小型海灣口門外建港水流、泥沙問題試驗研究

崔 崢，佘小建，陳培煥

（1.南京水利科學研究院，南京210024；2.泉州港口管理局，泉州362000）

小型海灣口門外建港水流、泥沙問題試驗研究

崔 崢1，佘小建1，陳培煥2

（1.南京水利科學研究院，南京210024；2.泉州港口管理局，泉州362000）

海灣口門外水流、泥沙條件較為復雜，進出灣水流互相交匯，這些區(qū)域建港難度較大。安海灣為一面積不足13 km2的小型海灣，擬建港區(qū)位于安海灣口門外西側。文章通過物理模型試驗對該處建港水沙條件進行研究，通過一系列工程措施優(yōu)化港區(qū)布置，有效改善了港區(qū)水流泥沙條件。

海灣口門；泉州港；石井作業(yè)區(qū)；水流泥沙；物理模型

港口宜建在岸線較為平順的水域，碼頭前水流與岸線基本一致，港區(qū)前盡量不要產(chǎn)生橫流、斜流、回流等復雜流態(tài)。但在特定的水域，如廈門嵩嶼港區(qū)［1］、劉五店港區(qū)［2］以及本文中研究的泉州港石井作業(yè)區(qū)，共同特點為：擬建港區(qū)位于海灣口門外，通過圍海形成港區(qū)陸域及岸線，進出海域的水流與灣外水流在港區(qū)分、匯流，水流泥沙條件較為復雜，岸線及港池、航道的布置形式將直接影響進、出灣水流結構及港區(qū)水流條件和泥沙回淤，需進行深入細致的研究。本文結合石井作業(yè)區(qū)港區(qū)規(guī)劃進行研究，并通過多種工程措施來優(yōu)化港區(qū)水流、泥沙條件。

規(guī)劃港區(qū)位于圍頭灣頂部、安海灣口門外西側，港區(qū)岸線4.0～4.5 km，圍海面積14～15 km2。南與金門島隔海相望，西鄰廈門翔安區(qū)，東靠泉州市區(qū)，是南安市最南端唯一的出海口。隨著改革開放不斷深入，南安市經(jīng)濟得到迅速發(fā)展，港口貨物吞吐量出現(xiàn)強勁增長勢頭，為充分利用該海域的航道和岸線資源，擬在南安石井鎮(zhèn)南部灘涂區(qū)圍海形成港區(qū)（圖1）。

圖1 石井作業(yè)區(qū)地理位置Fig.1 Geological position of Shijing port area

1自然條件

1.1圍頭灣、安海灣概況

圍頭灣位于廈門東側，東岸為晉江市，灣頂西岸為南安市，南臨金門島，距金門島僅5.6海里，灣口東側為圍頭角，目前建有圍頭灣港區(qū)。

安海灣為半封閉海灣，位于圍頭灣頂部，東側為晉江市東石鎮(zhèn)，西側為南岸市石井鎮(zhèn)，灣口向南，口門寬度僅0.7 km左右。海灣東西寬1.7 km，南北長8.6 km，目前海灣面積12.8 km2，灣內大部分為灘涂，污染情況較為嚴重，口門西側向灣內有一條狹長深槽。

1.2水文條件

（1）潮位。

工程所在圍頭灣潮汐屬于正規(guī)半日潮。根據(jù)2009年7月7日～8月6日一個月同步潮位觀測資料統(tǒng)計，圍頭角潮位主要特征值（85國家高程基準，m）如下：平均潮位0.31 m，最高潮位2.98 m，最低潮位-3.03 m，平均高潮位2.33 m，平均低潮位-1.59 m，平均潮差3.92 m，最大潮差5.96 m。

（2）潮流。

2010年1月圍頭灣海域進行了一次大范圍水文測驗［3］，潮型為大、小潮。水文測驗站位布置及大潮矢量圖見圖2。本次水文測驗共設置4個臨時潮位站，分別為圍頭角、石井、菊江和澳頭站，另外大潮布置了15條垂線、小潮布置了14條垂線，水文測驗范圍涵蓋了整個廈門東水道—圍頭灣海域。根據(jù)資料，大部分測點呈現(xiàn)往復流運動，流向基本與等深線走向一致。流速分布看，口門及深槽處流速較大，灘面流速較弱，口門處最大流速為0.8～0.9 m/s。

圖2 2010年1月大潮流速矢量圖Fig.2 Tidal ellipse of hydrometry during 2010，1 spring

（3）波浪。

根據(jù)1961年～1979年圍頭角簡易波浪觀測站資料進行統(tǒng)計，圍頭灣外海域以涌浪為主，常浪向為ESE，出現(xiàn)頻率為37％；次常浪向為NE和SE向，出現(xiàn)頻率分別為21.9％和16.4％。強浪向為ESE向，最大波高達7 m，次強浪向為SE和NE向，波高分別為6.8 m和6.5 m。

1.3泥沙特性

水文測驗統(tǒng)計，大小潮期間垂線平均含沙量0.022～0.069 kg/m3，正常條件下海域含沙量較低，冬季和夏季含沙量較為接近。大潮期間，懸沙d50為0.010 4～0.029 4 mm；小潮期間為0.007 7～0.033 mm。底沙分布從灣頂至灣口底沙逐漸變粗，工程區(qū)域大部分海域底沙平均中值粒徑為0.02 mm，為粉砂淤泥質，灣中部底沙粒徑為0.4～0.6 mm，為粗砂，可能與圍頭灣外波浪動力較強有關。

安海灣主要入港溪流被堵后，泥沙主要來自九溪雨季開閘排洪帶來的泥沙，另外來源為陸域侵蝕、養(yǎng)殖和排污及灣內泥沙來回搬運。

1.4航道沖淤

根據(jù)資料，2004～2005年、2006～2007年以及2008～2010年航道淤積很少甚至不淤，2007年航道浚深后至2008年，航道平均淤積30～35 cm。

2物理模型試驗研究

2.1模型概況

物理模型布置見圖3，圍頭灣海域為多口門海灣，為準確模擬該海域水流特性，尤其是港區(qū)的分匯流特點，模型范圍涵蓋圍頭灣海域、安海灣以及大嶝島海域，南側口門在圍頭角以外，西側位于廈門—小金門水道。模型對應現(xiàn)場東西向38 km，南北向30 km，包含海域面積490 km2。模型水平比尺λl＝650，垂直比尺λh＝120，變率5.4。

圖3 圍頭灣整體物理模型布置Fig.3 Physical model of Weitou bay

模型對2010年1月水文測驗大、小潮15條垂線和4個臨時潮位站進行了驗證，驗證結果顯示，潮位驗證結果良好；除個別點位于淺灘或者養(yǎng)殖區(qū)有誤差以外，大部分點流速、流向驗證情況良好，滿足規(guī)范要求。

2.2研究成果

（1）現(xiàn)狀條件水流特點。

圖4為現(xiàn)狀條件下工程區(qū)漲、落急流矢圖，圖5為漲、落半潮平均流速等值線分布。漲潮時來自圍頭灣水流在擬建港區(qū)前水域自然分流：向西進入大嶝水道，向北沿石井深槽進入安海灣，其他水體為向岸漫灘流。落潮流路徑與之相反，灣內大部分海域為往復流。擬建港區(qū)主流位于深槽段，灘面流速很弱，平均流速小于0.2 m/s，泥沙易于落淤，宜填海造地。

圖4 現(xiàn)狀條件下石井港區(qū)附近海域漲、落急流矢圖Fig.4 Flow vector along Shijing port under current conditions

圖5 現(xiàn)狀條件下石井港區(qū)附近海域平均流速分布（m/s）Fig.5 Distribution of flow velocity along Shijing port area under current conditions

（2）開挖港池前岸線布置及優(yōu)化（初始方案）。

研究初期在未開挖港池條件下，對多組岸線布置方案進行試驗，初步確定東側港區(qū)岸線，南側非港區(qū)岸線在岸線優(yōu)化方案1基礎上，東端點分別南延380 m、760 m、1 080 m，方案布置見圖6。

主要研究結論：岸線優(yōu)化原則為東、南岸線交點盡可能位于分、匯點附近。試驗中漲、落潮流分、匯流點與東、南岸線交點比較，初始方案1南岸線偏北，初始方案4則偏南，東、南岸線前漲、落潮流不平衡，造成漲潮時岸線端部出現(xiàn)回流，落潮水流與岸線發(fā)生分離，港區(qū)水流條件復雜，易造成港池泥沙淤積。初始方案2和方案3的岸線布置較合適，漲、落潮時東岸線和南岸線前水流均比較平順，港區(qū)水流條件較好。

（3）初始方案港池開挖后（方案0）水流條件。

根據(jù)岸線優(yōu)化試驗結果，設計單位對港區(qū)及航道范圍、水深進行了初步設計［4］，碼頭岸線總長4 512 m，岸線走向177°～357°，從南向北分別布置10萬t級～5 000 t級泊位，港區(qū)水深-6.0～-11.0 m，泊位區(qū)水深-9.5～-15.1 m，外航道水深為-9.5 m（圖7）。

圖6 港區(qū)岸線初始方案布置Fig.6 The initial project layout of Shijing port area

圖7 方案0港池布置Fig.7 Harbor basin layout of Project 0

圖8 改善港池水流條件工程方案布置Fig.8 Engineering project layout to improve the flow condition of harbor

與開挖前比較，由于港池開挖深度大且南側較寬（考慮航道走向），港池范圍水流流速明顯減弱，漲潮時分流點位置北移且分流區(qū)變寬，南岸線東端出現(xiàn)小范圍回流區(qū)；同時由于港池流速減弱，來自東側灘面的部分水流沿開挖線匯入港池，再沿港池向安海灣流動。落潮時港池南部流速較弱，來自安海灣部分落潮流向東沿灘面流出，南岸線水流相對較強。港池水域漲、落潮平均流速僅20～30 cm/s，流速分布較均勻。

港池和航道浚深后，港池流速明顯減弱，水流形態(tài)有所改變，漲落潮分匯流區(qū)北移，港區(qū)水流條件變差。為此，采取了一系列優(yōu)化工程措施嘗試改善港區(qū)水流條件。

（4）改善港區(qū)水流條件的途徑及效果。

為進一步改善港區(qū)水流條件，根據(jù)港區(qū)流場特性，采取多種工程措施，包括以下方面：

1）將港池范圍縮小至最合理的寬度，減少由于大范圍浚深引起的流場變化，增強港池歸槽水流作用；2）結合晉江圍填工程、安海灣整治工程，通過調整流場分布、縮窄港池寬度和增加納潮量來達到增強港池水動力目的；3）結合取沙工程對南岸線外水域浚深，減弱西側水流流速，達到平順港區(qū)水流形態(tài)目的；4）最后根據(jù)港區(qū)流場特性將港區(qū)岸線東移貼近主流區(qū)，進一步優(yōu)化港區(qū)水流條件。具體方案見圖8，各方案分析如下：

1）方案1：港池寬度不變，東側建圍堤。

港池浚深后，經(jīng)東側灘面進出港池水流較少，東側建圍堤后，港池水流沒有明顯改善。

2）方案2：安海灣局部清淤。

安海灣局部清淤（白沙頭以北2 km左右淺灘，清淤深度-2 m與港池逐漸銜接，面積約2 km2）后，灣內增加部分納潮量，港區(qū)北部流速稍有增加，但港區(qū)范圍較大，一部分水流通過灘面進出灣，港區(qū)南部流速沒有明顯增加。

3）方案3：港池范圍縮小。

港池縮小（航道也相應西移靠近岸線）后，漲潮時進港水流明顯加強，分流點仍偏北，分流點以南水流出現(xiàn)反向流并進入南岸線東端，兩岸線端部均出現(xiàn)回流；落潮水流隨兩股水流變化而動態(tài)變化：初期南側水流較強而東側弱；隨著安海灣來流增強后兩股水流強度逐漸接近后，流態(tài)趨于平順；由于安海灣清淤后納潮量增加，后期港池水流又強于南側。港池縮窄后，由于水流歸槽作用，港區(qū)附近水流流速均有一定程度的增加，從北向南斷面平均流速增加10％、30％和40％。

4）方案4：港池縮小后東側建圍堤（方案4-1（東圍堤）、方案4-2（西圍堤）、方案4-3（西圍堤縮短1.2 km））。

分析方案3流態(tài)，港區(qū)分、匯流點偏北，方案4希望通過東側圍堤導流作用歸順港區(qū)水流。與工程前比較，圍堤工程實施后，港區(qū)漲潮主流有所西偏，分流點位置也有所南移，港區(qū)南側流態(tài)有所改善，港區(qū)內水流強度沒有明顯增強。其中西圍堤方案相對較優(yōu)。

5）方案5：南岸線外取沙（加大水深）。

本次港區(qū)岸線規(guī)劃為圍海區(qū)東岸線，南岸線沒有規(guī)劃港區(qū)，港池開挖后流速減弱，南側岸線流速相對較大，兩側來流不對稱造成港池南部水流條件較差。結合港區(qū)吹填取沙，增加南側岸線外水深，降低南側水流強度，從而達到改善港池水流條件的目的。取沙寬度1 km，長度分別為2.5 km和4.5 km兩種方案，取沙深度與航道水深一致，航道也相應加寬，并與外航道連接。與取沙前比較，漲潮時港區(qū)南部流態(tài)明顯改善，岸線端部沒有明顯回流出現(xiàn)，落潮時水流不對稱情形也有明顯改善。取沙區(qū)范圍適當延長，港池南部水流進一步改善。從流速變化看，港池內流速變化不大，取沙區(qū)范圍流速有所減小，航道流速有所增強。

6）方案6：岸線局部調整。

采用以上措施優(yōu)化后，港池內流速較弱，漲潮時兩股水流的分流點仍略偏北，落潮時港池主流偏東。為此將岸線適當進行調整：東側岸線走向順時針旋轉4°，調整為173°～353°，南岸線東端回縮180 m，東岸線南端向東延伸280 m，港區(qū)圍填面積不變。岸線調整后，東側岸線愈貼近主流區(qū)，調整后兩段岸線交點基本處于分匯流區(qū)位置，港池流態(tài)較為平順，港區(qū)岸線布置基本合理。從流速看，與調整前比較，港池內水流強度明顯增強，南岸線外取沙后水流流速有所降低，分布均勻。

7）方案7：安海灣全清淤。

為進一步增強港區(qū)水動力，減少港區(qū)淤積，模型中對安海灣全清淤工況進行了試驗，清淤深度北部灣頂為0 m、中部-1 m、南部-2 m（理論基面）。試驗條件為港池范圍縮小、岸線局部調整、南岸線取沙、東側建圍堤。圖9為最后推薦方案、安海灣全清淤后港區(qū)附近漲、落急流態(tài)，結果表明，安海灣全清淤后，港區(qū)漲、落潮流態(tài)進一步改善，港區(qū)流速明顯增加，其中北部靠近口門處增加40％以上，中部增加30％左右，南側增加20％左右。

安海灣清淤后可以明顯改善灣內環(huán)境，增強港區(qū)水動力，減少泥沙淤積，建議有關部門加快實施安海灣清淤整治工程。

（5）港池泥沙回淤。

1）泥沙驗證。

圖9 推薦方案、安海灣全清淤條件下港區(qū)附近漲、落急流態(tài)Fig.9 The recommended project flow pattern along Shijing port area in the condition of Anhai bay full dredging

幾次水文測驗含沙量統(tǒng)計，大潮期間工程區(qū)垂線平均含沙量為0.049～0.062 kg/m3，平均0.06 kg/m3。模型中采用局部加沙的方法來滿足含沙量相似，根據(jù)模型中含沙量驗證結果，含沙量比尺取λs＝0.22。

根據(jù)資料，2007～2008年工程區(qū)航道平均淤積35 cm，模型中經(jīng)多次試驗，航道段平均回淤率34 cm/a，航道中淤積分布與實測地形基本相似，最后得出泥沙沖淤時間比尺λt2=576。

2）泥沙試驗結果。

圖10為正常天氣條件下港池及航道年回淤率（cm/a）分布?？梢钥闯觯蹍^(qū)形成后，正常天氣條件下港區(qū)回淤從北向南逐漸增加，北側安海灣口門處年回淤20～30 cm/a，港池南側回淤率為50～60 cm/a，航道向外?；赜僦饾u減小，至-10 m等深線處基本上無回淤，南岸線外回淤稍大于港池。

圖10 正常天氣條件下港區(qū)及航道附近年回淤率（cm/a）分布Fig.10 Sedimentation rate distribution near the port and waterway under normal weather conditions

3）一次大浪后回淤估算。

根據(jù)波浪推算結果［5］，港區(qū)和航道附近SE和SSE向50 a一遇重現(xiàn)期的設計波要素為H0s=1.7 m，Ts=9.0 s，風速為35.2 m/s。淤泥質海岸開敞海域的含沙量，常用劉家駒挾沙力關系式［6］來估算，關系式為

式中：S*為由風浪和潮流共同作用下的水流挾沙能力；Vb為潮流與風吹流的合成流速；Vw為波動水質點的平均水平振動速度。風吹流流速可近似地取為V吹=0.02W，Vw可由下式計算H為波高，h為水深，C為波速，W為風速。

根據(jù)當?shù)厮顥l件，計算大浪天港區(qū)海域含沙量為2.5～3.8 kg/m3，按照海港水文規(guī)范懸沙回淤計算公式［6］，大浪持續(xù)3 d，可以計算出一次大浪過后港池和航道淤積量為9～17 cm。

5主要結論

（1）安海灣為面積不足13 km2的小型海灣，規(guī)劃石井作業(yè)區(qū)位于安海灣口門外西側，擬通過淺灘填海形成港區(qū)。設計單位最初提出的港區(qū)岸線布置及港池、航道設計，由于港池較寬，港池內水動力弱，港區(qū)南部水流流態(tài)較差。

（2）本文在模型試驗基礎上，通過一系列工程措施來改善港區(qū)水流條件，并取得了較好的效果，其中包括：港池適當縮窄、安海灣清淤整治、港區(qū)南岸線外取沙增加水深、岸線適當調整以及東側建圍堤工程等。

（3）港區(qū)最終優(yōu)化方案條件下，正常天氣條件下港池年平均回淤率40 cm/a，最大60 cm/a，位于港池南端；一次大浪回淤9～13 cm。

（4）由于海灣、河口外水流、泥沙條件較為復雜，往往需要通過一定的工程措施優(yōu)化港區(qū)布置，本項研究為類似建港條件提供一定的借鑒作用。

［1］崔崢，佘小建，林云光，等.廈門港劉五店港區(qū)岸線規(guī)劃試驗研究［J］.中國港灣建設，2011（2）：21-26. CUI Z，SHE X J,LIN Y G,et al.Experimental Study on Coastline Programming of Liuwudian Port Area in Xiamen Port［J］.China Harbour Engineering,2011（2）:21-26.

［2］南京水利科學研究院.廈門港嵩嶼港區(qū)規(guī)劃調整方案物理模型試驗研究［R］.南京：南京水利科學研究院，2003.

［3］國家海洋局第三海洋研究所.泉州港圍頭灣港區(qū)石井作業(yè)區(qū)控制性詳細規(guī)劃海洋水文測驗專題報告［R］.廈門：國家海洋局第三海洋研究所，2009.

［3］福建省港航管理局勘測中心.泉州圍頭灣整體物理模型試驗研究水文泥沙測驗報告［R］.福州：福建省港航管理局勘測中心，2010.

［4］福建省交通規(guī)劃設計院.泉州港圍頭灣港區(qū)石井作業(yè)區(qū)港口岸線兩用規(guī)劃研究（送審稿）［R］.福州：福建省交通規(guī)劃設計院，2009.

［5］南京水利科學研究院.圍頭灣波浪場推算報告［R］.南京：南京水利科學研究院，2010.

［6］劉家駒.海岸泥沙運動研究及應用［M］.北京：海洋出版社，2009.

Experiment study on flow and sediment in port construction outside small bay mouth

CUI Zheng1,SHE Xiao?jian1,CHEN Pei?huan2
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210024,China；2.Quanzhou Port Authority,Quanzhou 362000, China）

The flow and sediment condition outside bay mouth is complex.Currents in and out of the bay come together,port construction is difficult in these areas.Anhai bay is a small bay with area of less than 13 km2,and the proposed port is located in Anhai bay outside the mouth on the west side.In this paper,the flow and sediment condi?tions of port construction in these areas were studied based on the physical model experiment.Through a series of engineering measures optimization of port layout,the flow and sediment condition in port was improved effectively.

bay mouth;Quanzhou Port;Shijing port area;current and sediment;physical model experiment

TV 142;TV 131.6

A

1005-8443（2016）04-0342-07

2015-10-22；

2016-03-07

崔崢（1970-），男，安徽省肥東人，高級工程師，主要從事河口、海岸動力泥沙研究。

Biography：CUI Zheng(1970-),male,senior engineer.