茂名市水東灣綜合整治工程對(duì)水沙動(dòng)力影響模擬研究

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津300222；2.天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，天津300204；3.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456；4.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222）

茂名市水東灣綜合整治工程對(duì)水沙動(dòng)力影響模擬研究

秦福壽1，楊澤君2，姚姍姍3，李?yuàn)?

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津300222；2.天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，天津300204；3.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456；4.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222）

通過(guò)潮流泥沙及水體交換數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)，模擬了茂名市水東灣綜合整治工程實(shí)施后灣內(nèi)流場(chǎng)變化、水體交換能力及泥沙淤積情況。研究結(jié)果表明，方案實(shí)施后，潮汐通道內(nèi)平均流速最大可增加0.1～0.4 m/s，且灣內(nèi)水體交換能力大幅提升，月交換率從現(xiàn)狀的65%提高到86%左右。此外，由于灣內(nèi)泥沙來(lái)源不足，方案實(shí)施后正常年淤積十分有限，平均年淤?gòu)?qiáng)僅0.15 m/a?？傮w而言，綜合整治方案是有效的。

數(shù)學(xué)模型；水沙環(huán)境；水體交換；泥沙淤積

0 引言

在歷史研究中，對(duì)半封閉海灣內(nèi)工程建設(shè)對(duì)水沙環(huán)境的影響多采用數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)手段。羅鋒[1]、劉浩[2]等人分別對(duì)樂(lè)清灣、深滬灣內(nèi)的納潮量及水體交換情況進(jìn)行了研究；許雪峰[3]、沈林杰[4]等人探討了圍墾工程建設(shè)對(duì)三門(mén)灣及河口地區(qū)水交換及泥沙淤積的影響；王靖鑫[5]利用二維潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型，從水體交換能力和泥沙輸運(yùn)角度，探尋了旅順琥珀灣工程治理的合理方案。

圖1 擬建工程海區(qū)形勢(shì)及水下地形Fig.1 Proposed sea area situation and underwater topographic of the project

本文以水東灣綜合整治工程方案為依據(jù)，通過(guò)平面二維潮流泥沙及水體交換數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)手段，模擬了整治工程實(shí)施后灣內(nèi)水體交換能力及泥沙沖淤情況，研究結(jié)論可為相關(guān)決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

水東灣地貌屬典型沙壩—潟湖體系，潟湖灣與外海通過(guò)狹長(zhǎng)潮汐通道連接，其中潮汐通道寬700 m、長(zhǎng)6 km、深9 m，口外有攔門(mén)沙發(fā)育。圖1中示意了水東灣海域地形地貌情況。解鳴曉等人于2012年9月—10月曾對(duì)水東灣水沙條件開(kāi)展了較詳盡的現(xiàn)場(chǎng)水文泥沙勘測(cè)工作，包括大、中、小潮潮位測(cè)量、流速流向測(cè)量及泥沙底質(zhì)取樣及分析等（測(cè)站位置見(jiàn)圖2）。據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，工程海域潮汐類(lèi)型為不規(guī)則半日潮，潮汐通道內(nèi)大潮平均流速0.3~0.5 m/s，最大流速可達(dá)1.0 m/s，外海主導(dǎo)波向?yàn)镾-E向。海域含沙量較低，正常天氣下一般在0.06 kg/m3內(nèi)，懸沙中值粒徑在0.009~0.012 mm。外海床面底質(zhì)以細(xì)沙、中粗砂為主，潟湖內(nèi)主要為黏土質(zhì)粉砂，底質(zhì)分布類(lèi)型如圖3所示。

圖2 工程海域水文測(cè)站位置圖

圖3 水東灣底質(zhì)類(lèi)型分布Fig.3 Bottom material type distribution of Shuidong Bay

2 規(guī)劃整治方案介紹

為改善當(dāng)前水東灣內(nèi)水體交換較差的現(xiàn)狀，修復(fù)灣內(nèi)水質(zhì)及地貌景觀，規(guī)劃綜合整治方案擬將灣內(nèi)除紅樹(shù)林區(qū)外水域進(jìn)行疏浚，疏浚底高程為-3.0 m（56黃海高程，下同），并對(duì)大洲島周邊進(jìn)行適當(dāng)圍墾造陸，擴(kuò)大中心島嶼面積。此外，同時(shí)考慮正在實(shí)施的水東港總體規(guī)劃起步方案，其中航道浚深底高程為口外段-14.3 m，口內(nèi)段-12.3 m。圖4中示意了綜合整治方案的平面布置形式。

圖4 水東灣及水東港總體規(guī)劃方案布置圖Fig.4 Overall planning of Shuidong Bay and Shuidong Port

3 數(shù)學(xué)模型建立及驗(yàn)證

3.1 潮流數(shù)學(xué)模型

潮流數(shù)學(xué)模型理論采用平面二維淺水方程組，其基本形式見(jiàn)式（1）~式（3）。

磨合過(guò)程的實(shí)質(zhì)是一個(gè)摩擦副從一個(gè)機(jī)加工的原始狀態(tài)經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)磨損而達(dá)到的低磨損的階段過(guò)程，即經(jīng)過(guò)一個(gè)負(fù)載從小到大，轉(zhuǎn)速?gòu)牡偷礁叩哪ズ?，使摩擦副處于低磨損表面狀態(tài)的過(guò)程，這時(shí)柴油機(jī)才能出廠并在正常的負(fù)荷條件下使用。

模擬中計(jì)算域剖分采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，并采用多尺度模型嵌套手段。圖5中示意了模型計(jì)算范圍與網(wǎng)格配置情況，其中最小網(wǎng)格尺度為30 m。大尺度模型潮位邊界條件由東中國(guó)海潮波運(yùn)動(dòng)模型提供，并考慮8個(gè)主要分潮（S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1，M2）。

圖5 模型計(jì)算域及網(wǎng)格配置Fig.5 Model calculation domain and grid configuration

式中：h為總水深；g為重力加速度；u和v分別為垂線平均流速在x，y方向上的分量；f為科氏力系數(shù)；ρ為水體密度；Ex，Ey分別為x，y方向的水平紊動(dòng)黏性系數(shù)，可由Smagorinsky方程求解；τbx，τby分別為床面剪切力在x，y方向的分量；Sxx，Sxy，Syx，Syy分別為波浪輻射應(yīng)力的各向分量。

3.2 水體交換數(shù)學(xué)模型

水體交換模擬采用Euler思路，通過(guò)在所研區(qū)域內(nèi)設(shè)置守恒性示蹤劑，并根據(jù)其對(duì)流擴(kuò)散分布判斷交換情況，控制方程見(jiàn)式（4）。

式中:C為守恒性物質(zhì)濃度；Dwx，Dwy分別為x，y方向的物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，可取為和紊動(dòng)黏性系數(shù)相等；F為物質(zhì)衰減系數(shù)，守恒性物質(zhì)取為0。

3.3 泥沙數(shù)學(xué)模型

根據(jù)底質(zhì)分布情況，水東灣潟湖內(nèi)底質(zhì)為黏土質(zhì)粉砂，而外海則為細(xì)沙或粗、中砂，因此在泥沙運(yùn)動(dòng)模擬中應(yīng)同時(shí)考慮懸移質(zhì)與推移質(zhì)作用。懸沙運(yùn)動(dòng)基本方程如式（5）。

式中:S為沿深度平均的含沙量；S*為波流共同作用下的挾沙力；α為沉降幾率；ω為泥沙沉速；Dx，Dy分別為泥沙水平擴(kuò)散系數(shù)。

懸沙及底沙引起的地形沖淤變化如式（6），底沙引起的地形沖淤變化如式（7）、式（8）。

式中：ηb為底高程；γb為床面泥沙容重；qx，qy分別為x，y方向的單寬底沙輸移量，可由竇國(guó)仁公式求解。

模型驗(yàn)證依據(jù)2012年9月現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)大、中、小潮水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)（測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖2）。為節(jié)約篇幅，僅以大潮為例給出了部分測(cè)站潮位、流速流向及含沙量驗(yàn)證結(jié)果，如圖6~圖7中所示。其它驗(yàn)證成果可見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好，符合現(xiàn)行《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》要求。

圖6 大潮潮位、流速流向驗(yàn)證Fig.6 Verification of the tide level and the flow velocity and direction

圖7 大潮含沙量驗(yàn)證Fig.7 Verification of the tide sediment concentration

4 綜合整治方案建設(shè)對(duì)水沙環(huán)境影響

4.1 流速變化情況

圖8和圖9中分別示意了現(xiàn)狀及工程實(shí)施后大潮漲、落急流速矢量圖。由模擬結(jié)果可見(jiàn)，現(xiàn)狀條件下，水東灣海域潮流運(yùn)動(dòng)呈典型往復(fù)流態(tài)，漲、落潮時(shí)口門(mén)處潮流運(yùn)動(dòng)呈輻聚和輻散態(tài)，其中外海流速較低，潮汐通道及潟湖內(nèi)潮溝處流速較高。綜合整治工程實(shí)施后，大范圍流態(tài)未改變，但灣內(nèi)由于疏浚加深，從而低潮位不再露灘，灣內(nèi)景觀效果可得到改善。此外，方案整治后，漲潮時(shí)水東灣東部存在小范圍回流。

為比較工程建設(shè)后灣內(nèi)及潮汐通道內(nèi)流速變化量值，布置取樣點(diǎn)如圖10，各取樣點(diǎn)工程前后平均流速見(jiàn)表1。分析可現(xiàn)，方案實(shí)施后，由于疏浚導(dǎo)致灣內(nèi)納潮容積擴(kuò)大，從而將吸納更多潮體進(jìn)入潟湖，而潮汐通道作為聯(lián)系外海和潟湖的紐帶，其流速有所增強(qiáng)，大潮平均在0.4~0.6 m/s左右，較工程前增幅介于0.1~0.4 m/s；而對(duì)于潟湖內(nèi)，由于地形浚深，漲落潮時(shí)流速略有降低，灣內(nèi)流速普遍減小，特別是大洲島西側(cè)及灣內(nèi)東北側(cè)水域均處在弱流區(qū)。

圖8 現(xiàn)狀大潮漲、落急流場(chǎng)圖Fig.8 Flow chart of the maximum ebb and flow of the current tide

圖9 方案實(shí)施后大潮漲、落急流場(chǎng)圖Fig.9 Flow chart of the maximum ebb and flow of the tide after construction

圖10 灣內(nèi)及潮汐通道流速取樣點(diǎn)位置Fig.10 Flow velocity sampling point in the tidal inlet

表1 各取樣點(diǎn)流速特征值及變化Table 1 The characteristic values and changes of the flow velocity in sampling points m·s-1

4.2 水體交換能力

對(duì)灣內(nèi)水體交換的模擬采用基于Euler思路的示蹤劑法。計(jì)算初始時(shí)刻在水東灣內(nèi)設(shè)置濃度為1.0 g/L的守恒性物質(zhì)，而其它區(qū)域濃度則設(shè)置為0，計(jì)算時(shí)段采用連續(xù)潮作用30 d。水體交換率定義為自灣內(nèi)擴(kuò)散至灣外的物質(zhì)總量占灣內(nèi)初始物質(zhì)總量的百分比。圖11中給出了現(xiàn)狀及綜合整治方案實(shí)施后水東灣的水體交換率時(shí)間過(guò)程。

經(jīng)分析，現(xiàn)狀條件下灣內(nèi)存在廣闊潮灘，落潮時(shí)可大面積出露，且灣內(nèi)地形坑洼不均，使得落潮時(shí)相當(dāng)一部分水體被滯留在灣內(nèi)，形成水體交換的“死角”，同時(shí)，近年來(lái)灣內(nèi)的持續(xù)圍墾使得灣內(nèi)納潮容積進(jìn)一步降低，導(dǎo)致潟湖內(nèi)納潮能力不足。因此，現(xiàn)狀條件下灣內(nèi)月交換率僅在65%左右。

然而，總體規(guī)劃方案實(shí)施后，灣內(nèi)浚深使得低潮位時(shí)已不再露灘，水體交換的“死角”被消除，且由于灣內(nèi)及航道疏浚導(dǎo)致納潮容積增大，潮汐通道內(nèi)流速相應(yīng)增強(qiáng)，更多外海潮體可被吸納進(jìn)入灣內(nèi)，因此水體交換率可有較大幅度提高，月交換率可達(dá)86%，較現(xiàn)狀條件下同比提升約10%~30%。

4.3 灣內(nèi)泥沙淤積

通過(guò)泥沙運(yùn)動(dòng)及地形沖淤數(shù)值模擬，圖12中給出了灣內(nèi)疏浚后不同位置處的正常年淤?gòu)?qiáng)分布。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，綜合整治方案實(shí)施后，水東灣內(nèi)平均正常年淤?gòu)?qiáng)約0.15 m/a。

總體來(lái)說(shuō)，水東灣內(nèi)疏浚后，正常年淤積較輕。究其原因，水東灣屬典型半封閉潟湖結(jié)構(gòu)，各向外海來(lái)浪均受掩護(hù)，且小風(fēng)區(qū)成浪波高較小，從而掀沙能力很弱。其次，由于各條入灣河流上游均已建閘，從而潟湖內(nèi)無(wú)充足沙源補(bǔ)給。第三，水東海域外海屬沙質(zhì)海岸，泥沙主要以床面附近推移運(yùn)動(dòng)為主，特別是在潮汐通道底高程達(dá)-14.3 m條件下，推移泥沙運(yùn)動(dòng)至潮汐通道時(shí)可迅速沉降，自底部運(yùn)移至灣內(nèi)的可能性極低。第四，工程海域懸沙濃度本身較小，實(shí)測(cè)大潮含沙量?jī)H在0.06 kg/m3以?xún)?nèi)。綜上分析，水東灣內(nèi)疏浚后無(wú)法形成較強(qiáng)的淤積，這與模擬結(jié)論相一致。

圖11 水東灣內(nèi)水體交換率時(shí)間過(guò)程Fig.11 Time course of the water exchange rate in Shuidong Bay

圖12 規(guī)劃方案灣內(nèi)正常年淤?gòu)?qiáng)分布（單位：m/a）Fig.12 The normal sedimentation distribution in Shuidong Bay of the planning（m/a）

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)潮流泥沙及水體交換數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)手段，模擬了水東灣綜合整治工程實(shí)施后的流場(chǎng)變化、灣內(nèi)水體交換及泥沙淤積情況，經(jīng)總結(jié)得到以下主要結(jié)論。

1）綜合整治方案實(shí)施后，灣內(nèi)及航道疏浚擴(kuò)大了納潮容積，潮汐通道內(nèi)流速較現(xiàn)狀有所增強(qiáng)，大潮增幅在0.1~0.4 m/s之間，灣內(nèi)流速略有減弱。

2）現(xiàn)狀條件下，灣內(nèi)水體交換不暢，連續(xù)潮作用1個(gè)月后水體交換率僅65%；方案實(shí)施后，水體交換能力大幅改善，月水體交換率可達(dá)到86%，較現(xiàn)狀同比提升10%~30%。

3）方案實(shí)施后，水東灣內(nèi)平均正常年淤?gòu)?qiáng)0.15 m/a，量級(jí)十分有限。

總體而言，水東灣綜合整治方案建設(shè)后，可有效增強(qiáng)潮汐通道內(nèi)流速，并大幅改善水體交換能力，并不會(huì)引起較強(qiáng)的灣內(nèi)淤積，因此方案規(guī)劃是有效的。

[1]羅鋒，廖光洪，楊成浩，等.樂(lè)清灣水交換特征研究[J].海洋學(xué)研究，2011，29（2）：79-88. LUO Feng，LIAO Guang-hong，YANG Cheng-hao，et al.Study on water exchange characteristics in Leqing Bay[J].Journal of Marine Sciences，2011，29（2）：79-88.

[2] 劉浩，潘偉然，駱智斌.深滬灣水交換特性的研究[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2008，27（2）：157-160. LIU Hao，PAN Wei-ran，LUO Zhi-bin.Study on water exchange characters in the Shenhu Bay[J].Marine Environmental Science，2008，27（2）：157-160.

[3]許雪峰，羊天柱.三門(mén)灣多個(gè)圍墾工程的整體影響數(shù)學(xué)模型研究[J].海洋學(xué)研究，2006，24（S）：49-59. XU Xue-feng，YANG Tian-zhu.Mathematical model study on overall impact of Sanmenwan Bay reclamation project[J].Journal of Marine Sciences，2006，24（S）：49-59.

[4]沈林杰，陳道信，黃惠明.溫州圍墾工程對(duì)河口水交換能力的影響[J].海洋學(xué)研究，2009，27（4）：72-76. SHEN Lin-jie，CHEN Dao-xin，HUANG Hui-ming.Impact of reclamation project on the water exchange capacity of the estuaries in Wenzhou[J].Journal of Marine Sciences，2009，27（4）：72-76.

[5]王靖鑫.旅順琥珀灣水質(zhì)整治方案研究[D].大連：大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013. WANG Jing-xin.Study on water quality improvement plan of Hupo Bay in Lvshun[D].Dalian：Master Dissertation of Dalian University of Technology，2013.

[6]解鳴曉，韓志遠(yuǎn).茂名市水東灣現(xiàn)場(chǎng)水文泥沙勘測(cè)及調(diào)查資料匯編[R].天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，2012. XIE Ming-xiao，HAN Zhi-yuan.The hydrological and sediment survey on site of Shuidong Bay in Maoming and the survey data collection[R].Tianjin：Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，M.O.T.，2012.

[7]解鳴曉，姚姍姍.茂名市水東灣水動(dòng)力及水體交換數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究[R].天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，2013. XIE Ming-xiao，YAO Shan-shan.Mathematical model investigation of hydrodynamic force and water exchange of Shuidong Bay in Maoming[R].Tianjin：Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，M.O.T.，2013.

Numerical modeling of the ompact on hydrodynamics and sedimentation of the regulation scenario of Shuidong Bay in Maoming

QIN Fu-shou1，YANG Ze-jun2，YAO Shan-shan3，LI Shan4
（1.CCCC First Harbor Consultants Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China；2.Tianjin Water Survey and Design Institute，Tianjin 300204，China；3.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，M.O.T.，Tianjin 300456，China；4.Tianjin Port Engineering Institute Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Company Ltd.，Tianjin 300222，China）

Based on the mathematical model test of tidal current&sediment and water exchange，the tidal currents variation，water exchange ability，and sedimentation of the regulation scenario of Shuidong Bay is simulated.The results show that after the construction of the regulation scenario，the mean speed increases with the maximum of 0.1~0.4 m/s in the tidal inlet，and the water exchange ability is increased significantly that the monthly water exchange rate increases to 86%compared to the present rate is only 65%.Besides，because the sediment supply is not abundant，the normal sedimentation is very limited after the construction，the mean annual sedimentation rate is only 0.15 m/a.In general，the comprehensive improvement scheme is effective.

numerical model；hydro-sedimentological environment；water exchange；sedimentation

U617

：A

：1003-3688（2014）03-0051-06

10.7640/zggwjs201403010

2013-10-08

2013-11-28

秦福壽（1964— ），男，河北保定人，高級(jí)工程師，主要從事港口航道工程研究。E-mail：qinfushou2004@163.com