溫嶺市南海涂促淤工程促淤效果研究

邵 瑋

(浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310006)

溫嶺市是浙江省東南沿海，新興的對(duì)外開放城市，全國綜合實(shí)力百強(qiáng)縣(市)之一。隘頑灣位于溫黃平原南部、楚門半島東北，北靠東浦農(nóng)場，南通披山洋，東起溫嶺石塘山，西至玉環(huán)縣棧臺(tái)山，為半圓形沿岸海灣。隘頑灣[1]東西長14.8km，南北寬14.4km，海域面積124km2。沿岸灘涂廣闊，基底以淤泥為主，水深多在5m以內(nèi)。

溫嶺市南海涂促淤工程位于石塘半島西側(cè)、東浦塘南側(cè)灘涂上，與在建的擔(dān)嶼圍涂工程相鄰，距離溫嶺市區(qū)約15km。圍區(qū)東接松門的南片新塘和石塘的上馬工業(yè)區(qū)，北連箬橫鎮(zhèn)東浦農(nóng)場，西面為觀岙丘陵山區(qū)，南面為開敞式海域。

1 水動(dòng)力泥沙特征

1.1 潮汐

工程水域隘頑灣潮汐類型屬正規(guī)半日潮，潮汐一日內(nèi)兩漲兩落較為規(guī)則，其平均落、漲潮歷時(shí)較為接近，平均漲潮歷時(shí)僅比落潮歷時(shí)長約10min。

根據(jù)相關(guān)實(shí)測資料表明，工程海域隘頑灣就浙江海域而言，為中等潮差海區(qū)，其潮差稍小于坎門海洋站。本次觀測月份隘頑灣最大潮差為5.53m，平均潮差3.54m，而坎門海洋站同步期間的最大潮差為5.98m，平均潮差3.91m。相比之下，兩者潮差相差約0.40m。

1.2 潮流

工程區(qū)水域潮流屬正規(guī)半日潮流類型，淺海效應(yīng)顯著，主要呈往復(fù)流運(yùn)動(dòng)形式。東海潮波以前進(jìn)波的形式，由東南向西北挺進(jìn)，傳至浙江近岸，受岸壁阻礙、島架堵截和地形制約的作用，多沿水道或岸線走向傳播。因此，影響本工程水域的漲、落潮流路大致如下：

(1)漲潮流:由外海進(jìn)入的漲潮流大致由東南-西北向流入隘頑灣，也有一部分由積谷洋傳入的漲潮流自東北向西南向流經(jīng)石塘灣。

(2)落潮流:來自隘頑灣的落潮流，大致由西北-東南向影響整個(gè)測區(qū)。

由水文測驗(yàn)的相關(guān)資料可知，工程區(qū)水域總體來看為落潮流強(qiáng)于漲潮流，潮流強(qiáng)度不大，流速大小隨潮汛變化較為規(guī)律；隘頑灣區(qū)實(shí)測最大流速為83cm/s，石塘灣區(qū)實(shí)測最大流速為58cm/s。在垂向分布上，最大流速多出現(xiàn)在中層以上，隨深度遞增，流速逐漸有所減弱。

工程區(qū)的潮波運(yùn)動(dòng)以駐波形式為主，漲潮流最大流速出現(xiàn)在最高潮位前2～3h，而落潮流最大流速則出現(xiàn)在最低潮位前2～3h，憩流或轉(zhuǎn)流多發(fā)生在平潮前后。

工程海域表層最大余流為15.1cm/s。余流的流速值隨潮汛變化而變化，總體上表現(xiàn)為大潮>中潮>小潮。垂向上余流值大體上是表層大于中層，中層大于底層。

1.3 泥沙

根據(jù)相關(guān)水文測驗(yàn)資料[2]可知工程海域平均含沙量為0.1365kg/m3；垂線平均值在0.0442～0.3865kg/m3之間；實(shí)測最大含沙量為0.7420kg/m3，實(shí)測最小值0.0073kg/m3。

含沙量在q<0.1kg/m3之間的出現(xiàn)頻率最大占52.82%；含沙量在0.1kg/m3≤q<0.2kg/m3之間的出現(xiàn)頻率占27.99%；含沙量在0.2kg/m3≤q<0.5kg/m3之間的出現(xiàn)頻率占16.70%；含沙量在0.5kg/m3≤q<0.8kg/m3之間的出現(xiàn)頻率占2.47%。各站含沙量均小于0.8kg/m3，說明了工程區(qū)觀測期間含沙量不大，低含沙量出現(xiàn)頻率高。

工程海域大、中、小潮的平均含沙量分別為0.1471、0.1586、0.1040kg/m3；漲潮平均含沙量為0.1369kg/m3，落潮為0.1364kg/m3；漲、落潮含沙量基本相等；含沙量的垂向變化明顯，隨著水深的增加，含沙量逐漸升高。

2 二維潮流數(shù)學(xué)模型

2.1 模型的建立

2.1.1 計(jì)算軟件

本次數(shù)模計(jì)算采用丹麥水利研究所(DHI)的MIKE21軟件[3]進(jìn)行計(jì)算。該軟件具有用戶界面友好、前后處理功能強(qiáng)大、計(jì)算穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.2計(jì)算范圍[4]及計(jì)算域網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型區(qū)域范圍南起北緯27°50＇，北至北緯28°30＇，最東至東經(jīng)122°，計(jì)算域的東西距離為78km，南北距離為80km。為更好的模擬工程海域的水動(dòng)力特征，整個(gè)區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，并在工程附近進(jìn)行局布加密，以保證工程前后流場模擬的精度(如圖1所示)。

圖1 數(shù)模計(jì)算網(wǎng)格布置

2.2 模型的驗(yàn)證

本模型潮流驗(yàn)證資料采用2010年6月水文測驗(yàn)期間獲取的6個(gè)潮流站的資料。潮位驗(yàn)證資料采用2010年6月石塘臨時(shí)潮位站的潮位資料；潮位站及測流站布置如圖2所示。

圖2 潮位站及測流站布置圖

限于篇幅，這里只給出部分測站大潮的潮位、流速流向驗(yàn)證曲線(如圖3、4所示)。從模型的驗(yàn)證過程來看，無論是計(jì)算的數(shù)值還是相位，均與實(shí)測值基本吻合。漲落潮流態(tài)與海區(qū)地形輪廓相符。因此該模型的驗(yàn)證是成功的，可以用來計(jì)算海區(qū)內(nèi)工程方案前后潮流場并進(jìn)行水流特性的研究分析。

圖3 石塘潮位站大潮潮位驗(yàn)證曲線

圖4 1#點(diǎn)流速流向驗(yàn)證曲線

3 促淤工程方案潮流計(jì)算

3.1 促淤方案

結(jié)合本工程實(shí)際地形、地質(zhì)、潮流以及泥沙條件，推薦4種促淤方案[5- 6]進(jìn)行研究。

方案1：全線潛壩方案(不繞島)

方案2：高壩+口門方案(不繞島)

方案3：全線潛壩方案(繞島)

方案4：高壩+口門方案(繞島)，堤線布置如圖5～8所示。

圖5 方案1促淤堤平面布置圖

圖6 方案2促淤堤平面布置圖

圖7 方案3促淤堤平面布置圖

圖8 方案4促淤堤平面布置圖

3.2 促淤方案實(shí)施前后流場變化分析

各促淤工程實(shí)施后，對(duì)大面的流場改變不大，其變化區(qū)域主要集中在工程海域附近。在工程海域附近，受促淤堤阻擋，工程前沿潮流動(dòng)力明顯減弱，但潮流性質(zhì)沒有發(fā)生變化，擬建工程前沿水深相對(duì)較淺，潮流仍然以往復(fù)流為主。促淤堤前沿的流矢方向有所轉(zhuǎn)向，工程前促淤堤位置處潮流流向?yàn)槟?北流向，而工程實(shí)施后基本為順堤流向，整體流速均較弱。

3.3 各促淤方案實(shí)施前后流速變化分析

流速變化集中在工程區(qū)域附近，對(duì)大范圍的潮流影響不大。促淤堤前沿約2km的范圍內(nèi)，漲落潮流速減小幅度為20%～40%。整個(gè)促淤堤南側(cè)的隘頑灣水域內(nèi)，漲落潮流速均有所減弱，減小幅度均在18%以上，越靠近促淤堤工程的水域漲落潮流速減小幅度越大。促淤堤內(nèi)側(cè)特別是促淤堤內(nèi)拐角區(qū)域潮流動(dòng)力明顯減弱，流速有較為顯著的減小，最大減幅約50%。留口門方案在口門處潮流動(dòng)力明顯增強(qiáng)，流速有一定的增加，最大增幅約45%。

式(16)表明：協(xié)同成員pi的知識(shí)掌握程度W(pi,K)可表示為協(xié)同成員pi與其所掌握的知識(shí)點(diǎn)之間的邊權(quán)權(quán)重之和；協(xié)同成員pi與其他成員間的關(guān)聯(lián)關(guān)系強(qiáng)度W(pi,P)可表示為協(xié)同成員pi與其所關(guān)聯(lián)的其他協(xié)同成員之間的邊權(quán)權(quán)重之和。

4 不同促淤方案的促淤效果分析

4.1 海床沖淤估算方法

由于本工程附近海域缺乏長歷時(shí)水文、泥沙及地形實(shí)測資料，因此本工程實(shí)施后導(dǎo)致的附近海床面沖淤變化的預(yù)測方法，主要通過定床潮流計(jì)算得到的水流要素，采用半經(jīng)驗(yàn)半理論公式進(jìn)行估算和預(yù)測。根據(jù)泥沙運(yùn)動(dòng)理論中的輸沙平衡原理，若只考慮潮流的挾沙能力[7- 8]則:

(1)

式中，H—際水深；g—重力加速度；k—挾沙系數(shù)。在實(shí)際懸浮濃度大于S*時(shí)，則發(fā)生泥沙沉降過程。若工程前泥沙處于沖淤平衡狀態(tài)，那么由于工程后使部分水域流速衰減，導(dǎo)致挾沙能力的減弱而發(fā)生沉降。根據(jù)這一原理可以估算工程后泥沙沖淤厚度。

工程后的海床地形預(yù)測選用半經(jīng)驗(yàn)半理論的回淤強(qiáng)度公式[9]計(jì)算：

(2)

式中，S*—沙能力；v1、v2—工程前、后的垂線平均流速(由模擬得到)；h1、h2—工程前、后的水深。

計(jì)算過程中含沙量的選取依據(jù)2010年6月水文測驗(yàn)期間獲取的其中6個(gè)測站的資料。本次計(jì)算主要選取工程附近各點(diǎn)的全潮垂線平均含沙量的平均值，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)各方案促淤堤不同頂高程進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4.2 各促淤方案實(shí)施后淤積效果分析

由于南海涂促淤工程的實(shí)施，使海域流場發(fā)生了變化，由此必然引起海域海床的沖淤變化。

促淤工程方案1實(shí)施1年后，促淤堤內(nèi)側(cè)水域淤積幅度基本在0.20m以上，促淤區(qū)平均淤高0.59m。從淤積分布來看，在靠近促淤堤一側(cè)淤積量較大，其淤積幅度基本在0.80m以上。灘涂淤積分布較為均勻，呈現(xiàn)離促淤堤越遠(yuǎn)淤積幅度逐步減小的趨勢。促淤工程實(shí)施后，海域達(dá)到?jīng)_淤平衡時(shí)促淤區(qū)內(nèi)平均淤厚為1.55m。促淤分布規(guī)律與1年結(jié)果相一致。

4.2.2 方案2

促淤工程方案2實(shí)施1年后，促淤堤內(nèi)側(cè)水域平均淤高0.10m。從淤積分布來看，在高壩掩護(hù)區(qū)附近水域淤積強(qiáng)度較大，其淤積幅度基本在0.40m以上。由于高壩對(duì)水流的束窄作用，在高壩口門及右側(cè)潛壩處局部水域發(fā)生沖刷，沖刷范圍約占總促淤范圍的1/2。海域達(dá)到?jīng)_淤平衡時(shí)圍區(qū)內(nèi)平均淤厚為0.39m。促淤分布規(guī)律與1年結(jié)果相一致。

4.2.3 方案3

促淤工程方案3實(shí)施1年后，促淤堤內(nèi)側(cè)水域淤積幅度基本在0.20m以上，促淤區(qū)平均淤高0.57m。從淤積分布來看，在靠近促淤堤一側(cè)淤積量較大，其淤積幅度基本在0.80m以上。灘涂淤積分布較為均勻，呈現(xiàn)離促淤堤越遠(yuǎn)淤積幅度逐步減小的趨勢。在促淤堤?hào)|側(cè)海域出現(xiàn)略微沖刷的趨勢。海域達(dá)到?jīng)_淤平衡時(shí)促淤區(qū)內(nèi)平均淤厚為1.44m。促淤分布規(guī)律與1年結(jié)果相一致。

4.2.4 方案4

促淤工程方案4實(shí)施1年后，促淤堤內(nèi)側(cè)水域平均淤高0.17m。從淤積分布來看，在高壩掩護(hù)區(qū)附近水域淤積強(qiáng)度較大，其淤積幅度基本在0.40m以上。由于高壩對(duì)水流的束窄作用，在高壩口門處局部水域發(fā)生沖刷，沖刷范圍約占總促淤范圍的1/3。海域達(dá)到?jīng)_淤平衡時(shí)圍區(qū)內(nèi)平均淤厚為0.68m。促淤分布規(guī)律與1年結(jié)果相一致。

各方案實(shí)施1年后及沖淤平衡后的淤積方量見表1。按有生物促淤配合，即主要考慮淤高成陸及固結(jié)因素，忽略臨時(shí)性沖刷影響。淤積量統(tǒng)計(jì)采用密實(shí)量計(jì)算。

綜上所述淤積效果方案1最好、方案3次之，方案2及方案4淤積效果較差。

表1 各方案實(shí)施后促淤效果表

5 結(jié)語

本文通過潮流數(shù)學(xué)模型研究了溫嶺市南海涂促淤工程各方案的促淤效果。通過上述4個(gè)促淤工程的計(jì)算分析，認(rèn)為促淤工程的促淤效果與工程的平面布局密切相關(guān)，具體的淤積部位和淤積幅度取決于工程布局，通常在促淤堤兩側(cè)會(huì)發(fā)生較大幅度的淤積。同時(shí)促淤堤堤頂高程對(duì)促淤效果也有較大影響，在本海域內(nèi)建高壩促淤效果不如建潛壩好。

近岸海區(qū)的淤積與潮流、泥沙、風(fēng)浪多種因素有關(guān)，本文著重研究了由于促淤工程引起潮流場變化所產(chǎn)生的淤積，未計(jì)入風(fēng)浪等其他因子的變化。

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