茂名吉達(dá)灣清淤整治工程方案比選研究

王思超，蔣志凱，趙 鵬

(1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 510230；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

吉達(dá)灣位于茂名市電白區(qū)電城鎮(zhèn)。目前吉達(dá)灣淤積較嚴(yán)重，平均水深已不足1 m(基于MSL)，灣口內(nèi)側(cè)淤積體低潮時(shí)可露出水面。灣內(nèi)水色相對(duì)外海水體發(fā)黑，且吉達(dá)港圍堤近岸長(zhǎng)有綠藻，環(huán)境感官較差。為提升吉達(dá)灣的整體環(huán)境，還人民群眾綠水青山，當(dāng)?shù)卣?jì)劃對(duì)吉達(dá)灣藍(lán)色海灣進(jìn)行疏浚整治。

目前對(duì)于類似海灣的整治疏浚類工程在如何界定疏浚整治范圍、確定疏浚底高程等方面缺乏有效的設(shè)計(jì)思路，相關(guān)研究也較少：于東生等[1]研究了茅尾海淺灘清淤、葵子江水道貫通工程導(dǎo)致的水動(dòng)力條件和半交換周期變化，匡翠萍等[2]分析了清淤疏浚工程對(duì)七里海潟湖濕地水體交換的影響。本文通過計(jì)算整治水域周邊設(shè)施的整體穩(wěn)定性，提出整治疏浚范圍；建立潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)比分析不同疏浚底高程下的水體交換和回淤量，并結(jié)合項(xiàng)目投資等因素提出整治疏浚底高程。

1 自然條件

1.1 潮汐特征

據(jù)2019年4月11日～5月11日觀測(cè)統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)驗(yàn)海區(qū)(HK1+HO1)/HM2為1.14，潮汐屬不正規(guī)半日潮類型。本海域平均潮差為2.07 m，最大潮差為2.92 m。漲落潮歷時(shí)基本一致，平均漲潮歷時(shí)略大于落潮歷時(shí)。

1.2 潮流特征

圖1和圖2為垂線平均流速矢量圖，大潮期不同測(cè)站大致為往復(fù)流，也呈現(xiàn)出一定的旋轉(zhuǎn)流特征；小潮期V1站往復(fù)流特征明顯，V2和V4站表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流特征，V3、V5和V6均為西向的單向流。

圖1 大潮垂線平均潮流矢量圖 圖2 小潮垂線平均潮流矢量圖Fig.1 Vertical averaged current velocity vector in spring tide Fig.2 Vertical averaged current velocity vector in neap tide

施測(cè)海域潮流呈現(xiàn)出隨潮差的減弱而減小的趨勢(shì)，最大流速表現(xiàn)出大潮大于小潮的特點(diǎn)。從流速平面分布來看，處于吉達(dá)灣灣口的V1站最大，其余各站大潮期最大流速在0.15～0.23 m/s，小潮期最大流速在0.11～0.45 m/s。靠近外海的V3、V5和V6站流速大于近岸的V2和V4站。

1.3 波浪特征

本工程位于南海北部，受來自東南向的熱帶氣旋影響相對(duì)較大，常浪向應(yīng)在E向～SE向之間，強(qiáng)浪向?yàn)镋SE～S向，年均波高不超過1.5 m，年均波周期在6 s以下。

1.4 懸沙及底質(zhì)分布

在潮流測(cè)站同步進(jìn)行了含沙量取樣工作，大、小潮平均含沙量分別為0.042 kg/m3和0.034 kg/m3，大潮期間的含沙量大于小潮含沙量。各測(cè)站的懸沙中值粒徑介于4.99～14.23 μm，成分以砂質(zhì)粉砂和粘土質(zhì)粉砂為主。

砂是本海區(qū)分布最廣的沉積類型，中值粒徑在123.22～411.91 μm，廣泛分布在吉達(dá)灣和外海-2 m等深線以淺的水域。粉砂質(zhì)砂中值粒徑在65.08～206.44 μm，集中分布在儒洞河河口區(qū)和外海-5 m等深線外側(cè)區(qū)域。砂-粉砂-粘土和粘土質(zhì)粉砂中值粒徑在9.96 ～17.06 μm，主要分布在-10 m等深線附近。

1.5 泥沙來源

儒洞河曾是工程附近流域來沙的主要來源，但隨著上游陂底水庫和支流長(zhǎng)角水庫等水利設(shè)施的建設(shè)，輸沙量已大為減少。該海域總體含沙量較低，工程海域的平均含沙量小于0.05 kg/m3。潮間帶和近岸沉積多為砂質(zhì)，且本海區(qū)潮流較弱，因此在潮流作用下的輸沙量不大。經(jīng)分析，有限的岸灘侵蝕泥沙及岸灘局部搬運(yùn)泥沙為工程海域主要泥沙來源。

1.6 海岸地貌

吉達(dá)灣內(nèi)淤積較嚴(yán)重，灣內(nèi)大部分潮灘的底高程在-2.0～2.6 m，靠近雞打港圍堤海域水深略大。東側(cè)靠近灣口分布有島狀灘地，在低潮時(shí)露出，在淤積體北側(cè)和南側(cè)分別有兩條汊道從口門通向東側(cè)較深水域。吉達(dá)灣灣口兩側(cè)均有沙嘴存在，其中西岸沙嘴指向口內(nèi)，東岸沙嘴相對(duì)靠外，在沙嘴之間形成彎曲的潮汐通道，反應(yīng)出兩岸均有沿岸輸沙存在。在雞打港灣口外側(cè)，由于潮汐汊道水流對(duì)沿岸輸沙有攔截作用，并且在潮流和波浪共同作用下形成多處淺灘[3-4]。

1.7 工程地質(zhì)

吉達(dá)灣內(nèi)表層以細(xì)沙為主，下層有殘積土、風(fēng)化巖。納泥區(qū)表層土質(zhì)以砂混粘土為主，底層有淤泥夾層。-6 m以上的土質(zhì)基本為砂性土，-6 m以下的土質(zhì)開始出現(xiàn)粘性土，土質(zhì)的可挖性較好。

2 淤積歷史成因

目前吉達(dá)灣內(nèi)水域淤淺萎縮，水質(zhì)惡化。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與相關(guān)資料研究分析，對(duì)吉達(dá)灣淤積和水質(zhì)惡化的原因分析如下：雞打港圍堤及擋潮排洪閘于20世紀(jì)50年代末建成后，吉達(dá)灣的納潮面積明顯減小。即使按20世紀(jì)80年代岸線統(tǒng)計(jì)，圍堤建設(shè)也使吉達(dá)灣納潮面積減少了4.23 km2，接近原有面積的70%。納潮量減小的直接影響是潮流動(dòng)力作用的減弱，并導(dǎo)致泥沙的收支平衡被破壞。口外泥沙在波浪作用下掀起，并隨漲潮流進(jìn)入灣內(nèi)后，由于落潮流強(qiáng)度減小，灣內(nèi)泥沙不能完全輸移出灣外，在長(zhǎng)時(shí)間泥沙交換過程中，在灣口內(nèi)側(cè)形成漲潮三角洲，灣內(nèi)水深逐漸淤淺萎縮。同時(shí)，遍及水域的養(yǎng)殖網(wǎng)箱對(duì)落潮流動(dòng)力也存在較大的阻滯，致使潮灘淤展[5]。

灣口的潮汐汊道是吉達(dá)灣和外海相互溝通的通道，雞打港圍堤建設(shè)導(dǎo)致納潮量減小后，降低了漲潮的漫灘流速和落潮時(shí)的歸槽流速，已沒有足夠的潮流動(dòng)力塑造、刷深口門潮汐汊道，致使其淤淺、縮窄、位置遷移，從而對(duì)潟湖的納潮量、水交換能力和航道等進(jìn)一步造成負(fù)面影響。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研也了解到歷史上雞打港灣口較為開敞，港內(nèi)與外海直接相連，可通航百噸級(jí)漁船，近年來灣口沙嘴地形變化較頻繁，只可通行小型漁船。另外，吉達(dá)灣由口門向上漲潮歷時(shí)變短而落潮歷時(shí)延長(zhǎng)，嚴(yán)重地影響了灣內(nèi)的水體交換，使得水質(zhì)惡化[6-8]。

3 整治范圍的確定

根據(jù)分析，項(xiàng)目初步考慮灣內(nèi)與潮汐通道疏浚二者結(jié)合的方式開展整治。吉達(dá)灣涉及海洋生態(tài)保護(hù)紅線，無法建設(shè)整治建筑物，因此吉達(dá)灣的整治疏浚無法完全根除淤積的問題，但可以做到在一定時(shí)期內(nèi)緩解瀉湖萎縮的狀況，為解決政策問題、保留瀉湖爭(zhēng)取時(shí)間。

灣內(nèi)疏浚整治工程范圍主要考慮開挖水域邊線與現(xiàn)有大堤、東側(cè)及北側(cè)山體、魚(蝦)塘保持一定的安全距離，保障水域開挖對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定不構(gòu)成威脅。本項(xiàng)目采用地基穩(wěn)定計(jì)算軟件對(duì)原大堤結(jié)構(gòu)、山體穩(wěn)定、塘梗穩(wěn)定進(jìn)行工程前后對(duì)比計(jì)算，試算相關(guān)設(shè)施與水域開挖邊線保持不同距離時(shí)的穩(wěn)定性，以不影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定為原則，詳細(xì)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Tab.1 Overall stability calculation results

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在不影響相關(guān)設(shè)施現(xiàn)有穩(wěn)定性的情況下適當(dāng)留出富余空間。整治水域的范圍為：開挖水域坡頂線離大壩的距離取約100 m，離魚(蝦)塘的距離取為50～70 m，離北側(cè)、東側(cè)山體的距離取為60 m；邊坡按1∶5取值，對(duì)于西南角現(xiàn)有沙灘處按1∶25的坡比留出沙灘。由此可以確定灣內(nèi)疏浚整治水域面積約1.44 km2(含邊坡)，整治范圍見圖3。在潮流泥沙數(shù)模中，也將驗(yàn)證確定的整治范圍所達(dá)到的整治效果。

圖3 整治范圍邊界Fig.3 Regulation boundary

4 整治底高程的確定

整治底高程的確定通過選擇不同設(shè)計(jì)底高程進(jìn)行數(shù)模試算并綜合對(duì)比分析，最終確定適宜的設(shè)計(jì)底高程。由于吉達(dá)灣內(nèi)缺乏歷史水深資料，疏浚底高程的確定缺乏依據(jù)，但灣內(nèi)目前最深的底高程約為-3.18 m(85高程，折合當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵鏋?2.0 m)，因此選擇-3.18 m作為整治底高程方案之一。考慮到整治效果及環(huán)境要求，在-3.18 m的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加深有利于延長(zhǎng)灣內(nèi)保持良好水深的時(shí)間，因此選擇-5.18 m及-7.18 m作為整治底高程方案。如進(jìn)一步加深整治底高程，則項(xiàng)目的投資過大，經(jīng)濟(jì)效益降低。

因此，經(jīng)與專家充分討論，初步選定-3.18 m、-5.18 m和-7.18 m(85高程)作為疏浚底高程試算輸入條件，下文中分別稱為方案一、方案二和方案三[9]。

4.1 模型建立

4.1.1 研究方法

針對(duì)工程所在海域的特點(diǎn)，使用MIKE21軟件包建立適用于該海域的二維水動(dòng)力泥沙數(shù)學(xué)模型，并考慮波浪對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)的影響。使用示蹤劑法對(duì)方案實(shí)施后吉達(dá)灣水體交換能力進(jìn)行評(píng)估，其原理是對(duì)溶解性保守示蹤劑在灣內(nèi)隨流輸運(yùn)過程進(jìn)行模擬，通過示蹤劑平均濃度的變化反映港池水交換能力的強(qiáng)弱程度，在計(jì)算末期示蹤劑濃度越小，表明灣內(nèi)-外海水體交換效果越好。當(dāng)示蹤劑平均濃度降低到0.5 g/L時(shí)，所用時(shí)間即為吉達(dá)灣的水體半交換周期[10]。

4.1.2 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算域如圖7所示，東西方向長(zhǎng)約220 km，南北方向長(zhǎng)約120 km。開邊界東起陽江市東平鎮(zhèn)，西到湛江市南三島附近。采用局部加密的非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分。外海區(qū)域空間步長(zhǎng)較大，在開邊界約為2 000 m，工程區(qū)域空間步長(zhǎng)為10～15 m。

4.1.3 模型驗(yàn)證

本文使用2019年4月在工程海域布設(shè)的H1潮位站資料和V1～V6共6個(gè)潮流測(cè)站的大、小潮期流速、含沙量觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以對(duì)潮流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證。其中大潮期對(duì)比曲線可見圖4～圖6，由圖可見模型計(jì)算得到的各測(cè)點(diǎn)潮位、流速、流向、含沙量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，可以進(jìn)一步為分析工程后流場(chǎng)、泥沙沖淤提供必要的水流動(dòng)力條件。

圖4 潮位對(duì)比曲線Fig.4 Comparison results of tide

圖5 流速流向?qū)Ρ惹€Fig.5 Comparison results of current velocity

圖6 含沙量對(duì)比曲線Fig.6 Comparison results of suspended sediment concentration

4.2 整治效果-水體交換

計(jì)算時(shí)段選取2019年4月11日～5月10日共計(jì)28 d，包含由水文實(shí)測(cè)小潮至大潮的漲落過程。至第5 d時(shí)現(xiàn)狀條件和方案一～方案三的吉達(dá)灣示蹤劑濃度分布可見圖7。

7-a 工程現(xiàn)狀 7-b 方案一

由計(jì)算結(jié)果可知，現(xiàn)狀條件下示蹤劑濃度下降速率最小，主要是因?yàn)闉硟?nèi)泥沙淤積嚴(yán)重，漲落潮流動(dòng)力較弱，造成示蹤劑不易向外海擴(kuò)散。濃度在平面分布上由東側(cè)向西側(cè)逐漸升高，在灣內(nèi)形成堆積。至28 d示蹤劑平均濃度仍大于0.6 g/L，表明現(xiàn)狀條件下吉達(dá)灣水域半交換周期大于28 d，反映出灣內(nèi)水體自凈能力減弱、可能產(chǎn)生水污染問題。

對(duì)比方案一～方案三，整治底高程分別為-3.18 m、-5.18 m和-7.18 m。隨著灣內(nèi)整治底高程的降低，在納潮量和漲落潮次數(shù)相同的情況下，灣內(nèi)示蹤劑稀釋能力下降，半交換周期增加。方案一～方案三的半交換周期分別為2.33 d、2.50 d和3.50 d。

4.3 整治效果-回淤分析

使用潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，并考慮波浪作用，對(duì)整治工程實(shí)施后吉達(dá)灣附近水域的淤積情況進(jìn)行了模擬。3個(gè)方案淤積分布相似，均為吉達(dá)灣東側(cè)水域和潮汐通道內(nèi)淤積強(qiáng)度較大：在潮汐通道，淤積強(qiáng)度向外海沿程遞減；在吉達(dá)灣，外海含沙水體隨漲潮流進(jìn)入灣內(nèi)，潮流動(dòng)力減弱挾沙力下降使懸沙產(chǎn)生落淤。

整治方案實(shí)施后，淤積強(qiáng)度及回淤量統(tǒng)計(jì)可見表2。在吉達(dá)灣水域，方案一～方案三最大淤積強(qiáng)度在0.21～0.30 m/a，平均淤積強(qiáng)度在0.10～0.19 m/a，淤積量在13.1萬m3/a～24.8萬m3/a；至10 a后底床高程最高值為-1.18～-4.18 m，平均值為-2.38～-5.28 m。潮汐通道平均淤積強(qiáng)度在0.15～0.29 m/a，淤積量在1.3萬m3/a～2.6萬m3/a?？偟膩砜矗煌桨钢蟹桨敢坏挠俜e強(qiáng)度和回淤量均最小，但10 a后存在露灘的可能性，整治效果較為一般。方案二、方案三隨著疏浚底高程的降低，淤積強(qiáng)度和回淤量有所增加，但10 a內(nèi)露灘的可能性低，整治效果相對(duì)較好。

表2 不同方案淤積強(qiáng)度及回淤量統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistical table of siltation intensity and volume

4.4 方案比選

通過以上分析可知，疏浚整治后在水深條件改善的同時(shí)，灣內(nèi)與外海的水體交換能力有較大改善，半交換周期明顯縮短。方案一疏浚至-3.18 m，相比較開挖工程量最小，約為628萬m3，但其對(duì)水深條件的提升有限，10 a之后灣內(nèi)可能出現(xiàn)露灘的情況。方案二疏浚至-5.18 m，開挖工程量約為987萬m3。方案三疏浚至-7.18 m，相比較開挖工程量最大，約為1 398萬m3。另外也考慮到疏浚水深增大導(dǎo)致水體交換效果變差，綜合整治效果與工程量、工程費(fèi)用、項(xiàng)目工期等方面的因素進(jìn)行綜合比選(表3)。

表3 疏浚底高程綜合對(duì)比表Tab.3 Comprehensive comparison table of dredging bottom elevation

由表3可知，3個(gè)方案實(shí)施后水體交換周期均比現(xiàn)狀有顯著改善，其中疏浚至-5.18 m及-7.18 m的整治效果相對(duì)較好，方案一10 a后存在露灘的可能性；但疏浚至-7.18 m的工程量及工程費(fèi)用相比方案一與方案二增大明顯且工期較長(zhǎng)。因此從整治效果、項(xiàng)目投資等方面綜合對(duì)比，項(xiàng)目的疏浚底高程推薦取為-5.18 m。

5 結(jié)論

針對(duì)整治范圍的界定，通過計(jì)算周邊設(shè)施整體穩(wěn)定性，確保項(xiàng)目安全，在不影響相關(guān)設(shè)施現(xiàn)有穩(wěn)定性的情況下適當(dāng)留出富余空間。整治水域的范圍為：開挖水域坡頂線離大壩的距離取約100 m，離魚(蝦)塘的距離取為50～70 m，離北側(cè)、東側(cè)山體的距離取為60 m；邊坡按1∶5取值，對(duì)于西南角現(xiàn)有沙灘處按1∶25的坡比留出沙灘。由此可以確定灣內(nèi)疏浚整治水域面積約1.44 km2(含邊坡)。針對(duì)整治工程底高程如何取值的問題，根據(jù)水文實(shí)測(cè)資料，建立了吉達(dá)灣水域的潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)分析了疏浚底高程為-3.18 m、-5.18 m和-7.18 m時(shí)的水體交換和回淤量。計(jì)算結(jié)果表明水深條件改善的同時(shí)，半交換周期由大于28 d降低為2～4 d?？紤]到隨著疏浚底高程的降低，半交換周期和回淤量均有所增大，綜合清淤工程量方面的因素，可將疏浚底高程定為-5.18 m。