大连新港潮流场整治模型试验研究

徐华，夏云峰，吴道文，王晓航，闻云呈

（南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029）

0 引言

大连新港位于北黄海内，地处丹东与渤海口之间，见图1。拟建新30万吨级进口原油码头位于大孤山半岛，处在大窑湾与大连湾之间的矶头岬角海岸过渡区域。工程区深水近岸，岸线曲折，潮流动力较强，流态复杂，特别是2006年沙坨子围垦后，工程区域流场已发生一定的变化。为了合理布置新30万吨级原油码头，改善老30万吨级码头前沿流场，同时为规划建设LNG、矿石二期、燃供泊位以及工作船泊位码头布置提供相关水动力条件等，需要通过物理模型试验研究工程区水动力条件、比选改善工程区域流场的工程措施。

图1 大连新港区位图

1 工程海域自然条件

海域潮汐为不规则半日潮。根据多年实测资料统计，本海区主要潮位特征值如图2所示。

图2 工程海域潮位特征值

本海域涨、落急一般出现在高、低潮前1 h左右，转流时刻发生在中潮位附近，表现为前进潮波特性[1]。外海涨落潮历时基本相当，近岸受地形边界影响，涨落潮期间有回流存在，落潮历时大于涨潮历时。研究海域外海的涨落潮流方向基本与岸线平行，涨潮流为西南向，落潮流为东北向，呈明显的往复流性质，见图3。由图3可见，近岸区域落潮动力稍大于涨潮动力，而外海涨潮动力明显强于落潮动力。

图3 2008年5月大潮潮流矢量图

工程海域水深分布见图4。拟建工程海域深水近岸，水深条件良好，具备建设大型码头的水深条件；沙坨子围垦成陆后，形成突出于海中的矶头，工程区涨落潮期间受边界条件影响，有回流存在，码头前沿存在横流，如不辅以一定的工程措施改善流态，势必影响码头的正常运营。

图4 工程海域水深分布图

2 物理模型设计与验证

综合考虑模型设计要求[2]、试验场地条件、整治工程布置及其影响范围等因素，确定模型水平比尺为450，垂直比尺为120。另外，大窑湾、小窑湾距工程区较近，考虑到其纳潮量对工程区水动力有一定的影响，因此模型范围包括大窑湾、小窑湾。

模型工程区附近海床地形采用近期实测1∶3 000地形图进行制作，其余部分根据海图资料进行补充。模型采用6台双向泵多通道控制进出流量，模拟天然涨落潮过程。

模型采用的测控系统是由工控计算机、485通讯设备、生潮设备、流速、水位采集等设备组成。首先将双向泵流量过程输入计算机，通过变频器控制双向泵正反转运行，产生潮汐过程，复演天然的潮汐现象。水位测量采用光栅自动跟踪水位仪，分辨率为0.01mm，测量误差约为±0.1 mm。模型水下流速采用光电式小旋桨流速仪测量。表面流场采用流场实时测量系统（VDMS）测量。

模型验证包括系统重复性验证、潮位验证和水动力验证。重复性验证结果见图5，可见模型从第2个循环开始基本趋于稳定，重复循环生潮精度基本满足试验规程的要求，因此模型试验取第2个循环以后的测量成果。潮位及水动力验证试验采用沙坨子围垦前2004年7月大、小潮和沙坨子围垦后2007年1月、9月以及2008年5月大、小潮，共计8组水文测验资料对模型进行了验证[3-6]，验证结果见图6，可见模型相似性较好。

图5 模型控制系统重复性验证

图6 模型潮位及水动力验证

3 工程方案简介

流场整治工程方案由沙坨子北侧导流堤和南侧近岸围填岸线调整工程两部分组成。其中，北侧导流堤的功能主要是为了归顺拟建新30万吨级油码头前沿附近涨落潮水流流向，兼顾为鲶鱼湾港区泊位码头提供防浪掩护作用，试验研究过程中对其长度进行了多方案比选分析，最终推荐长度采用150m。南侧围填工程也进行了多个围填方案试验研究，为了说明岸线调整工程边界条件对工程区流场的影响，给出了其中两个围填方案的流场整治效果。围填方案1的平顺段基本沿着-8m等高线布置，围填方案2的平顺段基本沿着-13m等高线布置，方案2围填范围大于方案1。见图7。

图7 潮流场整治工程方案布置

4 试验成果分析

4.1 沙坨子围填前后工程区流场变化

由于工程区处于大孤山矶头岬角海岸，涨落潮期间工程区有回流存在。沙坨子围垦后，其又形成凸出于海中的小矶头，受局部地形影响，涨落潮期间均有回流存在，且回流区位置、范围、强度等随时间不断变化，工程区局部流场变得尤为复杂[7-8]。模型试验结果表明，涨潮憩流时刻，工程区附近存在大范围回流，且强度最大，此时原30万吨级码头前沿横流最强，其最大横流变化见表1（测点布置见图7），沙坨子围填前后涨潮憩流时刻流场见图8。可见受沙坨子围垦边界条件的影响，回流流向与码头前沿夹角、强度均有所增大，1号测点横流由围垦前的0.26m/s增大到围垦后的0.41m/s，增幅达57%，2号测点横流由围垦前的0.23m/s增大到围垦后的0.35m/s，增幅约52%，3号测点横流略有减小。表明沙坨子围垦工程实施后，已建30万吨级码头前沿横流增大明显，对码头的正常运行已带来了一定的不利影响，迫切需要开展流场整治工作，归顺流场，减小横流，以利于船舶靠泊、停泊和离泊。

表1 沙坨子围垦工程前后已建30万吨级码头前沿最大横流变化 m·s-1

图8 沙坨子涨憩流场

4.2 流场整治工程实施前后工程区流场变化

围填方案1、方案2实施后工程区涨憩流场见图9，试验研究结果表明，受大孤山矶头岬角大范围地形影响，涨憩时大范围回流一直存在，只能通过工程措施调整回流区的位置，减小码头前沿横流。通过图9比较发现，受近岸回填范围大小影响，与围填方案1相比，围填方案2实施后回流区位置向外海移动，已建30万吨级码头处于回流区边缘，拟建30万吨级码头处于回流区外；围填方案2实施后，落急时已建和拟建30万吨级码头前沿落潮水流均较为平顺，见图10。

图9 围填方案实施后涨憩流场

已建和拟建30万吨级码头前沿最大横流变化见表2。由表2可见，沙坨子围垦后已建30万吨级码头前沿横流为0.28～0.41m/s；而围填方案1实施后横流减小至0.19～0.35m/s；围填方案2实施后横流减小至0.18～0.31m/s，略小于沙坨子围垦前的0.23～0.31m/s。围填方案2实施后，拟建30万吨级码头前沿横流有所减小，约0.11m/s。

分析得知，对于矶头岬角海岸来说，涨落潮期间有回流存在，流场比较复杂，围垦工程实施后引起局部岸线发生变化，进而可能引起周边流场变得更加复杂，对已建涉水工程正常运行带来一定的不利影响。对于该类海岸流场整治，岸线边界条件变化对流场影响显著，所以整治工程应以归顺岸线工程措施为主，辅以其他相关工程，通过模型试验研究科学论证工程方案的选取。

图10 围填方案2实施后落急流场

表2 沙坨子围垦工程前后已建和拟建30万吨级码头前沿最大横流变化 m·s-1

5 结语

大连新港位于大孤山半岛矶头海岸，2006年沙坨子围垦后港区局部潮流场发生了一定的变化。为合理布置拟建新30万吨级原油码头，通过潮流物理模型试验研究了大连新港潮流场整治工程方案。研究结果表明，局部岸线调整对工程区流场影响明显，围填方案2整治效果优于方案1，围填方案2实施后，已建30万吨级原油码头前沿横流减小至沙坨子围垦前，拟建30万吨级码头前沿横流较小，落急流场也较为平顺。建议该类海岸流场整治工程应以归顺岸线工程为主，辅以其他相关工程。

[1] 严恺，梁其荀.海岸工程[M].北京：海洋出版社，2002：20-60.

[2] 李昌华，金德春.河工模型试验[M].北京：人民交通出版社，1981：25-77.

[3] 大连港新30万吨级原油码头工程海流观测报告（9月）[R].国家海洋环境监测中心，国家海洋局海洋环境保护研究所，大连海洋工程勘察设计和环境保护开发中心，2005.

[4] 大连港新30万吨级原油码头工程海流观测报告（1月）[R].国家海洋环境监测中心，国家海洋局大连海洋工程勘察设计和环境保护开发中心，2007.

[5] 大连港新30万吨级原油码头工程海流观测报告（10月）[R].国家海洋环境监测中心，国家海洋局大连海洋工程勘察设计和环境保护开发中心，2007.

[6] 中国石油大连液化天然气项目码头工程海流潮位观测报告[R].国家海洋环境监测中心，国家海洋局大连海洋工程勘察设计和环境保护开发中心，2008.

[7] 张金善，孔俊，章卫胜.大连港新30万吨级原油码头工程平面二维潮流运动数值计算报告[R].南京：南京水利科学研究院，2008.

[8] 徐华，夏云峰.大连新港新30万吨级原油码头工程潮流物理模型试验研究报告[R].南京：南京水利科学研究院，2009.