a和17b给出了规划港区实施后大范围典型时刻流场图。图18a至图18i给出了规划港区实施后港区局部逐时流场图。
1)该海域潮流受粤西沿岸流的影响，西向流历时明显大于东向流(只在高高潮到低低潮时会出现几个小时的东向流)。
2)潮流在近岸运动主要受岸线和地形变化的影响，岬角水域存在明显的挑流，岬角间海湾内则多为弱流区。
3)该海区潮流总体分布具有外海及岬角水域流速较高，近岸及湾内水域流速较低的特点。工程海域大潮全潮平均流速约介于0.15m/s～0.40m/s之间，最大流速约介于0.20m/s～0.60m/s之间，水流流速不大。北额领北侧岬角和鸡打港口门附近由于挑流作用明显，流速相对较大，大潮全潮平均流速最大在0.6m/s左右，局部最大流速可达1.35m/s。
4)从环流数量角度考虑：方案实施后，东、西港池口门附近最多覆盖2个环流。
从最大环流角度考虑：口门附近，西港池最大环流流速约为0.35m/s，东港池最大环流流速约为0.50m/s。从环流历时角度考虑：最终方案港池口门附近环流历时均较长，基本持续了全潮。
图19给出了方案实施后航道位置特征点椭圆图，同时对最大横流进行了统计：
1)从最大横流分布角度分析：最终方案西港池最大横流0.58m/s，东港池最大横流0.59m/s，均位于口门南侧附近。
2)从横流历时角度分析：在2011年5月大潮30h过程中，最终方案西港池开挖段进港航道横流流速超过1节最大历时为3小时，最终方案东港池开挖段进港航道横流流速超过1节最大历时为1小时。
图20显示了方案实施后与实施前相比全潮平均流速差等值线，也就是方案实施后对周围海域的影响范围。总体上看，方案实施后仅工程附近区域水动力有所改变，东西两侧及港内水域水流流速呈减小趋势；南侧受围垦岸线挑流则呈增加趋势。
上述实施例虽以粤西地区为例，对本发明方法做了进一步说明，但是，针对其它某些地区，通过对该区域的余流分析，适当修改余流水位边界，则，本发明方法同样适用于该地区考虑余流下的港口建设。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种考虑余流的港口建设方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定港区数学模型范围并对港区数学模型进行网格剖分；
步骤2，对港区余流特征进行分析，获得各个测点的余流流速和余流方向；
步骤3，确定港区数学模型的潮位开边界；
步骤4，确定港区数学模型的余流水位边界；
步骤5，在潮位开边界上叠加余流水位边界，以获得港区数学模型的最终开边界；
步骤6，根据港口规划在步骤1网格剖分的基础上增加对港口规划内的航道和港内水域的网格剖分，并根据港口规划设置航道底高程和港内水域底高程，获得最终网格剖分，根据最终开边界和最终网格剖分进行模拟计算，根据所模拟计算的结果来进行港口设计。
2.根据权利要求1所述的一种考虑余流的港口建设方法，其特征在于，步骤1中，所述的网格剖分采用无结构三角形网格对计算域进行剖分。
3.根据权利要求1所述的一种考虑余流的港口建设方法，其特征在于，步骤3中，所述的确定潮位开边界具体包括：
确定模拟时间；
采用中国海潮汐预报软件提取模拟时间内外海开边界所有节点位置潮位过程；
验证潮位过程：将步骤1网格剖分后获得的网格文件和中国海潮汐预报软件提取的潮位过程输入MIKE21/FW模块进行模拟计算，得到整个网格区域模拟时间内的潮位、流速流向结果，将模拟计算得到的结果与实测潮位过程进行比对。
4.根据权利要求1所述的一种考虑余流的港口建设方法，其特征在于，所述的确定余流水位边界包括：
余流水位边界预设：根据步骤2获得的余流方向确定各边界各节点的水位值：所述港区数学模型包括三条边界，设余流方向由X方向指向Y方向，则，X边界的外海节点的水位值为0，X边界的近岸节点为设定水位值，X边界的其它节点采用线性插值给定水位值；Y边界各节点的水位值均为0；第三条边界各节点的水位值均为0；
将步骤1网格剖分后获得的网格文件和预设的余流水位边界输入MIKE21/FW模块进行模拟计算，并采用步骤2获得的各个测点的余流流速和余流方向进行验证，从而调整X边界的近岸节点的设定水位值，直至模拟计算的结果与实测结果相匹配。
5.根据权利要求1所述的一种考虑余流的港口建设方法，其特征在于，步骤5为将每个节点位置的潮位值和水位值相加。
6.根据权利要求1所述的一种考虑余流的港口建设方法，其特征在于，步骤6中，所述的模拟计算的结果包括：规划港口实施后典型时刻流场图、规划港口实施后港区局部逐时流场图、规划港口实施后航道位置特征点椭圆图并对最大横流进行统计、规划港口实施后与实施前相比全潮平均流速差等值线。
7.根据权利要求1所述的一种考虑余流的港口建设方法，其特征在于，步骤6中，所述的港口设计为港口位置的确定、航道设计、以及港内水域设计。
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