大連長興島北港區(qū)自然條件分析與泥沙淤積計算

麥 苗，郝青玲，李孟國，李文丹

（1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.海軍南海工程設(shè)計院，湛江524003）

大連長興島港區(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)域包括長興島、西中島、鳳鳴島等3個島嶼或半島，其中長興島為長江以北最大島嶼，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，為開敞水域。該港區(qū)主要服務(wù)對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)抱形成單口門港池，港池水域面積約為430萬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)。通過針對長興島北港區(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，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)向及強風(fēng)向為NNE—ENE向，次常風(fēng)向和強風(fēng)向為S—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，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。多年來熱帶氣旋主要發(fā)生在7月～8月。其中7月達42次，8月達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20 m/s以上。

（4）波浪。工程海域常波向為NE向，頻率22.3%，次常波向SW向，頻率13.5%，強浪向為N—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%。實測最大波高為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)州灣水域運動，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、掩護等作用，使其鄰近水域漲落潮水流、泥沙運動變得復(fù)雜，其中，未受岬角掩護區(qū)域呈現(xiàn)漲潮流速大于落潮流速，大潮時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大于漲潮平均歷時。受岬角掩護和影響區(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，同時落潮流平均歷時大于漲潮平均歷時。

（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：大潮時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，粒徑相對較粗。高腦子角東側(cè)底質(zhì)主要為細砂、粉砂等物質(zhì)，泥沙粒徑相對較細。

2 岸灘演變與淤積計算

2.1 泥沙來源

（1）河道徑流及輸沙。進入工程區(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_滿族鄉(xiāng)西藍旗、海島、娘娘宮3個自然村的交界處。該河全長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，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水庫、河口封堵進入復(fù)州灣的水道，使得灣內(nèi)泥沙來源驟減。對工程水域泥沙淤積影響甚小。

（2）海域來沙。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)水域水體含沙量僅在0.004 kg/m3左右，而冬季遼東灣內(nèi)由于風(fēng)浪作用，加強了泥沙搬運強度，其實測垂線最大含沙量僅在0.18 kg/m3以內(nèi)，潮段平均含量僅為0.115 kg/m3以內(nèi)。因此，泥沙搬運非常有限。

（3）海岸侵蝕和局部泥沙的搬運。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，是工程區(qū)域主要的泥沙來源，由于工程區(qū)鄰近深水區(qū)，且岸線曲折，岬角與海灣相間，地形使波浪無法形成沿岸輸沙的能力，因此由波浪掀沙帶來的泥沙沙源有限，其主要來源應(yīng)是岸灘泥沙在潮流運動攜帶下進入平靜的港區(qū)淤積。

（4）岸灘水域海冰挾沙的搬運。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，該結(jié)冰塊隨潮運動，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年測量的水深圖和天津海測大隊2005年4月施測的水深圖。僅對這幾張海圖水深等深線平面位置進行多年變化的比較，年度間季節(jié)變化尚缺資料還無法進行。歷年間各時期水深-2 m、-5 m、-10 m、-20 m等深線變化見圖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，但從各等深線變化趨勢看基本相同，且離岸愈遠其變化的距離就愈大?？紤]到多年來測量水深和定位技術(shù)的發(fā)展和精度的提高，等深線位置略有變化應(yīng)認為該海床是基本不變的；

（2）長興島馬家咀—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的結(jié)果。使得馬家咀附近漲潮流方向上形成長條形水深小于-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軟件進行計算。模型計算范圍，西邊界至120°56′E，北邊界至39°45′N，南邊界至39°24′N，東邊界至岸邊，在葫蘆山灣窄口處也設(shè)成開邊界。計算域的東西距離為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行網(wǎng)格加密。模型的驗證采用2004年冬季大潮、2005年夏季大潮和2008年夏季大、小潮4個潮過程，均對潮位、流速、流向過程進行了驗證。同時，采用2008年夏季大、小潮2個潮過程對模型進行了含沙量過程驗證。驗證結(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；整個驗證符合規(guī)范要求。

2.3.1 現(xiàn)狀下的潮流泥沙場特征

在此基礎(chǔ)上進行工程前計算，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，漲潮水流受馬家咀挑流作用后跨越馬家淺灘到達岸邊，然后順岸邊北上；落潮時，落潮水流順著岸邊流動經(jīng)過馬家咀離開工程區(qū)。受突出海岸的馬家咀影響，漲落潮時均可形成局部回流，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 方案實施后潮流泥沙場變化

利用已經(jīng)驗證好的潮流泥沙場模型即可模擬各種工程方案實施后的潮流場和泥沙淤積，通過工程前后潮流場的計算結(jié)果比較，可以了解工程實施后的潮流場變化，從而對方案進行評價。圖3、圖4分別為各方案工程實施后的漲落潮潮流場。

圖3 總體規(guī)劃方案1實施后大潮漲、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)模型計算可知，工程海區(qū)（高腦子角與馬家咀之間）潮流場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，漲潮時在馬家咀北側(cè)形成一個順時針的回流區(qū)，使得在馬家咀北側(cè)附近的漲潮流為落潮方向，落潮時，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，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 各方案實施后港池泥沙平均淤強與淤積量Tab.1 Average deposition thickness and amount of sedimentation in harbor basin 1

總體規(guī)劃方案實施后，工程海區(qū)的總體潮流場仍為繞島順島岸線流動的往復(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t級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度在0.20 m以內(nèi)；全港淤積量約80萬m3/a，全港平均淤強0.10 m/a。

同時，還采用經(jīng)驗公式對港池的淤積量和淤強進行計算，經(jīng)驗公式如下

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為年平均淤強，m。

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

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)點的平均水平速度，m/s；為潮流的時段平均流速，m/s；為風(fēng)吹流的時段平均流速，m/s；為時段平均風(fēng)速，m/s；H 為波高，m；C 為波速，m/s。

計算結(jié)果表明，內(nèi)港池口門處年均含沙量為0.08 kg/m3，計算的港池平均淤強為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，實際淤積量應(yīng)為沒有回流現(xiàn)象的2倍左右，即港區(qū)平均淤強為0.08 m/a,與數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果的0.11 m/a接近，與數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果吻合。

經(jīng)過比較，從潮流泥沙角度考慮，對比各規(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)注的問題，是指短時間內(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)泥沙在較強水流動力下容易起動、運移、淤積，因此較強的動力條件（如大風(fēng)浪、臺風(fēng)等）是近岸工程可能發(fā)生驟淤的前提條件。

由于本區(qū)實測資料不足，尤其缺少大風(fēng)天的實測含沙量資料，所以采《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）推薦的公式進行推算。采用工程海域50 a一遇波浪要素代入計算，對應(yīng)各方案港池航道的24 h驟淤厚度均小于1 cm，表明本工程沒有驟淤問題。

3 結(jié)論

在對工程海區(qū)自然條件分析的基礎(chǔ)上，運用考慮波浪作用的潮流泥沙模型，對工程造成的流場變化和泥沙淤積進行數(shù)值模擬研究。工程海域水深地形長期以來處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，總體規(guī)劃方案實施后，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??；內(nèi)港池內(nèi)漲潮存在環(huán)流現(xiàn)象。各區(qū)域泥沙年淤積強度在0.25 m/a以內(nèi)；全港淤積量80萬m3/a，全港平均淤強0.10 m/a，沒有泥沙驟淤問題。

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