曹妃甸圍填海工程對(duì)海床沖淤的影響預(yù)測(cè)分析

孫麗艷 孫欽幫 張沖 陳兆林 崔雷

摘 要：通過建立曹妃甸海域平面二維懸沙輸移擴(kuò)散和床面沖淤變化數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)分析了2005年和2013年曹妃甸圍填海工程對(duì)海床沖淤環(huán)境的影響，得出曹妃甸海域的海床年沖淤變化特征。結(jié)果表明，從2005～2013年9年間曹妃甸圍填海工程實(shí)施后海域仍呈現(xiàn)整體沖刷趨勢(shì)，北部近岸海域及圍填海形成的港池則呈淤積態(tài)勢(shì)，海床沖淤?gòu)?qiáng)度沒有明顯的變化。

關(guān)鍵詞：曹妃甸 圍填海 海床 沖淤

曹妃甸位于河北省唐山市南部沿海，原為位于渤海灣灣口北側(cè)的一個(gè)帶狀沙島，高潮時(shí)沙島面積約4km2，低潮時(shí)沙島面積約20km2。2005年前該區(qū)域近岸海域?yàn)榇竺娣e的淺海灘涂，其中海岸與沙島之間約18km的范圍均為淺灘，零米等深線以淺海域面積達(dá)150km2。從2005年曹妃甸區(qū)開始進(jìn)行大規(guī)模的填海造地，截至2013年底填海造地面積約200km2，填海造地格局已經(jīng)形成。填海造地工程對(duì)海床演變的影響是港口工程建設(shè)中的重要問題，曹妃甸區(qū)淺海灘涂的大規(guī)模圍填，改變了區(qū)域空間配置，會(huì)對(duì)水動(dòng)力及泥沙環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，并對(duì)已基本處于動(dòng)態(tài)平衡的海床演變?cè)斐捎绊憽?/p>

本文在文獻(xiàn)建立的水動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過泥沙輸移和床面沖淤變化模擬，預(yù)測(cè)分析了曹妃甸區(qū)填海造地工程對(duì)海床沖淤環(huán)境的影響，得出了海床年沖淤變化特征，以期望為曹妃甸區(qū)海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)和海洋開發(fā)管理提供一定的參考。

1.研究區(qū)概況

1.1 基本概況

曹妃甸位于渤海灣北上潮流通道的海岸側(cè)，是古灤河三角洲的殘留體，大潮高潮時(shí)部分可被淹沒，低潮時(shí)出露，島的東北方向相距18 k m處有一條N W-ES走向的深槽老龍溝，水深達(dá)10～15 m的面積約 10km2。

曹妃甸深槽與老龍溝外側(cè)口門相連，內(nèi)側(cè)大陸岸線為沿古灤河三角洲發(fā)育的沖積海積平原，潮灘發(fā)育；沙壩與大陸岸線之間為寬闊的淺水潟湖，低潮時(shí)大片淺灘出露，往東西兩側(cè)潮溝方向，水深逐漸增大。

1.2 潮流

曹妃甸海域潮流性質(zhì)為不規(guī)則半日潮流，運(yùn)動(dòng)形式基本呈往復(fù)流，其流向與海底地形有密切關(guān)系。近岸淺海區(qū)受地形變化影響，該海域的潮流主流流向有順岸或沿等深線方向流動(dòng)的趨勢(shì)，漲落潮時(shí)淺灘區(qū)漫灘水流的匯集與分散是維持曹妃甸各大潮溝的主要?jiǎng)恿?；在淺灘外側(cè)基本與岸線一致，漲潮時(shí)的流向在曹妃甸甸頭西側(cè)向西而略偏北，東側(cè)向西略偏南；落潮流向則反之，在甸頭以西流向東略偏東南，甸頭以東流向東略東北。

1.3 泥沙

曹妃甸海域表層沉積物類型以粘土質(zhì)粉砂與細(xì)粉砂為主，表層沉積物組份由陸向海呈現(xiàn)細(xì)-粗細(xì)的規(guī)律變化；中值粒徑分布西小東大；粘土含量南側(cè)與西南側(cè)較高，北側(cè)與東北側(cè)相對(duì)較低；甸頭西側(cè)水域單寬輸沙量總體呈現(xiàn)為向淺灘和向西輸運(yùn)，甸頭東部水域除潮溝內(nèi)向南輸沙外，基本由東向西偏南輸送，外海深槽水域單寬輸沙量總體上由東向西輸送。曹妃甸海域整體上近岸水域的水體含沙量普遍大于外海深水域；外海深水區(qū)為0.05～ 0.10 kg/ m3，近岸為0.07～ 0.15 kg/ m3；其中近岸水域以甸頭為界，西部水域平均含沙量明顯大于東部。

2.模型的建立

2.1 潮流運(yùn)動(dòng)方程

本文潮流場(chǎng)數(shù)值模擬采用深度平均的二維淺水潮波方程，該方程表達(dá)式如下：

3.結(jié)果與討論

3.1 模型驗(yàn)證

本文流速、流向、潮位和懸沙驗(yàn)證分別利用2005年3月和2013年3月大潮調(diào)查資料進(jìn)行驗(yàn)證。2005年潮汐站位2個(gè)、海流站位2個(gè)，2013年潮汐站位2個(gè)、海流站位2個(gè)，水深驗(yàn)證斷面2條，驗(yàn)證點(diǎn)及斷面見圖1。

圖2為平均流速、流向的模擬值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好，能夠有效反映研究海域的潮流狀況。圖3為模擬潮位與實(shí)測(cè)潮位過程線對(duì)比，模擬潮位與實(shí)測(cè)潮位之間擬合較好，潮高模擬誤差在10cm以內(nèi)。圖4為數(shù)值模擬含沙量值與實(shí)測(cè)含沙量驗(yàn)證，從驗(yàn)證結(jié)果來看，數(shù)值模擬含沙量值與實(shí)測(cè)含沙量隨時(shí)間過程的分布及幅值基本接近，表明泥沙模型的挾沙力關(guān)系與相應(yīng)模型參數(shù)比較適合現(xiàn)場(chǎng)情況，模型能夠反映工程海域的懸沙運(yùn)動(dòng)特征。

3.2 結(jié)果分析

2005年曹妃甸區(qū)建設(shè)完成了通島大堤和進(jìn)行了沙島附近的小范圍填海造地工程，通島大堤建成阻隔曹妃甸海域東西潮流通道。2005年數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明：該海域的潮流沖刷作用較強(qiáng)，在大潮條件下漲、落急時(shí)段部分海床沙易發(fā)生懸揚(yáng)，在高、低潮憩流階段又沉降到海床面；在中小潮條件下，海床面泥沙基本處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。隨著曹妃甸通島大堤的建設(shè)完成和沙島圍填海工程的開工建設(shè)，該海域呈現(xiàn)整體沖刷趨勢(shì)，而在近岸尤其沙島以西近岸海域呈淤積態(tài)勢(shì)。其中，老龍溝海域總體呈沖刷態(tài)勢(shì)，沖刷強(qiáng)度約為0.10m/a；沙島南部周邊海域沖刷強(qiáng)度約為0.05～0.10m/a；沙島與龍島一線南側(cè)外海沖刷強(qiáng)度約為0.10～0.15m/a。北部沿岸海域總體呈淤積態(tài)勢(shì)，淤積強(qiáng)度約為0.05～0.15m/a，局部淤積強(qiáng)度約為0.20～0.25m/a；沙島西北與通島大堤南端形成的海域，呈微淤態(tài)勢(shì)，淤積強(qiáng)度小于0.03m/a；老龍溝與沙島之間的海域，總體呈淤積態(tài)勢(shì)，淤積強(qiáng)度約為0.10～0.20m/a，并向沙島與老龍溝兩側(cè)遞減；龍島北側(cè)海域總體呈淤積態(tài)勢(shì)，淤積強(qiáng)度約為0.05～0.20m/a（見圖5）。

2013年數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明：隨著曹妃甸區(qū)大規(guī)模填海造地工程的形成，局部區(qū)域淺灘沙源減少，外部海域繼續(xù)呈現(xiàn)整體沖刷趨勢(shì)，近岸海域及港池則呈淤積態(tài)勢(shì)。其中，老龍溝海域總體呈沖刷態(tài)勢(shì)，沖刷強(qiáng)度約為0.10m/a，在老龍溝北端靠近三港池海域，沖刷強(qiáng)度約為0.15m/a，在老龍溝南端即龍島西端局部海域，沖刷強(qiáng)度約為0.20m/ a；東南大堤南側(cè)外海整體呈沖刷態(tài)勢(shì)，沖刷強(qiáng)度約為0.10～0.15m/a。港池內(nèi)總體呈淤積態(tài)勢(shì)，淤積強(qiáng)度約為0.05～0.15m/a，三港池在臨近東南大堤北側(cè)中部的局部海域，淤積強(qiáng)度約為0.20m/a；龍島北側(cè)海域總體呈淤積態(tài)勢(shì)，淤積強(qiáng)度約為0.05～0.20m/a，與2005年強(qiáng)度保持一致；臨近東南大堤西南局部海域約2km內(nèi)，呈淤積態(tài)勢(shì)，淤積強(qiáng)度約達(dá)0.15～0.25m/a（見圖5）。

為了定量驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的符合程度，本文利用2010年9月～2011年11月曹妃甸甸頭附近海域水深實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證（見圖6）。其中，斷面1位于甸頭西側(cè)一港池口門附近區(qū)域，斷面2位于甸頭區(qū)域（見圖1）。從圖6可知，兩個(gè)斷面均處于沖刷狀態(tài)（0代表不沖不淤，負(fù)值代表沖刷），最大年沖刷強(qiáng)度一般不超過0.20 m/ a。斷面1沖刷趨勢(shì)大致從一港池口門處向外海增強(qiáng)，斷面2沖刷趨勢(shì)在距甸頭約1km區(qū)域強(qiáng)度略大于甸頭臨近處及距甸頭約2.5km區(qū)域，本文數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)值分布態(tài)勢(shì)相對(duì)一致，大致可以反映實(shí)測(cè)斷面的年沖刷情況。對(duì)比曹妃甸海域沖淤及穩(wěn)定性相關(guān)文獻(xiàn)，本次模擬結(jié)果一定程度上能反映曹妃甸海域的實(shí)際沖淤趨勢(shì)，模擬結(jié)果對(duì)于該海域的沖淤環(huán)境及變化研究具有一定的參考價(jià)值。

4.結(jié)論

（1）2005年計(jì)算結(jié)果表明，曹妃甸海域呈現(xiàn)整體沖刷趨勢(shì)，而在近岸尤其沙島以西近岸海域呈淤積態(tài)勢(shì)。老龍溝海域、沙島南部周邊海域、沙島與龍島一線南側(cè)外海海域呈沖刷態(tài)勢(shì)，沖刷強(qiáng)度在0.05～0.15m/a之間；北部沿岸海域、老龍溝與沙島之間海域、龍島北側(cè)海域呈淤積態(tài)勢(shì)，淤積強(qiáng)度在0.05～0.20m/a之間。

（2）2013年計(jì)算結(jié)果表明，曹妃甸圍填海工程外部海域繼續(xù)呈現(xiàn)整體沖刷趨勢(shì)，近岸海域及港池則呈淤積態(tài)勢(shì)。老龍溝海域、老龍溝北端靠近三港池海域、老龍溝南端海域和東南大堤南側(cè)外海沖刷強(qiáng)度約為0.10～0.20m/a；港池內(nèi)總體呈淤積態(tài)勢(shì)，淤積強(qiáng)度約為0.05～0.15m/a，龍島北側(cè)海域淤積強(qiáng)度約為0.05～0.20m/a。

（3）通過2005年與2013年床面泥沙年沖淤?gòu)?qiáng)度模擬結(jié)果分析，曹妃甸圍填海工程實(shí)施后海域仍呈現(xiàn)整體沖刷趨勢(shì)，北部近岸海域及圍填海形成的港池則呈淤積態(tài)勢(shì)；老龍溝海域、沙島南部周邊海域和沙島與龍島一線南側(cè)外海海域仍呈現(xiàn)沖刷態(tài)勢(shì)，北部沿岸海域和龍島北側(cè)海域呈現(xiàn)的淤積強(qiáng)度沒有明顯變化。

基金項(xiàng)目：大連理工大學(xué)海岸和近岸工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（LP1501）；國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（LOMF1704）

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