大連長(zhǎng)興島北港區(qū)自然條件分析與泥沙淤積計(jì)算

麥 苗，郝青玲，李孟國(guó)，李文丹

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；2.海軍南海工程設(shè)計(jì)院，湛江524003）

大連長(zhǎng)興島港區(qū)位于遼東半島大連市渤海一側(cè)海岸線的中段，屬瓦房店市轄境，規(guī)劃區(qū)域包括長(zhǎng)興島、西中島、鳳鳴島等3個(gè)島嶼或半島，其中長(zhǎng)興島為長(zhǎng)江以北最大島嶼，工程位置如圖1所示。其中北港區(qū)碼頭主要位于長(zhǎng)興島西北岸的高腦子角和馬家咀子之間，沿岸水深在-10～-20 m，為開(kāi)敞水域。該港區(qū)主要服務(wù)對(duì)象是其后方的冶金及石化臨港工業(yè)區(qū)，港區(qū)由東、西防波堤環(huán)抱形成單口門(mén)港池，港池水域面積約為430萬(wàn)m2。根據(jù)功能不同，港區(qū)總體分南北兩區(qū)，港區(qū)南部馬家咀子岸線布置為大宗散貨和通用泊位區(qū)，北部岸線布置為油品碼頭區(qū)。通過(guò)針對(duì)長(zhǎng)興島北港區(qū)自然條件與沖淤演變分析，為北港區(qū)規(guī)劃方案的整體布局及后續(xù)原油和礦石碼頭的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)依據(jù)，優(yōu)化港區(qū)規(guī)劃方案［1-11］。

圖1 工程位置示意圖Fig.1 Sketch of engineering position

1 自然條件概況

（1）氣溫。據(jù)2004年12月～2007年11月海洋站氣溫資料統(tǒng)計(jì)，該區(qū)域全年平均氣溫為10.9°C，最高氣溫平均為13.9°C，最低氣溫平均為8.2°C。月平均氣溫12月至翌年2月較低，6月～8月較高。全年極端最高、最低氣溫分別為30°C和-15.6°C。

（2）風(fēng)。工程海域常風(fēng)向及強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹NE—ENE向，次常風(fēng)向和強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镾—WSW向，其頻率分別占33%～34%和 26%～38%，最大風(fēng)速分別為 32 m/s、24 m/s。

（3）熱帶氣旋、溫帶氣旋與寒潮。據(jù)1884年～1986年資料統(tǒng)計(jì)，影響渤海灣海域的熱帶氣旋共發(fā)生93次，平均每年約有1次。多年來(lái)熱帶氣旋主要發(fā)生在7月～8月。其中7月達(dá)42次，8月達(dá)36次，分別占發(fā)生頻率的45%、39%，6月、9月發(fā)生較少。

影響工程海域的主要災(zāi)害性天氣是12月至翌年3月發(fā)生的寒潮和溫帶氣旋，溫帶氣旋最大風(fēng)速可達(dá)20 m/s以上。

（4）波浪。工程海域常波向?yàn)镹E向，頻率22.3%，次常波向SW向，頻率13.5%，強(qiáng)浪向?yàn)镹—NNE向。全年波向主要集中于NNE—NE向和S—WSW向，分別占頻率33.8%、32.8%。實(shí)測(cè)最大波高為5.4 m（NNE向）、4.2 m（NE向），海域H1/10波高≥2.6 m出現(xiàn)的頻率僅占0.7%。

（5）潮汐與潮流。該工程海域潮汐為不正規(guī)半日潮，相鄰二次高潮和二次低潮潮高不等現(xiàn)象嚴(yán)重，該海域平均潮差為1.03 m，最大潮差為2.58 m，屬于潮汐動(dòng)力較弱的海區(qū)，該工程海域潮流屬不規(guī)則半日淺海潮流，漲、落潮流為往復(fù)流性質(zhì)。

該工程海域是遼東灣東側(cè)岸海域漲潮流由南向北和向復(fù)州灣水域運(yùn)動(dòng)，以及落潮流由北向南、復(fù)州灣落潮水體下的海域，由于馬家咀～高腦子角兩岬角挑流，遮擋、掩護(hù)等作用，使其鄰近水域漲落潮水流、泥沙運(yùn)動(dòng)變得復(fù)雜，其中，未受岬角掩護(hù)區(qū)域呈現(xiàn)漲潮流速大于落潮流速，大潮時(shí)平均漲落潮流速分別為0.67～0.85 m/s、0.46～0.75 m/s，垂線最大流速分別為 1.13～1.58 m/s、0.95～1.35 m/s，除岬角處外基本為落潮平均歷時(shí)大于漲潮平均歷時(shí)。受岬角掩護(hù)和影響區(qū)域呈現(xiàn)落潮流大于漲潮流的變化規(guī)律，漲落潮流除個(gè)別站外分別為0.36～0.53 m/s、0.37～0.62 m/s，垂線最大流速分別為 0.58～1.08 m/s、0.64～1.19 m/s，并且靠灣內(nèi)岸側(cè)流速稍小，同時(shí)落潮流平均歷時(shí)大于漲潮平均歷時(shí)。

（6）含沙量。該海域總體上含沙量不大，據(jù)2004年冬季和2005年夏季水文全潮的泥沙觀測(cè)：大潮時(shí)漲落潮平均含沙量冬季分別為0.090 kg/m3、0.084 kg/m3，夏季均為0.004 kg/m3。2008年8月分別0.025 kg/m3、0.021 kg/m3。垂線平均最大含沙量冬季分別為 0.169 kg/m3、0.179 kg/m3，夏季分別為 0.007 kg/m3、0.005 kg/m3。2008 年 8 月分別達(dá)到 0.132～0.247 kg/m3、0.112～0.134 kg/m3。

（7）懸沙粒徑及底質(zhì)。海域懸沙d50平均為0.013 mm，為粘土質(zhì)粉砂物質(zhì)。該工程區(qū)域底質(zhì)以礫石、粗砂、中砂、細(xì)砂、粉砂等物質(zhì)組成。其中馬家咀、高腦子角岬角附近為礫石、粗砂，兩岬角間為中砂，靠岸側(cè)多為粗沙、中砂，粒徑相對(duì)較粗。高腦子角東側(cè)底質(zhì)主要為細(xì)砂、粉砂等物質(zhì)，泥沙粒徑相對(duì)較細(xì)。

2 岸灘演變與淤積計(jì)算

2.1 泥沙來(lái)源

（1）河道徑流及輸沙。進(jìn)入工程區(qū)附近水域的河流主要為復(fù)州河，原稱沙河，源自普蘭店市同益鎮(zhèn)北部鏵尖以東，入?？谖挥谕叻康晔腥_(tái)滿族鄉(xiāng)西藍(lán)旗、海島、娘娘宮3個(gè)自然村的交界處。該河全長(zhǎng)134 km，流域面積為1 638 km2，吳家屯水文站距河口21 km，控制流域面積1 071 km2，據(jù)該站1956年～1979年統(tǒng)計(jì)，多年平均徑流量為2.63億m3，最大年徑流量為5.92億m3（1964年），最小年徑流量為0.48億m3（1972年），最大與最小徑流量之比可達(dá)12.3倍。徑流年內(nèi)分配不均，主要集中于6月～9月，汛期徑流量占年徑流量的70%～80%。由于該河短、坡降大、水量集中，其流域侵蝕的泥沙隨徑流下泄主要集中于河口附近，近些年由于其上游有松樹(shù)水庫(kù)、河口封堵進(jìn)入復(fù)州灣的水道，使得灣內(nèi)泥沙來(lái)源驟減。對(duì)工程水域泥沙淤積影響甚小。

（2）海域來(lái)沙。在正常的狀況下，海域夏季潮流主要為北黃海潮波傳入，該工程區(qū)水域水體含沙量?jī)H在0.004 kg/m3左右，而冬季遼東灣內(nèi)由于風(fēng)浪作用，加強(qiáng)了泥沙搬運(yùn)強(qiáng)度，其實(shí)測(cè)垂線最大含沙量?jī)H在0.18 kg/m3以內(nèi)，潮段平均含量?jī)H為0.115 kg/m3以內(nèi)。因此，泥沙搬運(yùn)非常有限。

（3）海岸侵蝕和局部泥沙的搬運(yùn)。海岸沿岸泥沙常年在風(fēng)浪、潮流作用下侵蝕和鄰近水域岸灘在波、潮作用下的搬運(yùn)，是工程區(qū)域主要的泥沙來(lái)源，由于工程區(qū)鄰近深水區(qū)，且岸線曲折，岬角與海灣相間，地形使波浪無(wú)法形成沿岸輸沙的能力，因此由波浪掀沙帶來(lái)的泥沙沙源有限，其主要來(lái)源應(yīng)是岸灘泥沙在潮流運(yùn)動(dòng)攜帶下進(jìn)入平靜的港區(qū)淤積。

（4）岸灘水域海冰挾沙的搬運(yùn)。冬季岸灘淺灘水域海水結(jié)冰，將其底面泥沙挾在其中，待其冰凍融化時(shí)，該結(jié)冰塊隨潮運(yùn)動(dòng)，其冰凍挾沙混入海水中沉積，造成淤積。

2.2 沖淤演變分析

馬家咀——高腦子角工程海域水深圖甚少，目前僅有航保部出版的1959年～1960年、1972年、1998年測(cè)量的水深圖和天津海測(cè)大隊(duì)2005年4月施測(cè)的水深圖。僅對(duì)這幾張海圖水深等深線平面位置進(jìn)行多年變化的比較，年度間季節(jié)變化尚缺資料還無(wú)法進(jìn)行。歷年間各時(shí)期水深-2 m、-5 m、-10 m、-20 m等深線變化見(jiàn)圖2。

圖2 工程海域岸灘歷年等深線變化圖Fig.2 Comparison diagram of water depth contour at engineering sea areas

由圖2可以看到：

（1）工程水域水深-20 m、-10 m、-5 m等深線1960年～2005年間基本重合。其中1960年～1972年間似乎有沖刷的趨勢(shì)，但從各等深線變化趨勢(shì)看基本相同，且離岸愈遠(yuǎn)其變化的距離就愈大?？紤]到多年來(lái)測(cè)量水深和定位技術(shù)的發(fā)展和精度的提高，等深線位置略有變化應(yīng)認(rèn)為該海床是基本不變的；

（2）長(zhǎng)興島馬家咀—高腦子角間水深地形局部呈現(xiàn)有沖有淤的變化，但總體維持在一定的活動(dòng)范圍。這反映了該凹岸段水深有一定的沖淤變化，但量有限，并極力維持這種穩(wěn)定；

（3）馬家咀和高腦子角附近底質(zhì)有礫石（漂礫）存在，這種礫石的存在是山體突咀遭侵蝕或人為活動(dòng)的結(jié)果。使得馬家咀附近漲潮流方向上形成長(zhǎng)條形水深小于-2 m的淺灘，該淺灘兩側(cè)坡陡，即使這樣多年來(lái)其范圍及形狀都未發(fā)生改變，充分反映了其海床的穩(wěn)定性。同樣高腦子角北東向地形的變化也充分反映了其地形的穩(wěn)定。

綜上所述，該工程海域海床總體是穩(wěn)定的，局部有沖淤變化，但仍維持其穩(wěn)定狀況。

2.3 港區(qū)淤積計(jì)算

采用考慮波浪作用的二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型TK-2D軟件進(jìn)行計(jì)算。模型計(jì)算范圍，西邊界至120°56′E，北邊界至39°45′N(xiāo)，南邊界至39°24′N(xiāo)，東邊界至岸邊，在葫蘆山灣窄口處也設(shè)成開(kāi)邊界。計(jì)算域的東西距離為50.4 km，南北距離39.8 km，西邊界至馬家咀頭部23.2 km。用不規(guī)則三角形網(wǎng)格剖分計(jì)算域，可較好地概括岸線和地形特征，并在工程海區(qū)的高腦子角與馬家咀之間進(jìn)行網(wǎng)格加密。模型的驗(yàn)證采用2004年冬季大潮、2005年夏季大潮和2008年夏季大、小潮4個(gè)潮過(guò)程，均對(duì)潮位、流速、流向過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)，采用2008年夏季大、小潮2個(gè)潮過(guò)程對(duì)模型進(jìn)行了含沙量過(guò)程驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，潮位吻合很好，誤差小于0.1 m；流速、流向在位相和數(shù)值上也吻合較好；含沙量值接近、位相基本相符；整個(gè)驗(yàn)證符合規(guī)范要求。

2.3.1 現(xiàn)狀下的潮流泥沙場(chǎng)特征

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工程前計(jì)算，得到結(jié)果如下：

（1）流態(tài)：工程海區(qū)（高腦子角與馬家咀之間）潮流場(chǎng)基本為順著島岸線的往復(fù)流，漲潮近東北方向，落潮近西南方向。漲潮時(shí)，漲潮水流受馬家咀挑流作用后跨越馬家淺灘到達(dá)岸邊，然后順岸邊北上；落潮時(shí)，落潮水流順著岸邊流動(dòng)經(jīng)過(guò)馬家咀離開(kāi)工程區(qū)。受突出海岸的馬家咀影響，漲落潮時(shí)均可形成局部回流，并受挑流的影響，落潮流速較大，形成局部強(qiáng)流區(qū)；（2）流速：大潮漲潮平均流速為0.25～0.85 m/s，最大流速為0.48～1.58 m/s；大潮落潮平均流速為0.37～0.75 m/s，最大流速為0.48～1.58 m/s；小潮漲潮平均流速為0.16～0.63 m/s，最大流速為 0.33～1.11 m/s；小潮落潮平均流速為0.32～0.60 m/s，最大流速為 0.56～1.04 m/s；（3）工程海區(qū)的含沙量很小，漲落潮平均含沙量小于0.03 kg/m3；（4）含沙量分布有從岸向外海逐漸減小的規(guī)律；（5）馬家淺灘灘頂含沙量略高。

2.3.2 方案實(shí)施后潮流泥沙場(chǎng)變化

利用已經(jīng)驗(yàn)證好的潮流泥沙場(chǎng)模型即可模擬各種工程方案實(shí)施后的潮流場(chǎng)和泥沙淤積，通過(guò)工程前后潮流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果比較，可以了解工程實(shí)施后的潮流場(chǎng)變化，從而對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖3、圖4分別為各方案工程實(shí)施后的漲落潮潮流場(chǎng)。

圖3 總體規(guī)劃方案1實(shí)施后大潮漲、落急流態(tài)Fig.3 Flow field at max flood and ebb tide of general plan 1

圖4 總體規(guī)劃方案2實(shí)施后大潮漲、落急流態(tài)Fig.4 Flow field at max flood and ebb tide of general plan 2

由平面二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算可知，工程海區(qū)（高腦子角與馬家咀之間）潮流場(chǎng)基本為順著島岸線的往復(fù)流，漲潮近東北方向，落潮近西南方向。受突出海岸的馬家咀影響，漲潮時(shí)在馬家咀北側(cè)形成一個(gè)順時(shí)針的回流區(qū)，使得在馬家咀北側(cè)附近的漲潮流為落潮方向，落潮時(shí)，受馬家咀挑流的影響，落潮流速較大，是本工程海區(qū)落潮流速最大地區(qū)。同時(shí)，由于工程海區(qū)的2008年夏季含沙量很小，漲落潮平均含沙量小于0.03 kg/m3，含沙量分布有從岸向外海逐漸減小的規(guī)律。

表1 各方案實(shí)施后港池泥沙平均淤?gòu)?qiáng)與淤積量Tab.1 Average deposition thickness and amount of sedimentation in harbor basin 1

總體規(guī)劃方案實(shí)施后，工程海區(qū)的總體潮流場(chǎng)仍為繞島順島岸線流動(dòng)的往復(fù)流；由于馬家咀挑流作用不再明顯，馬家咀北側(cè)不再存在環(huán)流現(xiàn)象；工程方案的東防波堤和馬家咀起到挑流作用，主流線被挑離到了30萬(wàn)t級(jí)油碼頭和礦石碼頭的調(diào)頭圓和航道區(qū)，使碼頭泊位區(qū)流速減小。東西防波堤之間的內(nèi)港池流速明顯減小，內(nèi)港池內(nèi)漲潮存在環(huán)流現(xiàn)象。

總體規(guī)劃的各部位泥沙年淤積強(qiáng)度在0.20 m以內(nèi)；全港淤積量約80萬(wàn)m3/a，全港平均淤?gòu)?qiáng)0.10 m/a。

同時(shí)，還采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)港池的淤積量和淤?gòu)?qiáng)進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)公式如下

式中：M 為年淤積量，m3/a；A0為港池納潮面積，m3；n 為一年的潮數(shù)，n=706；Δh 為平均潮差，m；Sy為年平均含沙量，kg/m3；α為泥沙沉降幾率，取0.45；P為年平均淤?gòu)?qiáng)，m。

工程海域年平均水體含沙量，在缺少現(xiàn)場(chǎng)資料的情況下可按《海港水文規(guī)范》中的公式計(jì)算

式中：S1為平均含沙量，kg/m3；γS為泥沙顆粒的密度，kg/m3；為波浪水質(zhì)點(diǎn)的平均水平速度，m/s；為潮流的時(shí)段平均流速，m/s；為風(fēng)吹流的時(shí)段平均流速，m/s；為時(shí)段平均風(fēng)速，m/s；H 為波高，m；C 為波速，m/s。

計(jì)算結(jié)果表明，內(nèi)港池口門(mén)處年均含沙量為0.08 kg/m3，計(jì)算的港池平均淤?gòu)?qiáng)為0.04 m/a。由于港區(qū)內(nèi)有回流現(xiàn)象存在，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際淤積量應(yīng)為沒(méi)有回流現(xiàn)象的2倍左右，即港區(qū)平均淤?gòu)?qiáng)為0.08 m/a,與數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果的0.11 m/a接近，與數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果吻合。

經(jīng)過(guò)比較，從潮流泥沙角度考慮，對(duì)比各規(guī)劃方案以方案2為最佳。

2.4 驟淤分析

驟淤是海岸工程中人們較為關(guān)注的問(wèn)題，是指短時(shí)間內(nèi)，在特殊惡劣的大風(fēng)浪天氣下產(chǎn)生的淤積。由于底質(zhì)泥沙在較強(qiáng)水流動(dòng)力下容易起動(dòng)、運(yùn)移、淤積，因此較強(qiáng)的動(dòng)力條件（如大風(fēng)浪、臺(tái)風(fēng)等）是近岸工程可能發(fā)生驟淤的前提條件。

由于本區(qū)實(shí)測(cè)資料不足，尤其缺少大風(fēng)天的實(shí)測(cè)含沙量資料，所以采《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）推薦的公式進(jìn)行推算。采用工程海域50 a一遇波浪要素代入計(jì)算，對(duì)應(yīng)各方案港池航道的24 h驟淤厚度均小于1 cm，表明本工程沒(méi)有驟淤問(wèn)題。

3 結(jié)論

在對(duì)工程海區(qū)自然條件分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用考慮波浪作用的潮流泥沙模型，對(duì)工程造成的流場(chǎng)變化和泥沙淤積進(jìn)行數(shù)值模擬研究。工程海域水深地形長(zhǎng)期以來(lái)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，總體規(guī)劃方案實(shí)施后，碼頭泊位區(qū)流速減小，東西防波堤之間的內(nèi)港池流速明顯減?。粌?nèi)港池內(nèi)漲潮存在環(huán)流現(xiàn)象。各區(qū)域泥沙年淤積強(qiáng)度在0.25 m/a以內(nèi)；全港淤積量80萬(wàn)m3/a，全港平均淤?gòu)?qiáng)0.10 m/a，沒(méi)有泥沙驟淤問(wèn)題。

［1］曹祖德，王桂芬.波浪掀沙、潮流輸沙的數(shù)值模擬［J］.海洋學(xué)報(bào)，1993，15（1）：107-118.CAO Z D，WANG G F.A Numerical Simulation of Sediment Winnowing Caused By Wave and Sediment Transport in Tidal Current［J］.Acta Oceanologica Sinica，1993，15（1）：107-118.

［2］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，1997，15（1）：30-47.XIN W J.Numerical Model of 2d Estuarial Suspended Sediment Motion Under the Interaction of Tidal Flow and Waves［J］.The Ocean Engineering，1997，15（1）：30-47.

［3］劉家駒.在風(fēng)浪和潮流作用下淤泥質(zhì)淺灘含沙量的確定［J］.水利水運(yùn)科學(xué)研究，1988（2）：69-77.LIU J J.Determination of the Silt Concentration on Shoal Under the Action of Wind Waves and Tidal Currents［J］.Hydro-Science and Engineering，1988（2）：69-77.

［4］竇國(guó)仁，董風(fēng)舞.潮流和波浪的挾沙能力［J］.科學(xué)通報(bào)，1995，40（5）：443-446.DOU G R，DONG F W.Sediment Carrying Capacity of Tidal Current and Wave［J］.Chinese Science Bulletin，1995，40（5）：443-446.

［5］樂(lè)培九，楊細(xì)根.波浪和潮流共同作用下的輸沙問(wèn)題［J］.水道港口，1998（3）：1-6.YUE P J，YANG X G.Sediment Transport under the Joint Action of Wave and Tide［J］.Journal of Waterway and Harbor，1998（3）：1-6.

［6］竇國(guó)仁.河道二維全沙數(shù)學(xué)模型的研究［J］.水利水運(yùn)科學(xué)研究，1987（2）：1-12.DOU G R.Study on Two-Dimensional Total Sediment Transport Mathematic Model［J］.Hydro-Science and Engineering，1987（2）：1-12.

［7］羅肇森.潮汐通道口攔門(mén)沙航道的淤積計(jì)算［J］.海洋工程，1992（2）：32-40.LUO Z S.Prediction of Sedimentation for the Navigation Channel of a Tidal Inlet with Mouth Bar［J］.The Ocean Engineering，1992（2）：32-40.

［8］JTS/T231-2-2010,海岸河口潮流、泥沙數(shù)值模擬技術(shù)規(guī)程［S］.

［9］唐士芳.二維潮流數(shù)值水槽的樁群數(shù)值模擬［J］.中國(guó)港灣建設(shè)，2002（3）：15-21.TANG S F.Numerical Simulation for Pile Group in Numerical Water Flume of Two Dimensional Tidal Flowp［J］.China Harbour Engineering，2002（3）：15-21.

［10］唐士芳，李蓓.樁群阻力影響下的潮流數(shù)值模擬研究［J］.中國(guó)港灣建設(shè)，2001（5）：25-29.TANG S F，LI B.Study on Numerical Simulation of Tidal Flow Influenced by Pile Group Resistance［J］.China Harbour Engineering，2001（5）：25-29.

［11］宋向群，郭子堅(jiān).長(zhǎng)興島海冰調(diào)查分析報(bào)告［R］.大連：大連理工大學(xué)港口發(fā)展研究中心，2006.