萊州灣東部外航道回淤預(yù)測及影響因素

朱龍海 , 徐永臣, 王 楠, 胡日軍 , 姜勝輝 , 張 偉

(1.中國海洋大學(xué) 海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室, 山東 青島 266100; 2.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院, 山東 青島 266100; 3.青島海大工程勘察設(shè)計開發(fā)院有限公司, 山東 青島 266100)

河口與海岸區(qū)域是人類重要的生存和發(fā)展場所,動態(tài)變化劇烈而復(fù)雜。近年來, 在全球氣候變化、海平面上升以及人類活動等因素的影響下, 河口與海岸演變機制成為多學(xué)科共同關(guān)注的重大問題[1], 河口海岸泥沙運移是其中的重要課題之一。

河口海岸航道(水道或潮道)開挖后, 破壞了原有的輸沙平衡, 航道會產(chǎn)生回淤。泥沙淤積是海岸港口航道工程所面臨的主要問題, 直接關(guān)系到港口與航道的維護費用及運營安全[2]。河口海岸開挖航道引起的回淤是泥沙研究中的重要內(nèi)容, 對航道建設(shè)意義重大。

自20世紀(jì)80年代開始, 國內(nèi)外學(xué)者對航道回淤開展研究[3-4]。航道回淤一般多采用實測水深地形資料對比[5]、半經(jīng)驗半理論公式[6]以及現(xiàn)場觀測和公式計算相結(jié)合的方法[7]。20世紀(jì)90年代以來, 泥沙物模和數(shù)模的發(fā)展為重大工程泥沙問題研究提供了新的手段[8]。數(shù)值模擬在海岸泥沙研究中呈現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢[9], 并應(yīng)用于航道的研究中。航道(河道、水道、潮道)的研究內(nèi)容包括水道中次生流的影響[10]、潮汐通道水動力[11]、沉積物輸運[12]和地貌動態(tài)變化模擬[13]、地層特征[14]、航道疏浚物運移路徑[15]、河口水沙數(shù)值模擬[16]、沙壩－瀉湖海岸攔門沙航道回淤[17]等。

泥沙回淤問題較為復(fù)雜, 在泥沙回淤機理上的認(rèn)識并沒有統(tǒng)一, 通常認(rèn)為開挖航道的回淤泥沙分懸移質(zhì)和推移質(zhì)兩部分[18]。但也有學(xué)者提出在風(fēng)浪作用下, 引起粉砂質(zhì)外航道淤積的泥沙有3部分, 即上部主體水流的懸移質(zhì)、臨底高濃度水體中的流移質(zhì)和底沙中的推移質(zhì)[19]。

航道回淤主要受水動力(波浪和潮流等)、泥沙(包括泥沙組成、含沙量大小等)以及工程建設(shè)等因素的影響[20]。同時, 航道治理工程也會引起水流、泥沙場的改變[21]。陳一梅[18]和馬進榮[22]分別提出了適用于沙質(zhì)海岸航道回淤計算公式。

本文根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料, 采用二維波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型研究了萊州灣東部外航道的泥沙回淤情況, 分析了航道回淤的時空變化特征, 探討了航道回淤機制。研究成果可為航道建設(shè)、維護及泥沙輸運研究提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東半島西北、渤海南部萊州灣東岸(圖1)。萊州灣灣口西起現(xiàn)代黃河新入?？? 東迄屺山母島高角, 灣口寬96 km, 海灣面積6 966 km2, 灣內(nèi)水深一般小于10 m, 最大水深18 m。萊州灣東部為砂質(zhì)海岸, 西部為現(xiàn)代黃河三角洲, 灣頂為粉砂淤泥質(zhì)海岸。萊州灣自西向東分布有黃河、小清河、濰河等十幾條河流[23]。

萊州灣具有大陸性氣候特征, 冬季寒冷, 夏季炎熱。1959年1月~1980年12月, 萊州市氣象站統(tǒng)計資料顯示, 年平均氣溫 12.4℃, 年平均降水量640.3 mm, 年平均霧日數(shù) 8.9 d。常風(fēng)向為北北東(NNE), 次常風(fēng)向為南南西(SSW), 頻率分別為13.15%和 11.79%; 強風(fēng)向為 NNE和北西(NW), 最大風(fēng)速23 m/s, 瞬時最大風(fēng)速可達(dá)34 m/s; 次強風(fēng)向為南西(SW), 最大風(fēng)速20 m/s。多年平均≥8級大風(fēng)日數(shù)20.8 d。1961~1981年, 龍口港驗潮統(tǒng)計資料顯示, 萊州灣東岸多年平均潮差0.91 m, 最大潮差2.87 m。1964~1982年, 龍口波浪觀測統(tǒng)計資料顯示, 多年平均波高為0.9 m, 最大波高5.6 m。常浪向和強浪向均為北東(NE), 出現(xiàn)頻率為 14%, 次常浪向為 NNE,頻率為9%[24]。

萊州港位于萊州灣東岸, 由于受現(xiàn)有航道等級的限制, 船舶只能減載、候潮進港, 現(xiàn)有航道已不能滿足這些泊位的通航要求。2012年 5月, 對萊州港航道按照 5萬噸級要求進行了開挖, 開挖后航道寬220 m, 底高程–14.8 m(當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?, 全長26.40 km。

2 數(shù)學(xué)模型

采用丹麥水力學(xué)研究所開發(fā)的 Mike 21二維潮流波浪泥沙數(shù)學(xué)模型進行計算[25], 該模型可用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙場等, Mike21為工程應(yīng)用、海岸及規(guī)劃提供完備、有效的設(shè)計條件和參數(shù), 在丹麥、埃及、澳洲、泰國、中國等許多國家和地區(qū)得到了成功應(yīng)用。

2.1 計算域和網(wǎng)格設(shè)置

所建立的海域數(shù)學(xué)模型計算域范圍如圖1所示,即為圖中 A(遼寧登沙河)、B(山東雞鳴島)兩點以及岸線圍成的北黃海及渤海海域。坐標(biāo)范圍為37°04′14.22″~40°58′08.25″N, 117°29′33.27″~122°41′36.62″E。采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格剖分計算域, 模擬區(qū)域內(nèi)由15 659個節(jié)點和26 885個三角單元組成, 最小空間步長25 m。

圖1 研究區(qū)位置、模擬區(qū)域及測站布置圖Fig.1 The location of the study area, the model domain and the location of the observation points

2.2 水深和岸線

水深和岸界選取中國人民解放軍海軍航海保證部制作的1: 100萬海圖(10011號), 15萬(11370號、11570號、11710號、11770、1840號、1910號)海圖以及近期萊州港航道水深地形測量資料。

2.3 邊界條件

開邊界條件引用遼寧登沙河(A點)、山東雞鳴島(B點)多年潮位觀測資料調(diào)和求得 M2、S2、K1和O1四個分潮的調(diào)和常數(shù), 按公式(1)輸入計算; 以大海域和工程周邊岸線作為閉邊界。

其中:σi是第i個分潮(取 M2、S2、O1 和 K1 四分潮)的角速度;Hi和gi分別為分潮的振幅和遲角;fi、(v0+u)i為天文變量。

2.4 其他參數(shù)

曼寧系數(shù)取值45~58 m1/3/s, 渦粘系數(shù)取0.28 m2/s,泥沙干容重取1 600 kg/m3。采用竇國仁[26]公式, 選取表層沉積物中值粒徑d50, 分別計算每個站位的泥沙起動臨界切應(yīng)力, 然后插值到每個網(wǎng)格節(jié)點, 泥沙起動剪應(yīng)力取值為0.70~2.0 N/m2。

3 結(jié)果和分析

3.1 水深地形和表層沉積物特征

3.1.1 水深地形特征

研究區(qū)水深為0~–12 m; –5 m以淺海域平均坡度在 7‰~12‰, –5~ –10 m 水深的海域平均坡度在2‰~4‰, –10 m以深海域平均坡度在1‰~2‰。萊州港東北側(cè)約2.6 km存在面積約0.6 km2的淺灘; 萊州港西側(cè)海域等深線與海岸線基本平行。萊州港港池和航道內(nèi)水深約–14.8 m。水深地形如圖1所示。

3.1.2 表層沉積物特征

研究區(qū)表層沉積物類型包括礫砂、砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂、黏土質(zhì)粉砂等(表1), 其中以砂和粉砂質(zhì)砂為主。表層沉積物粒徑由岸向海逐漸變細(xì), 中值粒徑為0.027 mm~1.349 mm。礫(>2 mm)含量為 0.1%~33.3%, 砂(0.063~2 mm)含量為 4.2%~94.3%, 粉砂(0.004~0.063 mm)含量為 0.4%~91.5%, 黏土(<0.004 mm)含量為 1.2%~10.2%。

表1 表層沉積物粒度參數(shù)Tab.1 The grain size parameters of the surface sediment

3.2 模型檢驗

3.2.1 潮位驗證

利用煙臺港、北隍城、鲅魚圈、塘沽、濰河口和萊州港等 6個潮位站歷史潮位觀測資料, 得到各分潮的調(diào)和常數(shù), 與模擬值進行比較, 結(jié)果表明: 各分潮的振幅誤差為 0.3~6.9 cm, 遲角誤差除個別大于10°外, 一般均小于10°(表2)。模擬得到各分潮的調(diào)和常數(shù)結(jié)果是基本合理的。

表2 各潮位站分潮調(diào)和常數(shù)模擬值與實測值的比較Tab.2 Comparison between the simulated sub-tidal amplitudes/phases and observed ones at the tide sites

3.2.2 潮流驗證

首先對國家海洋局北海預(yù)報中心于2007年7月14日7: 00~7月15日8: 00的2個站位(圖1中C3、C4)潮流觀測資料進行驗證。在此基礎(chǔ)上, 對中國海洋大學(xué)于2006年6月27日14: 00~6月28日14: 00的2個站位(圖1中C1、C2)潮流觀測資料進行驗證。潮流驗證曲線如圖2所示。結(jié)果表明, 對應(yīng)觀測點上潮流模擬值與實測值基本吻合。

圖2 潮流模擬值與實測值比較Fig.2 Comparisons between the simulated and measured tidal current velocities

3.2.3 懸浮泥沙驗證

將懸浮泥沙模擬結(jié)果與國家海洋局北海預(yù)報中心于2007年7月14日7: 00~7月14日17: 00的2個站位(C3、C4)懸浮泥沙觀測資料進行對比(圖3),結(jié)果表明: 懸浮泥沙濃度模擬值與實測值基本吻合。同時, 根據(jù) 1986~2004年不同時期 Landsat TM/ETM+影像懸浮泥沙濃度反演顯示, 正常天氣條件下, 漲潮和落潮期間, 萊州灣東部近岸海域懸浮泥沙濃度一般在 20~100 mg/L[27], 與模擬值均在一個數(shù)量級范圍內(nèi), 說明懸浮泥沙模擬結(jié)果基本合理。

圖3 懸浮泥沙濃度模擬值與實測值比較圖Fig.3 Comparisons between the simulated and measured suspended sediment

3.2.4 沖淤驗證

天津海事局海測大隊于2012年5~6月沿萊州港航道中心線兩側(cè)各500 m進行了1∶1000水深地形測量, 中誠國際海洋工程勘察設(shè)計有限公司于 2013年5月沿萊州港航道中心線兩側(cè)各500 m進行了1:2000的水深地形測量。將模擬得到的航道回淤量與2012~2013年的實測回淤量進行對比, 結(jié)果表明, 距離萊州港口門 400 m處航道內(nèi)回淤量最大, 往兩側(cè)回淤量逐漸減小, 從回淤厚度和趨勢上看, 模擬值與實測值基本吻合(圖4)。

圖4 航道回淤厚度模擬值與實測值比較Fig.4 Comparisons between the simulated and measured deposition thickness of channel

3.3 模型預(yù)測結(jié)果

3.3.1 流場和剪應(yīng)力分布

無風(fēng)條件下, 漲急時, 潮流自北東向南西流動;落急時, 潮流自南西向北東流動。無風(fēng)情況下, 航道兩側(cè)海域流速一般在0.4~0.6 m/s, 剪應(yīng)力在0.8~1.5 N/m2;航道內(nèi)流速一般在 0.3~0.4 m/s, 剪應(yīng)力在 0.5~0.8N/m2(圖5a、圖5b)。

采用 Mike21波浪和潮流耦合模型計算浪–流共同作用下的切應(yīng)力。結(jié)果表明: 在8級NNE和NW向大風(fēng)(風(fēng)速19 m/s)形成的波浪作用下, 流速明顯增加, 航道兩側(cè)海域流速一般在0.7~0.9 m/s、剪應(yīng)力在2.5~5 N/m2, 航道內(nèi)流速一般在0.5~0.7 m/s、剪應(yīng)力在 1.5~2.5 N/m2(圖5c、圖5d)。

圖5 潮流場和剪應(yīng)力分布圖Fig.5 Distribution of tidal current and shear stress

3.3.2 沖淤分布

無風(fēng)條件下, 萊州港周圍海域淤積速率一般在0.5~2.0 cm/a; 萊州港西防波堤北側(cè)處于侵蝕狀態(tài),侵蝕速率一般在1~20 cm/a, 最大可達(dá)26 cm/a。航道內(nèi)淤積速率一般在1~2 cm/a(圖6a)。

根據(jù)龍口1964~1982年波浪觀測資料統(tǒng)計結(jié)果,輸入模型模擬波流共同作用下沖淤狀況。結(jié)果表明,波流共同作用下, 萊州港周圍海域淤積速率一般在2~5 cm/a; 萊州港西防波堤北側(cè)堤頭外處于侵蝕狀態(tài), 侵蝕速率一般在1~40 cm/a, 最大可達(dá)45 cm/a。航道內(nèi)淤積速率沿航道里程總體呈先增后減的趨勢,距離萊州港口門 400 m處航道內(nèi)淤積速率最大, 為36 cm/a; 往兩側(cè)逐漸變小, 淤積速率一般在5~30 cm/a(圖6b)。

圖6 年沖淤分布圖Fig.6 Distribution of deposition and erosion

4 討論

4.1 影響因素分析

4.1.1 泥沙來源

萊州灣西岸和南岸主要有黃河、小清河等十幾條較大河流[23]。黃河為季節(jié)性多泥沙河流, 年平均來沙量達(dá) 6.33億噸, 占萊州灣河流入海泥沙量的99.75%, 其他河流僅占0.25%。近70%黃河入海泥沙沉積在近河口10~15 km范圍的水下三角洲內(nèi)[28], 其他地區(qū)沉積速率一般在0.5~0.1 mm/a[29]。

萊州灣東岸刁龍嘴與龍口之間主要有王河等河流(圖7), 均為山溪性雨源河流, 輸沙總量約 41.17~62.38萬噸[30]。其中, 以王河和界河為主。由于水庫攔沙和小流域綜合治理, 向海輸沙大大減少[24]。

圖7 萊州灣東岸泥沙運移趨勢分布圖Fig.7 The transport trends of sediment in the east coast of the Laizhou Bay

萊州港航道距離黃河三角洲現(xiàn)行河口約 77 km,黃河入海泥沙造成萊州港航道淤積量約0.5~0.1 mm/a;萊州灣東岸河流入海泥沙量少, 對萊州港航道淤積的貢獻(xiàn)較小。

萊州港航道回淤物質(zhì)分析表明, 淤積物為淤泥質(zhì)粉砂, 飽和、流塑狀態(tài), 說明本航道回淤主要以懸沙回淤為主。回淤泥沙主要來自航道兩側(cè)海底, 近岸砂質(zhì)沉積物的來源很少。

4.1.2 海洋動力

潮流是泥沙輸運的主要動力, 該海區(qū)潮流以往復(fù)流為主, 主流向為東北–西南向, 潮流流速一般在0.3~0.6 cm/s。航道開挖后, 增加了水深, 單寬流量略有增加, 但流速卻減小[31]。在正常天氣條件下, 航道呈相對緩慢淤積狀態(tài)。

風(fēng)浪掀沙主要為航道周邊灘面的泥沙被風(fēng)浪掀起隨潮流移至航道內(nèi)。根據(jù)龍口波浪觀測站統(tǒng)計資料, 波高小于0.5 m的頻率占71%, 波高小于3 m的頻率占98%, 波高在3~5 m的頻率占1%[24]。按照5 m的波高計算, 破波水深約為 6.4 m, 航道兩側(cè)海底水深大于9 m, 不會發(fā)生波浪破碎。根據(jù)6級、8級、10級和 12級大風(fēng)浪作用下的沖淤模擬結(jié)果(圖8),一次大風(fēng)浪作用下航道回淤厚度約23 cm, 不會發(fā)生一次大風(fēng)驟淤礙航的情況。同時, 與無風(fēng)條件下航道淤積速率1~2 cm/a相比, 大風(fēng)浪是造成航道淤積的主要動力因素。大風(fēng)浪條件下含沙量可達(dá)正常海況下的20倍[32]。航道回淤最強的時刻發(fā)生在風(fēng)后1 d左右, 港池隨時間推移而逐漸降低[33]。

圖8 各級大風(fēng)浪作用航道沿程淤積厚度圖Fig.8 The siltation thickness along the channel under different large waves

4.1.3 人類活動

由于水庫建閘和小流域綜合治理, 萊州灣東岸河流入海泥沙較少。同時, 圍海、護岸等近岸工程建設(shè), 對海岸起保護作用, 侵蝕泥沙減小。另外, 近年來, 近岸港口碼頭建設(shè)如海北嘴、三山島修建了防波堤、碼頭等, 防波堤堤頭最大水深約9 m, 大于破波水深, 阻擋了近岸泥沙向外航道輸送。

4.1.4 航道尺度

航道淤積量與航道深度和寬度有關(guān)[29]。航道的回淤量隨開挖深度的增加而增大。然而隨著航道的拓寬, 斷面平均回淤強度降低, 但回淤總方量仍然增加[34]。

4.2 航道沖淤演化機制

研究區(qū)的泥沙運動受海底地形、泥沙來源、潮流、波浪、人類活動等多種因素的共同影響, 是一個復(fù)雜的動力地貌過程。正常天氣條件下, 航道回淤機理為含懸浮泥沙的水流跨越航道, 流速減小, 挾沙能力降低而造成懸浮泥沙落淤, 形成航道淤積。大風(fēng)浪作用下, 航道的淤積機理為大風(fēng)引起的強浪掀起海底泥沙, 隨潮流進入航道內(nèi)落淤。

大風(fēng)浪造成航道回淤量可達(dá)到正常天氣下相同時間的幾倍、十幾甚至幾十倍。航道淤積泥沙主要來源于萊州港西側(cè)防波堤堤頭外側(cè)海底侵蝕來砂;由于受到水庫建閘、防波堤阻擋等因素影響, 河流來沙和沿岸輸沙對航道回淤的貢獻(xiàn)不大。由于航道兩側(cè)海底水深大于波浪破波深度, 本航道發(fā)生驟淤的可能性較小。

5 結(jié)論

1) 采用波流共同作用下二維泥沙數(shù)學(xué)模型研究了萊州灣東部外航道的回淤情況。模型檢驗結(jié)果表明, 潮位、潮流、懸浮泥沙、航道回淤量模擬值與實測值基本吻合。

2) 正常天氣條件下, 航道內(nèi)流速明顯小于航道兩側(cè)的流速, 航道內(nèi)和兩側(cè)流速分別為 0.3~0.4 m/s和0.4~0.6 m/s; 8級大浪作用下, 航道內(nèi)和兩側(cè)流速分別為0.5~0.7 m/s和0.7~0.9 m/s。無風(fēng)條件下航道回淤量 1~2 cm/a, 遠(yuǎn)小于大風(fēng)浪條件下航道回淤量5~30 cm/a。

3) 航道回淤主要影響因素包括泥沙來源、潮流、波浪以及人類活動等。正常天氣下, 水流跨越航道,流速減小、挾沙能力下降導(dǎo)致的懸沙落淤是航道淤積的主要原因, 但淤積量有限。大風(fēng)浪是造成航道淤積的主要動力因素, 其淤積泥沙主要來源于海底侵蝕來沙, 河流來沙和沿岸輸沙對航道淤積的貢獻(xiàn)不大。從水深地形、泥沙來源、底質(zhì)類型、水文動力條件等方面分析, 航道發(fā)生驟淤的可能性較小。

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