枸杞島防波堤工程數(shù)值模擬及泥沙回淤研究

柯杰，陶愛峰，李瑞杰，宋曉波，肖千璐

（1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；3.河海大學(xué)環(huán)境海洋實(shí)驗(yàn)室，南京210098）

枸杞島防波堤工程數(shù)值模擬及泥沙回淤研究

柯杰1，3，陶愛峰1，2，李瑞杰1，3，宋曉波1，3，肖千璐1，3

（1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；3.河海大學(xué)環(huán)境海洋實(shí)驗(yàn)室，南京210098）

島嶼附近海域水動力和泥沙運(yùn)動規(guī)律以及工程實(shí)施后引起的變化都具有復(fù)雜性和獨(dú)特性。文章通過建立多重嵌套式二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，對枸杞島擬建防波堤工程所引起的潮流場、含沙量場以及海床沖淤變化進(jìn)行了分析和預(yù)測。研究表明，擬建工程沒有改變大范圍海區(qū)的水沙環(huán)境，僅會引起島嶼周邊水動力的減弱，海床演變以淤積作用為主，淤積強(qiáng)度在0.1～0.3 m/a。

防波堤；潮流泥沙；數(shù)學(xué)模型；沖淤強(qiáng)度

舟山群島，是中國沿海最大的群島，有大小島嶼1 390個。枸杞島位于舟山嵊泗列島東部，長江與錢塘江入海口交匯處外圍，距菜園鎮(zhèn)30.6 km，陸地面積5.6 km2。地處于亞熱帶邊緣海區(qū)，氣候溫和濕潤，有明顯的季節(jié)性變化，枸杞島海域是嵊山漁場的一部分，島周圍淺海養(yǎng)殖條件優(yōu)越，水深質(zhì)清，潮流暢通［1-5］?，F(xiàn)鑒于改善枸杞島車渡碼頭的泊穩(wěn)條件，擬在枸杞島與西馬鞍島之間建設(shè)防波堤一座，以阻斷外海波浪沖擊力，維持水面平穩(wěn)，保護(hù)碼頭免受壞天氣影響。

防波堤工程可能會明顯改變枸杞島海域的水沙環(huán)境，給周邊養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境帶來不同程度的影響，可見研究防波堤工程對水沙動力環(huán)境的影響，具有重要意義。對于浙江嵊泗縣島嶼海岸工程引起的水沙環(huán)境變化，前人做過不少研究。王義剛［6］等建立了基湖沙灘附近水域的潮流場和波浪場的數(shù)值模型，并研究了嵊泗縣小金雞防波堤工程和圍海造地工程的實(shí)施對基湖沙灘所產(chǎn)生的影響。季榮耀［7］等在對嵊泗中心漁港海區(qū)已建工程影響下的水沙動力過程變化深入分析的基礎(chǔ)上，利用波浪和潮流共同作用下的二維泥沙數(shù)學(xué)模型，對擬建工程引起的潮流場、含沙量場以及海床沖淤變化進(jìn)行了分析和預(yù)測。

但此前研究區(qū)域主要集中在嵊泗本島附近海域，對于馬鞍列島海域工程建設(shè)所帶來的水沙環(huán)境影響研究不多。本文主要通過建立枸杞島近岸海域的潮流泥沙數(shù)值模型，比較防波堤工程前后的水沙環(huán)境的變化，并計算泥沙的沖淤情況，從而分析枸杞島防波堤工程對枸杞島海域的水沙環(huán)境的影響。

圖1 工程研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of engineering research area

1 工程海區(qū)水沙運(yùn)動特征

枸杞島海區(qū)潮波運(yùn)動是以M2分潮為主的東海前進(jìn)波系統(tǒng)控制，潮振動主要是由太平洋潮波引起的協(xié)振動形成。西北太平洋的半日潮波以東南—西北向傳入嵊泗列島附近海域，進(jìn)入研究海區(qū)。工程海域?qū)儆诓灰?guī)則半日潮淺海潮流類型，潮流較弱，流速較小。漲潮最大流速出現(xiàn)在高潮前約2 h，落潮最大流速出現(xiàn)在低潮前約2 h，本海區(qū)潮波接近前進(jìn)波。流向受本區(qū)域眾多島嶼的制約，流態(tài)較為復(fù)雜，海域3個測站的海流是以往復(fù)流為主并伴有旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的混合流態(tài)。

根據(jù)資料，工程海域垂線平均含沙量介于0.037～0.096 kg/m3，且落潮含沙量大于漲潮含沙量。含沙量在潮時上的分布情況一般為，大潮的含沙量最高，中潮次之，小潮的最小。從各站底質(zhì)泥樣的顆粒組成情況顯示，各站點(diǎn)的沉積物有粘土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)粘土兩種類型。懸沙與底沙粒徑屬于同一量級，反映本海區(qū)的淤積主要是懸沙淤積。

圖2 大、中、小范圍計算區(qū)域Fig.2 Large，middle and small computational scope

2 二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型及驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格與模型參數(shù)

首先建立大范圍模型（圖2），計算區(qū)域包括長江口海域、杭州灣海域以及舟山列島海域，用嵊山站綠華山站、大戟山站、杭州灣口站4個潮位站的實(shí)測資料進(jìn)行潮位驗(yàn)證。中范圍模型計算范圍為嵊泗列島海域，驗(yàn)證潮位采用3個實(shí)測站位（W1、W2、W3）的潮位觀測資料和綠華山、嵊山2個海洋站的連續(xù)潮位資料。

小范圍模型（圖3）北起馬鞍列島中部海域，南至黃澤洋北部海域，西鄰嵊泗列島以東大部海域，東邊界包含枸杞島全部及嵊山島西部，涵蓋嵊山錨地所處海域，與南北兩側(cè)開邊界相交。計算區(qū)域中包含海域面積約為359.59 km2。模型坐標(biāo)系采用當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)。以三角形網(wǎng)格剖分計算區(qū)域，對工程區(qū)進(jìn)行了局部加密，計算空間步長5～1 000 m，網(wǎng)格單元13 393個，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)7 007個。動邊界處理采用“干濕”網(wǎng)格點(diǎn)法，用臨界水深0.05 m作為“干濕”的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 模型的驗(yàn)證

模型起算時間為2013年4月13日00：00時，時間步長取為600 s，總計算時間為360 h。模型驗(yàn)證利用2013年的大、中、小潮實(shí)測水文泥沙資料。潮位測站（2個）、潮流測站（5個）如圖1所示，潮流測站包含流速、流向、垂向含沙量，覆蓋整個工程海域，適合本模型驗(yàn)證。受篇幅限制，此處僅給出W1潮位站和S1、S3、S5潮流測站的驗(yàn)證結(jié)果，如圖3、圖4所示。圖5為工程海域工程前的沖淤驗(yàn)證結(jié)果，枸杞島海域基本處于沖淤平衡，西馬鞍島北部海域處于輕微沖刷狀態(tài)，與實(shí)測資料相吻合。計算值與實(shí)測值相差較小，過程吻合較好，表明模型能較好地模擬工程區(qū)附近海域潮流泥沙運(yùn)動過程。

圖3W1測站潮位驗(yàn)證圖Fig.3 Verification of surface elevation process of W1 station

圖4S1、S3、S5測站大潮流速、流向、含沙量驗(yàn)證圖Fig.4 Verification of flow velocity，direction and sediment concentration of S1，S3，S5 station

3 擬建工程影響下水沙動力過程分析

3.1 潮流場變化分析

本研究給出了工程區(qū)附近海域的流場圖，圖6是工程區(qū)現(xiàn)狀漲急和落急時刻流場圖，圖7是防波堤建成后漲急和落急時刻流場圖。對比工程前后的潮流場可知，除工程區(qū)附近，防波堤對大范圍海區(qū)的整體流態(tài)，并沒有產(chǎn)生明顯的影響和變化。

工程實(shí)施前，研究區(qū)漲急時刻的潮流主要是由SE向NW流動，潮流一部分通過枸杞島和西馬鞍島之間的潮流通道，流速可達(dá)0.6～1.2 m/s，另外一部分通過西馬鞍島西邊海域，流速在0.6～0.9 m/s，潮流在黃石洞島附近，流速增大至1.2 m/s。落急時刻的潮流流向與漲急時刻潮流流向大致相反，呈往復(fù)流特征，落潮流速略小于漲潮流速。

圖5 工程前沖淤強(qiáng)度驗(yàn)證圖Fig.5 Verification diagram of erosion and deposition intensity before the reclamation project

圖6 防波堤工程前漲急與落急流場圖Fig.6 Flow field at flood and ebb strength of spring tide before the breakwaters project

防波堤工程建成后，漲急時刻潮流進(jìn)入枸杞島附近海域時，受到防波堤的阻擋，潮流直接進(jìn)入西馬鞍島西邊海域，使得流速明顯增大，較現(xiàn)狀最大增加0.1～0.15 m/s。而在防波堤北側(cè)，由于防波堤的阻擋作用，潮流無法通過，流速減小為0.1 m/s左右。落急時刻，在西馬鞍島和黃石洞島的北部海域，潮流流速有所增大，增值為0.07～0.12 m/s；潮流通過西馬鞍島西邊海域，在防波堤南側(cè)海域形成一個不太明顯的逆時針旋轉(zhuǎn)的小環(huán)流。

圖7 防波堤工程后漲急與落急流場圖Fig.7 Flow field at flood and ebb strength of spring tide after the breakwaters project

3.2 含沙量變化分析

由于枸杞島防波堤工程實(shí)施后，改變了工程海區(qū)的潮流環(huán)境，含沙量也出現(xiàn)了相應(yīng)的變化，但并未嚴(yán)重影響枸杞島大范圍海域的懸沙場。擬建防波堤工程實(shí)施后，含沙量的變化與流速的變化趨勢基本一致：流速減小，水流的挾沙能力減弱，含沙量變??；流速增大，水流的挾沙能力增強(qiáng)，含沙量變大。黃石洞島附近海域流速有小幅增加，泥沙含量也略微有所增加，增值為0.008 kg/m3左右；在靠近防波堤內(nèi)外兩側(cè)的水域，流速減小，挾沙能力減小，含沙量降低，南北防波堤之間的減小值為0.04～0.06 kg/m3，含沙量濃度為0.01～0.03 kg/m3，而在防波堤外側(cè)的減小值在0.01 kg/m3左右；在距工程較遠(yuǎn)的外海區(qū)，含沙量場工程前、后基本保持一致，維持在0.07 kg/m3左右。

3.3 海床沖淤變形分析

合理考慮不同波向代表波浪與潮流的聯(lián)合作用，計算工程海域泥沙運(yùn)動和年沖淤強(qiáng)度。防波堤建設(shè)引起的周邊水動力條件和含沙量的變化，會對枸杞島附近海域的海床沖淤產(chǎn)生一定的影響（圖8）。研究表明，枸杞島防波堤工程使得工程海區(qū)的水動力條件減弱，海床以淤積作用為主。工程實(shí)施1 a后普遍淤厚0.1～0.3 m；在兩座擬建防波堤外側(cè)和口門海區(qū)淤厚0.1 m左右，兩側(cè)部分海區(qū)淤厚較大，達(dá)0.3 m；南北防波堤之間的海區(qū)淤積強(qiáng)度較小，年淤積僅0.03 m左右；而在西馬鞍島北部海區(qū)，由于流速增加而呈現(xiàn)沖刷作用，年沖刷厚度0.3～0.5 m；黃石洞島北部海區(qū)海床也處于略微沖刷狀態(tài)，年沖刷厚度為0.1～0.3 m。

圖8 工程后沖淤強(qiáng)度分布圖（“-”為沖刷）Fig.8 Distribution diagram of erosion and deposition intensity after the breakwaters project

4 結(jié)語

針對嵊泗枸杞島海岸防波堤工程，建立了多重嵌套式二維模型，對枸杞島擬建防波堤工程所引起的潮流場、含沙量場以及海床沖淤變化進(jìn)行了分析和預(yù)測。研究表明，枸杞島防波堤的建設(shè)，對大范圍海區(qū)的整體流態(tài)并沒有明顯影響，僅在一定程度上改變了工程海域周邊的水沙環(huán)境。

擬建防波堤工程實(shí)施后，防波堤兩側(cè)水動力條件減弱，含沙量減少，泥沙落淤。工程實(shí)施一年后，防波堤區(qū)域海床普遍淤厚0.1～0.3 m，各種變化僅局限于防波堤工程附近海區(qū)，對外海養(yǎng)殖區(qū)影響較小。而靠近黃石島附近海域，流速增大，海床局部出現(xiàn)沖刷。

鑒于島嶼海岸的水動力和泥沙運(yùn)動規(guī)律極其復(fù)雜，建議進(jìn)一步收集基礎(chǔ)資料，尤其是波浪資料、臺風(fēng)暴潮作用下的含沙量資料等，以便于對島嶼海岸工程的持續(xù)深化研究。

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Numerical simulation of Gouqi island breakwater project and sediment siltation research

KE Jie1,3,TAO Ai?feng1,2,LI Rui?jie1,3,SONG Xiao?bo1,3,XIAO Qian?lu1,3
（1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098, China；2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China；3. Environment Marine Laboratory,Hohai University,Nanjing 210098,China）

The hydrodynamic and sediment transports around island coasts and the changes caused by coastal structures have their own complexity and uniqueness.On the basis of the multinest two?dimensional mathematical model for tidal currents and sediment transport,the changes of tidal current field,sediment concentration field and the seabed erosion and deposition caused by the Gouqi breakwaters were analyzed and predicted.Research results show that the hydrodynamic and sediment environment of large area has not been greatly affected after the imple?mentation of the proposed breakwaters,only the hydrodynamic conditions around the island changed obviously,and the seabed is deposited with a rate of 0.1～0.3 m/a.

breakwater;tidal current and sediment;mathematical simulation;erosion and deposition intensity

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2015）02-0121-05

2014-04-16；

2014-08-19

國家科技支撐計劃項目（2009BAB47B08）；國家自然科學(xué)基金（41276017）；國家海洋局公益項目（201205005-2）

柯杰（1989-），男，湖北省黃岡人，碩士研究生，主要從事河口海岸泥沙研究。

Biography：KE Jie（1989?），male，master student.