欽州灣老人沙圍墾水動力泥沙影響物理模型試驗研究

張 磊, 佘小建，馬進榮

(南京水利科學(xué)研究院 港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點實驗室，南京 210029)

圖1 欽州灣位置示意圖Fig.1 Location of Qinzhou bay

欽州灣位于廣西欽州市以南的海域，灣內(nèi)島嶼眾多，淺灘與潮溝交替，欽州灣分為內(nèi)灣和外灣，內(nèi)灣也稱茅尾海，海灣面積約380 km2(圖1)。目前該灣建設(shè)的很多工程影響了欽州灣水動力環(huán)境和泥沙運動[1-3]。規(guī)劃老人沙圍填海方案位于欽州灣外灣青菜頭以南的淺灘水域，正處于漲、落潮水流通道的口門區(qū)，與單純的海岸淺灘圍墾水流變化并不一樣[4-5]，這一區(qū)域的圍墾形狀和大小直接影響灣內(nèi)水流流路和納潮量。

鑒于欽州灣內(nèi)淺灘圍墾影響巨大，要對規(guī)劃圍填海方案水動力變化，納潮量及泥沙淤積影響作出評估。利用潮流泥沙物理模型試驗研究[6-7]圍填海水動力變化及泥沙淤積是一個可靠的技術(shù)方法?；诔绷髂嗌澄锢砟Ｐ?，對欽州灣潮流泥沙及方案水動力泥沙環(huán)境變化進行了專門研究。

1 自然條件

1.1 潮汐和潮流

欽州灣潮汐性質(zhì)比為4.60，屬正規(guī)全日潮，潮流屬不規(guī)則全日潮流，平均潮差2.40 m。該灣漲潮時漲潮流由西南進入灣內(nèi)后，在東側(cè)呈NNW流向青菜頭，落潮方向相反，一般落潮流速大于漲潮流速，夏季落潮流大于冬季落潮流，龍門通道水流流速最大[8-11]。

欽州灣海域的潮流運動往復(fù)流特征明顯，較大的漲、落潮流速一般均出現(xiàn)在主水道內(nèi)，龍門水道潮流明顯強于其他區(qū)域(圖2)。

圖2 潮流橢圓圖Fig.2 Graph of tidal current ellipse

1.2 風(fēng)浪

欽州灣常風(fēng)向N向出現(xiàn)頻率為26%，強風(fēng)向為南向海上來風(fēng)向。灣內(nèi)波浪主要是風(fēng)浪，波向和風(fēng)向基本一致，年平均H1/3為0.5 m，年平均T1/3為3.3 s。 受島嶼及淺灘掩護，老人沙水域波浪不強。

1.3 泥沙特征

欽州灣沉積物類型分布復(fù)雜[12-14]， 5 m等深線以上平均中值粒徑約0.22 mm左右，圍墾區(qū)淺灘即為沙質(zhì)環(huán)境；5 m等深線以下平均約為0.065 mm左右；欽州港深水航道內(nèi)的樣本均為淤泥質(zhì)，中值粒徑一般小于0.007 mm。

夏季施測海域?qū)崪y漲、落潮平均含沙量為0.017 kg/m3，冬季施測海域?qū)崪y漲、落潮平均含沙量為0.008 kg/m3，夏季略大于冬季。平面分布上，北部水域含沙量大于南部水域。欽州灣內(nèi)懸沙平均中值粒徑為0.008 5 mm左右。

2 潮流泥沙物理模型

2.1 模型比尺設(shè)計

物理模型研究老人沙圍填海工程，因老人沙方案位于龍門水道出?？谒颍芯繀^(qū)域需要涵蓋整個欽州灣水域，包括內(nèi)灣茅尾海，模擬區(qū)域約70 km×35 km(圖1)。模型設(shè)計主要滿足水流運動相似和泥沙沉降相似。物理模型研究確定模型水平比尺λl=700，垂直比尺λh=100，即變率為7.0。

2.2 模型加糙

欽州灣海域現(xiàn)場糙率np取值0.015，物理模型水泥面糙率為0.012左右，因此模型需要加糙。根據(jù)徐華的研究[15]三角橡皮塊在潮汐模型中加糙可以解決漲落潮糙率不同的問題，為此模型采用三角橡皮塊梅花形加糙。

2.3 懸沙選擇

模型主要考慮懸沙運動相似。潮流條件下懸沙沉降運動相似比尺為1.43，原型泥沙絮凝沉速為0.05 cm/s，則模型要求模型沙沉速為0.035 cm/s。

根據(jù)筆者經(jīng)驗[16]，用木粉(濕容重為1.16 g/cm3)可較好地模似細顆粒泥沙沉降運動。根據(jù)斯托克斯沉速公式，中徑0.07 mm木粉沉速可以滿足懸沙沉降運動相似要求。泥沙沉速比尺為1.43，沖淤時間比尺為568。

2.4 潮汐水流驗證

物理模型采用2009年1月大潮(圖2)驗證，果子山、核電廠和沙耙墩潮位過程模型相位與實測基本一致，潮位極值最大偏差0.09 m(圖3)。流速驗證點流速過程模型相位與實測走勢一致，模型中漲、落潮最大流速與實測值大小點偏差基本在±10%以內(nèi)(圖4)。

圖3 潮位過程驗證Fig.3 Tidal level process verification

圖4 大潮流速、流向驗證過程Fig.4 Verification of current velocity and direction process

2.5 淤積驗證

根據(jù)2009年9月～2010年6月期間9個月老人沙東航道的淤積作為模型懸沙淤積驗證資料。欽州灣東航道的泥沙淤積最大淤強為0.46 m，平均淤強為0.31 m，模型航槽內(nèi)泥沙淤積最大淤強為0.44 m，平均淤強為0.32 m。航槽內(nèi)泥沙淤積沿程分布、淤積厚度與實測基本一致，最終確定泥沙沖淤時間比尺為λt2=546。

3 老人沙圍墾方案水動力影響及泥沙淤積

圖5 圍墾方案示意圖Fig.5 Graph of reclamation plan

3.1 老人沙圍墾方案說明

老人沙圍海規(guī)劃區(qū)域基本為淺灘，水深在0 m，規(guī)劃圍海方案有3個(圖5)。各方案均為東南—西北條形布置，北側(cè)岸線似梯形，東面和西面岸線均與航道走向平行。方案0為基礎(chǔ)方案，圍墾面積最小為10.74 km2，南側(cè)岸線為直線，直接聯(lián)系東、西岸線；方案A圍墾面積為11.49 km2，與方案0的區(qū)別是南岸線為三段折線連接?xùn)|、西面岸線；方案B圍墾面積最大為12.30 km2，南岸線也為三段折線連接?xùn)|、西面岸線，但南岸線折線更曲折。3個方案主要區(qū)別在于圍墾區(qū)域南岸線形狀走向的不同。

3.2 工程對流態(tài)影響

圍墾方案形狀基本順水流流向布置，由于方案南部處于漲潮水流迎面區(qū)域，外海漲潮水流被規(guī)劃圍墾方案南岸分成左、右兩股，兩股水流基本與規(guī)劃圍墾東、西岸線及航道平行行進，利于船舶航行安全。兩股水流匯于青菜頭北面水域；落潮時，規(guī)劃方案北面有青菜頭分流，圍墾方案本身影響落潮水流不甚明顯(圖6和圖7)。

鑒于圍墾方案南岸對漲潮流影響大，規(guī)劃圍墾方案在南端岸線不同走線對漲潮水流影響明顯，方案B因南部岸線拐角多，岸線相對圓滑，挑流現(xiàn)象不明顯(圖7)。圍墾方案充分利用北端青菜頭島嶼分流，優(yōu)化南端岸線形狀，盡量減少分匯流影響。

6-a漲急照片6-b落急照片7-a漲急流矢7-b落急流矢圖6 圍墾方案A形成后漲、落急流態(tài)圖Fig．6GraphofflowregimeafterreclamationplanA圖7 圍墾方案B形成后漲、落急流矢圖Fig．7GraphofflowvectorafterreclamationplanB

3.3 工程后水動力變化

圖8 圍墾方案B形成后平均流速變化(工程后-工程前)Fig.8 Graph of mean velocity change after reclamation plan B

雖然圍墾方案充分利用地形地貌及水流特點，但圍墾方案面積較大，又占用漲、落潮過水通道，規(guī)劃方案西面過水通道水流平均流速增強，增加在0.10 m/s以內(nèi)，東、西航道水流流速略有降低；規(guī)劃方案南端形成分匯流，平均流速降低達到0.30 m/s；局部拐角平均流速增加達0.35 m/s左右(圖8)。

規(guī)劃3個圍墾方案圍海面積差別不是很大，老人沙新圍墾所占海灣面積為3.0%左右；圍墾方案減少的水域納潮面積體現(xiàn)到口門流速上，口門區(qū)域平均流速降低約0.03 m/s；欽州灣口門斷面納潮量減少4.0% 左右。

圍墾位置雖然在淺灘上，但淺灘地形不是很高，圍墾方案引起了通道水流重新分配，通道中增加的水流強度受岸線及邊界的限制，不足以抵消圍墾區(qū)內(nèi)減少的部分水流，口門區(qū)水流和灣內(nèi)納潮量還是減少。

3個圍墾方案僅南部岸線有區(qū)別，圍墾方案對流態(tài)、水流變化及納潮量影響差別不大，但圍墾方案B南岸線水流相對平順，為較優(yōu)方案。

3.4 工程后附近航道泥沙淤積

根據(jù)水流成果進行較優(yōu)圍墾方案泥沙淤積試驗，因方案實施后，淺灘泥沙來源不復(fù)存在，航道泥沙淤積主要是懸浮細顆粒泥沙淤積。泥沙淤積模型試驗中，東側(cè)港池航道平均回淤強度為0.19 m/a，最大淤強0.25 m/a；西側(cè)港池航道平均回淤強度為0.11 m/a，最大淤強0.15 m/a。東側(cè)航道淤積大于西側(cè)航道，這與圍墾方案實施后，東部航道落潮流速減弱有較大關(guān)系?？傮w上，泥沙淤積強度不是很大，圍墾圈住了淺灘粗沙運動，利于航道維護。

4 結(jié)論與建議

(1)欽州灣水域潮流以往復(fù)流為主，落潮流強于漲潮流，潮差不是很大。沉積物特征表明淺水區(qū)顆粒較粗，老人沙圍墾區(qū)即為0.22 mm的沙質(zhì)；航道及深水區(qū)為淤泥質(zhì)細顆粒泥沙，懸沙平均中值粒徑為0.008 5 mm左右。

(2)在分析本海域潮流、泥沙、波浪條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)用潮流泥沙物理模型試驗研究圍墾開發(fā)方案，模型潮位、水流和泥沙淤積驗證良好，具備方案試驗條件。

(3)物模試驗研究表明，在欽州灣漲、落潮通道淺灘處口門圍海，利用地形地貌順水流布置，南岸線優(yōu)化后的B方案可以平順附近通道水流。圍墾圈住了淺灘粗沙運動，利于航道維護。但圍墾方案面積較大造成欽州灣灣內(nèi)納潮量減少，因此在欽州灣口門圍墾還應(yīng)謹慎為好。

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