港口泥沙计算实例

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1、DHI MIKE 21 Course 7 1MIKE 21 ST FM 沙模型应用实例 1 THYBOR NTHYBOR N 港口港口 波浪扰动和泥沙淤积研究波浪扰动和泥沙淤积研究 Sanne L Niemann11 sln Peter Sloth1 prs J rgen Buhl2 jb thyboronport dk Rolf Deigaard1 rd and Ida Br ker1 ibh Thybor n 港口是丹麦最繁忙的渔港之一 该港口近年来经常遭受高波浪和泥沙淤 积的影响 造成这些现象的原因尚不清楚 所以对此开展了广泛的研究 目的是找出 原因和可行的解决方法 本文将介绍该方法及其

2、结果 关键字 关键字 潮汐汊道 泥沙输运模型 波浪扰动 波浪模型 1背景介绍背景介绍 Thybor n 港口位于 Thybor n 航道上 Thybor n 航道是由北海通向 Limfjord 的入 口 那里包含了所有穿越日德兰半岛到东海岸的汊道 见图 1 航道中的水流受潮汐作 用 进出内陆峡湾系统的水流主要受气象条件驱动 该港口在入口通道的西侧 南部 沙洲的近岸区域 所以它被认为得到了很好的保护 免受来自北海的西向波浪的作用 该地理位置对于港口的发展十分重要 使其成为丹麦最繁忙的渔港之一 并成为丹麦 北海岸第三大吨位商业港口 随着船只规模和港口吞吐量的增加 加强了对航道水深 和波浪干扰等问题

3、的重视 图图 1Thybor n 港口的位置港口的位置 该地区的自然条件十分活跃 1862 年的一场严重的大风破坏了沙洲 并形成了目 前 Limfjord 到北海的出口 在这之后 大量的泥沙通过航道输运至峡湾并落淤在浅滩 1DHI Agern All 5 DK 2970 Horsholm Denmark 2 Thybor n Havn Tankskibsvej 4 DK 7680 Thybor n Denmark DHI MIKE 21 Course 7 2MIKE 21 ST FM 沙模型应用实例 1 上 航道成为海岸泥沙的主要沉积地 而且航道北侧和南侧的沙洲发生严重的海岸侵 蚀 侵蚀速率为

4、 20m yr 海岸线后退距离最远约为 1500m 为了稳定海岸保护 Thybor n 城镇 1870 年开始计划修建丁坝群和防波堤 于 1914 年进行开工建设 实 际上丁坝群对维护海岸线起到了一定作用 但由于丁坝末端以外的海岸线轮廓变陡 担心强风暴会对海岸造成强烈的冲刷 S rensen 等 1996 Jacobsen 等 1998 所以在 1940 年 决定关闭航道并修建闸门和船闸 随后由 Lundgren 教授倡议 对该区域进行 了广泛的技术考察 见 Per Bruun1954 年博士论文 得出结论 在不关闭航道的情况 下 该水域的条件基本可以满足使用要求 之后的监测和防护工作由丹麦海

5、岸管理局 执行 海岸变陡的速率持续减缓 可通过提供 750 000m3 yr 的泥沙补给来维持海岸线 图图 2破坏前海岸线的位置和目前的防护工程破坏前海岸线的位置和目前的防护工程 2现状现状 近年来 港口不断受到波浪干扰和维持通航水深在 8m 等问题的影响 波浪扰动 的增加导致港口外的航运条件更差 同时导致港口南侧的防波堤出现越浪现象 见图 3 在港内 波高的增加多次导致停泊处的破坏 这些条件不仅限于近岸的极端波浪条 件 还包括西北向的中等波浪条件 泥沙淤积发生在港口外的航道附近 导致通航水深低于规定的 8m 尤其是在水位 较低和恶劣的天气条件下 会引起船只触底 作为补救措施 在位于港口口门南

6、侧的直立板桩防波堤前修建堆石斜坡堤 这些 措施虽消除了对港口结构的直接威胁 但并没有解决港口航行和停泊的不利条件等问 DHI MIKE 21 Course 7 3MIKE 21 ST FM 沙模型应用实例 1 题 图图 3港口口门南侧防波堤上严重的越浪 上图 和港池内的波浪干扰港口口门南侧防波堤上严重的越浪 上图 和港池内的波浪干扰 于是研究引起港口不利条件的原因 并探讨可能的解决方案 为什么波浪条件会 改变 能找到补救措施吗 泥沙在港口前淤积的原因是什么 这项研究的主要内容是 1 用现有的数据进行分析 探讨在外力作用下的尤其是 近岸的波浪条件下 水下地貌演变和历史变化 2 通过率定过的波浪模

7、型研究 Thybor n 航道的波浪条件并探讨改善措施 3 通过率定过的水流模型和泥沙输运模型 来展示主要输运方式和港口口门前的泥沙淤积过程 目前的研究 如 Br ker 等 1996 和 Kystdirektoratet 1999 表明 从海岸到潮 汐通道的沿岸输沙仍然存在 其中来自南部的沿岸输沙率为 150 400 000m3 yr 北部的 沿岸输沙率为 0 100 000 m3 yr 见图 4 丁坝群减少了泥沙沿岸输运 并将海岸侵蚀速 率降低到 2m yr 通过岸滩补沙来平衡海岸侵蚀和维持海岸线 泥沙通过 Thybor n 航 道输运 落淤在峡湾外侧的浅滩上 淤积速度大约 500 000

8、 m3 yr 同时使得峡湾的海 床高程升高 并加速其发展 DHI MIKE 21 Course 7 4MIKE 21 ST FM 沙模型应用实例 1 图图 4左 近岸波浪条件的波浪玫瑰图 右 泥沙总量的概算 左 近岸波浪条件的波浪玫瑰图 右 泥沙总量的概算 港口口门前方的出入口处用红色椭圆标记 港口口门前方的出入口处用红色椭圆标记 3航道的地貌演变航道的地貌演变 3 1长期的地貌演变长期的地貌演变 丹麦海岸管理局每 5 年对航道和潮汐通道近岸区域进行一次详细的勘察 历史地 形和对水流泥沙输运的模拟为分析航道在过去一二十年的地貌演变奠定了基础 航道外部的北海口门处的水深相对较浅 约为 7 10m

9、 见图 5 在航道出口处有一 个浅滩 由此形成了两条引航道 一条在浅滩的北侧 另一条在南侧 对这两条引航 道的选择决定于波浪和水流条件 两条引航道合并成为主航道 引航道外区水深逐步 增加 同时引航道的位置随时间变化 港口北侧是一个水深约为 5 7m 的淤积区 来自北海岸南部的部分泥沙在此淤积 图 6 淤积区的范围和水深随时间变化 然而航道内泥沙总的平衡趋势是冲刷的 航道内更多的泥沙被冲走并落淤在峡湾内的浅滩上 其数量大于外海的泥沙淤积量 主航道的主要趋势是向东偏移 远离港口 见图 6 这扭转了之前 2000 2007 年港 口入口外部的水深增加的趋势 水深从 11m 降低到了 9m 2007

10、年之后 该趋势仍然 持续 为了维持保障通航水深在 8m 需对港口前方进行疏浚 对波浪条件的分析表明 港口前方的泥沙疏浚量与波浪条件的恶劣程度正相关 DHI MIKE 21 Course 7 5MIKE 21 ST FM 沙模型应用实例 1 图图 51990 年和年和 2005 年的地形 注意在入口外的底床降低 港口北部的淤积区域用绿色椭圆年的地形 注意在入口外的底床降低 港口北部的淤积区域用绿色椭圆 标记 淤积区东侧的航道加深用椭圆标识 淤积区南侧的水深减少也用椭圆标识 标记 淤积区东侧的航道加深用椭圆标识 淤积区南侧的水深减少也用椭圆标识 图图 6Thybor n 航道的长期地貌演变 图上标

11、识了从北海进入的两条引航道 航道的长期地貌演变 图上标识了从北海进入的两条引航道 主航道有向东移动的趋势 见蓝色箭头所指示 主航道有向东移动的趋势 见蓝色箭头所指示 3 2水流和泥沙输运水流和泥沙输运 通过对数值模拟结果的分析得到航道内的水流和泥沙输运的条件 基于丹麦海岸 管理局的实测资料 采用 MIKE 21 FM HD 水动力 建立水流模型 该模型考虑了气象 潮汐 波浪辐射应力和底摩擦 并根据以往的经验进行模型设置 Br ker 等 1996 DHI MIKE 21 Course 7 6MIKE 21 ST FM 沙模型应用实例 1 在港口附近 距离南侧防波堤 100m 处进行了新的数据测

12、量 重新率定底床糙率 为 了能模拟入流时港口入口前方的环流 涡流单元及其强度 见图 7 图 8 给出了 2008 年 11 月 流速和流向的实测值与计算值的对比 由于存在环流 港口入口前方的年净输沙方向向北 与占主要地位的 Limfjord 方 向的输运反向 见图 9 该地区的地形证实了水流的输运方向 因此在规划疏浚作业 时也必须考虑到这点 模拟泥沙输运场采用 MIKE 21 FM ST 泥沙输运 模型 该模型 适用于描述一个波浪周期时间尺度内的确定的泥沙输运情况 入流入流 出流出流 图图 7入流时的瞬时流场的模拟结果 左 出流时 右 入流时的瞬时流场的模拟结果 左 出流时 右 图图 8200

13、8 年年 11 月 防波堤南侧的流速和流向的实测值与计算值 月 防波堤南侧的流速和流向的实测值与计算值 丹麦海岸管理局测量 丹麦海岸管理局测量 DHI MIKE 21 Course 7 7MIKE 21 ST FM 沙模型应用实例 1 该模型通过对水位 潮流和波浪的实测值进行统计分析 计算年泥沙输运场 自 1990 年航道向东偏移导致航道东侧丁坝处的水深增加 对港口口门对面的丁坝 冲刷加大使得两个丁坝坝头位置后退 并造成沙洲南部的冲刷 水流泥沙输运模型表明 丁坝长度变短导致出流流速变弱 口门处的泥沙向北输 运 增加了港口口门处的泥沙淤积 从而加大航道向东偏移的趋势 图图 91995 2008

14、年水动力条件下的年平均净输沙场年水动力条件下的年平均净输沙场 4求解求解 4 1确定海浪波动增大的原因确定海浪波动增大的原因 结合实测数据 应用波浪变形数学模型来描述港口波浪问题 波浪问题主要发生在 W 向和 NW 向强风浪作用期间以及之后很短的一段时间 这 些现象通过录像或者照片被记录下来 图 3 是一个越浪的例子 取自一段视频记录 DHI MIKE 21 Course 7 8MIKE 21 ST FM 沙模型应用实例 1 可以看出波高被局部放大 即马赫效应 当入射波向与来自防波堤的反射波向接近时 就会发生这种现象 在港口口门处进行了为期 4 个月的波浪实测 在 Thybor n 航道外侧

15、16 米水深处 也进行测量 下图给出了为期 2 个月的港区和近海处的实测波高值 期间港口处最大 波高 Hm0 为 2m 图图 10港口 蓝色 和近海处 红色 的实测波高港口 蓝色 和近海处 红色 的实测波高 Hm0 m 图 11 表明与离岸波向相对应的波高变化 从图上看出 在离岸波向为 290 300 N 时港口的波浪最大 较大波的波周期为 8 12s 图图 11离岸波向与波高离岸波向与波高 Hm0 m 的关系示意图的关系示意图 搭建一系列波浪数学模型包括 1 验证港口处的波浪变形 2 模拟历史地形条件下 的波浪变形 3 得到求解方案 搭建波浪模型 包括 MIKE 21 FM SW MIKE

16、21 BW 和 MIKE 21 PMS MIKE 21 FM SW 是谱波浪模型 用来模拟在变化的水位和流场影响下的长时间的波浪变形 SW 模型主要应用于泥沙传输模拟 图 12 是 MIKE 21 FM SW 模型的模拟结果 分别 给出了港口波高的实测值和计算值 选择近海的实测波浪条件作为边界条件 DHI MIKE 21 Course 7 9MIKE 21 ST FM 沙模型应用实例 1 图图 12实测 黑色 和计算 粉色 波高值实测 黑色 和计算 粉色 波高值 Hm0 模型 模型 MIKE 21 SW MIKE 21 BW 是公认的最精确的波浪模型 它能够详细的模拟地形和结构物 BW 可用来模拟驻波 图 13 和图 14 是用 MIKE 21 BW 模拟的波向为 300 N 波周期为 10s 的波浪场结果 图图 13比波高值 波向为比波高值 波向为 300 N Tp 10s 图图 14港口局部示意图 左图 地形 中间 港口局部示意图 左图 地形 中间 Hm0 离岸处 离岸处 Hm0 1 右图 水面高程 右图 水面高程 DHI MIKE 21 Course 7 10MIKE 21 ST