臺(tái)州港黃礁港區(qū)懸沙輸移規(guī)律研究

何 杰 ，辛文杰

（1.南京水利科學(xué)研究院河流海岸研究所，南京210024；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210024）

規(guī)劃的臺(tái)州港黃礁港區(qū)位于浙江省東部沿海中部臺(tái)州市路橋區(qū)大港灣海域，北與椒江河口南翼毗鄰，東與臺(tái)州列島和上、下大陳島隔海相望，南與臺(tái)州溫嶺境內(nèi)的積谷洋海灣峽道通連（圖1）。大港灣水域由黃礁山、白果山、道士冠、北江山等島群環(huán)抱，灣內(nèi)水域?qū)掗熐已谧o(hù)條件較好，后方有大片灘涂，大港灣灣口距10 m等深線(xiàn)不到10 km，合理開(kāi)發(fā)可形成一個(gè)優(yōu)良的大型港灣。

大港灣水域具有潮差大、潮流中等偏弱、水體含沙量低的特點(diǎn)。海床床面主要由細(xì)顆粒泥沙組成，屬于淤泥質(zhì)海岸，平常水情下床沙不易啟動(dòng)、海床不易發(fā)生較大幅度的沖淤變化，是建港的有利條件。從大港灣所處的地理位置來(lái)看，造成灣內(nèi)泥沙回淤的沙源主要分為前方和后方兩部分，前方泥沙通過(guò)口門(mén)輸送進(jìn)入灣內(nèi)，后方泥沙則為近岸的大片灘涂。大港灣港池開(kāi)挖后，有必要研究港池的泥沙回淤狀況及港池回淤的泥沙來(lái)源。據(jù)文獻(xiàn)［1］調(diào)查，大港灣水域的泥沙輸移以懸沙為主。含沙水體隨潮流運(yùn)動(dòng)，摸清沙源位置和懸沙隨潮流的運(yùn)動(dòng)路徑，通過(guò)相應(yīng)的整治工程，可有效減輕港池泥沙回淤［2］。本文采用平面二維潮流懸沙數(shù)學(xué)模型，在對(duì)海區(qū)實(shí)測(cè)水文資料驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，模擬了現(xiàn)狀海域的潮流泥沙運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。通過(guò)數(shù)學(xué)模型模擬港池水域的潮流泥沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程，分析港池泥沙運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，通過(guò)工程治理，達(dá)到了減輕港池泥沙回淤的目的。

圖1 大港灣示意圖Fig.1 Sketch of Dagangwan bay

1 平面二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型概況

1.1 潮流泥沙運(yùn)動(dòng)控制方程

大港灣水域水深較淺、水面較寬，可采用平面二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行潮流泥沙運(yùn)動(dòng)模擬，本文采用交通部技術(shù)規(guī)程所推薦的ADI法求解［3］。在笛卡爾直角坐標(biāo)系下，根據(jù)靜壓和勢(shì)流假定，沿垂向平均的二維潮流基本方程可表述為

式中：u、v分別為垂線(xiàn)平均流速在x、y方向分量；U為流速的模；ζ為潮位；h為平均海平面以下水深；f為柯氏系數(shù)，f=2ωsinΦ，ω為地轉(zhuǎn)角速度，Φ為當(dāng)?shù)氐乩砭暥?；g為重力加速度；s為垂線(xiàn)平均含沙量；η為沖淤厚度；γ0為床面泥沙干容重；Fs為沖淤函數(shù)，可用下式表示

式中：α為泥沙的沉降機(jī)率；ω為泥沙沉速；s*為水流挾沙率；uc為泥沙起動(dòng)流速；uf為泥沙懸浮流速。

ADI法求解平面二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型的具體方法和關(guān)鍵技術(shù)可見(jiàn)文獻(xiàn)［4］。

1.2 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)大港灣所處的地理位置，模型計(jì)算域的北邊界設(shè)在瑯磯山以北5 km，南邊界至積谷洋以南的牛山島，南北方向長(zhǎng)30 km，西邊界設(shè)在大港灣的灣頂，東邊界位于積谷山島以東-16 m水深處，模型東西方向長(zhǎng)24 km、南北向長(zhǎng)30 km，模型控制面積為720 km2。大港灣和積谷洋灣周?chē)姸鄭u嶼如黃礁島、北港山和南港山等均包括在計(jì)算域內(nèi)。模型覆蓋范圍按邊長(zhǎng)為50 m的正方形網(wǎng)格，剖分出288 000（480×600）個(gè)計(jì)算單元，其中有效計(jì)算單元（指水域部分）約占4/5。模型外海及大港灣水域的水深取自新版海圖，工程區(qū)域水深采用新測(cè)的1∶5 000水下地形資料。該模型曾對(duì)2008年的冬季大潮和2009年的夏季大潮過(guò)程分別進(jìn)行了潮位、流速和水體含沙量過(guò)程的驗(yàn)證，具體驗(yàn)證情況可參見(jiàn)文獻(xiàn)［5］。

2 工程計(jì)算方案

大港灣水域波浪發(fā)生次數(shù)較多，已開(kāi)展的波浪數(shù)學(xué)模型研究［6］表明，大港灣口門(mén)的防波堤可有效減小港池水域的波浪影響。根據(jù)大港灣所處的地理位置，形成灣內(nèi)泥沙回淤的沙源主要來(lái)自前方和后方兩部分，前方泥沙通過(guò)東側(cè)口門(mén)輸送進(jìn)入灣內(nèi)，后方泥沙則為西側(cè)近岸的大片灘涂。擬建港池位于黃礁島一側(cè)，為了減少口門(mén)輸沙對(duì)港池的回淤，通過(guò)灣口東側(cè)的防波堤工程抵御外海輸沙的侵?jǐn)_，這里簡(jiǎn)稱(chēng)防波堤方案（圖2）；港池西側(cè)淺灘的沙源通過(guò)圍堰工程進(jìn)行攔截，這里簡(jiǎn)稱(chēng)圍堰方案（圖3）。根據(jù)工程建設(shè)后的潮流泥沙運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模擬以及港池回淤的計(jì)算結(jié)果，比較2個(gè)方案的優(yōu)劣。

圖2 防波堤工程Fig.2 Breakwater project

圖3 圍堰工程Fig.3 Cofferdam project

3 水沙計(jì)算成果分析

3.1 水沙運(yùn)動(dòng)變化

圖4和圖5分別顯示了防波堤方案和圍堰方案實(shí)施后大港灣水域漲急時(shí)刻的平面流態(tài)，對(duì)比流態(tài)變化可知：港池水域開(kāi)挖后流速有所減弱，防波堤口門(mén)處流速增加，最大流速達(dá)到1.8 m/s，南側(cè)防波堤后方有回流存在，漲潮期間大港灣后方淺灘完全被水淹沒(méi)；圍堰方案實(shí)施后，圍堰內(nèi)包括港池開(kāi)挖水域的潮流流速普遍減弱，平均流速在0.2 m/s左右，圍堰后方的淺灘水域流速呈增加趨勢(shì)，最大流速可達(dá)到1.5 m/s，這部分水流通過(guò)大港灣北側(cè)的黃礁門(mén)水道和南側(cè)的南港山水道進(jìn)出。防波堤工程只改變了其附近水域的水動(dòng)力條件，并未減小大港灣水域潮流流速。圍堰工程實(shí)施后，大港灣水域流速普遍減小。大港灣水域流速的減弱將會(huì)使該水域床面泥沙活動(dòng)減弱，水體含沙量減小，港池泥沙回淤將會(huì)隨之減小。

圖4 防波堤工程水域漲急時(shí)刻平面流態(tài)Fig.4 Flow pattern in harbor for breakwater plan

圖5 圍堰工程水域漲急時(shí)刻平面流態(tài)Fig.5 Flow pattern in harbor for cofferdam plan

防波堤工程實(shí)施后，港池開(kāi)挖水域的水體含沙量在漲急時(shí)刻為0.10 kg/m3（圖6），大港灣灣內(nèi)以及灣西側(cè)的淺灘水域水體含沙量較大，最大含沙量超過(guò)0.30 kg/m3；圍堰方案形成后，大港灣大部分水域的水體含沙量在0.05 kg/m3以下（圖7），與防波堤工程相比，大港灣水域的含沙量已下降很多，港池水域水體含沙量的減小對(duì)減輕港池泥沙回淤將十分有利。

3.2 泥沙回淤計(jì)算

圖8和圖9分別顯示了2個(gè)工程方案實(shí)施后大港灣水域的海床沖淤分布，結(jié)合港池的淤厚統(tǒng)計(jì)（表1）可以看出：防波堤工程實(shí)施后，港池水域海床呈普遍淤積狀態(tài)，港池西部半年淤厚超過(guò)0.80 m，港池其他水域半年淤厚也都在0.50 m以上；大港灣灣頂水域淤積仍較大，灣內(nèi)部分水域的海床呈略微沖刷狀態(tài)，大港灣周?chē)鷯u嶼附近仍呈微淤狀態(tài)。圍堰工程實(shí)施后，大港灣內(nèi)海床的泥沙淤積分布比較均勻，平均淤厚在0.30 m左右，港池開(kāi)挖水域的淤厚并未顯著高于其他未開(kāi)挖水域；圍堰附近淤積稍大一些，而圍堰后方即大港灣灣頂?shù)挠俜e較大，冬季和夏季半年的淤厚均超過(guò)0.80 m/a。防波堤方案實(shí)施后，港池在冬季半年和夏季半年的淤厚分別為0.70 m和0.78 m，全年累計(jì)1.48 m。圍堰方案實(shí)施后，港池在冬季半年的淤厚僅為0.27 m、夏季半年為0.30 m，全年累計(jì)為0.57 m。圍堰工程實(shí)施后，港池的泥沙回淤僅為導(dǎo)堤方案的1/3，有效減輕了港池的泥沙回淤。究其原因，后方圍堰可以阻擋大港灣內(nèi)與周?chē)虻乃辰粨Q，港池內(nèi)潮流運(yùn)動(dòng)速度減弱，減緩了港池水域床面泥沙的搬運(yùn)速率，尤其是擋住了大港灣西側(cè)淺灘泥沙進(jìn)入港池的通道，有效減輕了港池開(kāi)挖水域的泥沙回淤。

表1 港池泥沙回淤厚度統(tǒng)計(jì)Tab.1 Silting thickness in harbor basin m

圖6 防波堤工程水域漲急時(shí)刻水體含沙量分布Fig.6 Sediment distribution in harbor for breakwater plan

圖7 圍堰工程水域漲急時(shí)刻水體含沙量分布Fig.7 Sediment distribution in harbor for cofferdam plan

圖8 防波堤方案港池回淤分布Fig.8 Silting distribution in harbor for breakwater plan

圖9 圍堰方案港池回淤分布Fig.8 Silting distribution in harbor for cofferdam plan

4 結(jié)論

防波堤方案和圍堰方案實(shí)施前后的水沙運(yùn)動(dòng)變化和港池淤積的計(jì)算對(duì)比分析表明，防波堤工程僅改變了口門(mén)附近水域的潮流流態(tài)，大港灣大部分水域的潮流運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)仍維持原狀。圍堰方案使得大港灣內(nèi)潮流運(yùn)動(dòng)速度普遍減弱，灣內(nèi)水體含沙量降低到0.05 kg/m3左右，港池泥沙淤?gòu)?qiáng)減小到0.57 m/a，約為防波堤方案的1/3。綜上可以看出，在口門(mén)布置雙導(dǎo)堤工程，有利于波浪掩護(hù)，但防淤減淤的效果卻不明顯；圍堰方案采取“固灘縮灣”的措施，一方面減輕了大港灣灣內(nèi)床面的泥沙活動(dòng)性，另一方面阻擋了近岸淺灘的床面泥沙進(jìn)入港池的通道，從而有效減輕了港池的泥沙回淤。因此圍堰方案可作為黃礁港區(qū)規(guī)劃起步工程布置的基本方案。

［1］惲才興.浙江臺(tái)州港黃礁港區(qū)海岸動(dòng)力地貌及岸灘穩(wěn)定性分析［R］.上海：華東師范大學(xué)，2009.

［2］HE J，XIN W J.Study on the suspended sediment transport in Nansha harbor［C］//IAHR.Advances in Water Resources and Hydraulic Engineering.Nanjing：Hohai University，2008：1 283－1 287.

［3］JTJ/T233-98，海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］辛文杰.潮流、波浪綜合作用下河口二維懸沙數(shù)學(xué)模型［J］.海洋工程，1997（2）：30-47.XIN W J.Numerical model of 2-D estuarial suspended sediment motion under the interaction of tidal flow and waves［J］.The Ocean Engineering，1997（2）：30-47.

［5］辛文杰，何杰.臺(tái)州港黃礁港區(qū)波浪數(shù)學(xué)模型與泥沙數(shù)學(xué)模型研究［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2009.

［6］王登婷.臺(tái)州港黃礁港區(qū)波浪數(shù)學(xué)模型研究［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2009.