寧波舟山港鼠浪湖島建港水文條件研究*

韓 路，孫驍帆，章衛(wèi)勝，殷成團(tuán)

(1.寧波舟山港股份有限公司，浙江 寧波315040；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032；3.南京水利科學(xué)研究院，港口航道泥沙工程交通部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210029)

1 工程背景

鼠浪湖島位于衢山島東側(cè)，相距約2.0 km。西北距上海蘆潮港約60 km，南距寧波北侖約75 km。鼠浪湖島西北—東南走向，長3 km，寬0.7～1.7 km，陸域面積2.85 km2，海岸線長16.03 km。島嶼西側(cè)為蛇移門水道，東側(cè)為三星山之間的潮汐通道，水深條件良好。

舟山群島海域深水港點(diǎn)多，深水岸線分布于各個(gè)島嶼，適合建設(shè)專用碼頭[1]，鼠浪湖島及周邊島嶼定位為大中型大宗散貨泊位。目前鼠浪湖島西側(cè)已新建2個(gè)30萬噸級鐵礦石卸船泊位。從港口陸域需要和碼頭岸線條件出發(fā)，港口部門對島嶼岸線設(shè)計(jì)的規(guī)劃思路為，對島嶼汊道及凹灣進(jìn)行圍填，增加陸域并歸順?biāo)鳎锰烊凰顥l件采用順岸布置高樁碼頭方案；利用島嶼自身掩護(hù)適當(dāng)建設(shè)防波堤，增加波浪掩護(hù)功能。在此背景下，設(shè)計(jì)院提出初步規(guī)劃方案(圖1)，其中鼠浪湖島東側(cè)，墳基斗崗、橫梁、海橫頭島之間采用圍墾形成兩段岸線，前沿利用自然水深布置15萬～30萬噸級碼頭泊位。鼠浪湖島東南側(cè)，大青山、海橫頭島以南，堤線自小鼠浪山東南側(cè)沿等深線走向外推，然后向北與海橫頭島相連，形成3段岸線，布置5萬～10萬噸級泊位。鼠浪湖島北側(cè)與大盤山之間，布置有掩護(hù)的小船泊位。此外，考慮防浪功能，東北側(cè)三星島依托島礁布置3段深水防波堤。

鼠浪湖島海域處于杭州灣外海，島嶼眾多、汊道交錯(cuò)；受東海潮汐和波浪作用，風(fēng)、浪、流動力條件復(fù)雜，碼頭方案的平面布置與當(dāng)?shù)貏恿δ嗌硹l件的適應(yīng)性非常值得關(guān)注。因此，筆者基于現(xiàn)場資料對海域的水沙動力環(huán)境和岸灘穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)合數(shù)學(xué)模型對鼠浪湖島嶼岸線建港條件進(jìn)行研究，為規(guī)劃方案的確定和優(yōu)化提供依據(jù)和技術(shù)支撐，也為類似海域港口規(guī)劃布置和方案設(shè)計(jì)提供借鑒。

圖1 規(guī)劃方案布置

2 動力條件

2.1 潮汐

舟山群島海域潮汐來自于東中海前進(jìn)潮波。根據(jù)鼠浪湖臨時(shí)潮位站2017年3月21日—4月19日共30 d實(shí)測資料，海域(HO1+HK1)HM2值在0.42左右，為正規(guī)半日潮，淺水影響系數(shù)HM4HM2在0.04左右[2-4]。驗(yàn)潮期間最大潮差4.05 m，最小潮差0.47 m，平均潮差2.49 m。平均漲潮歷時(shí)5 h 56 min，平均落潮歷時(shí)6 h 22 min。

2.2 潮流

根據(jù)2017年3月現(xiàn)場8個(gè)測點(diǎn)大、中、小潮流速、流向資料(圖2)，海域流速具有以下特征[5-6]：

1)潮流以正規(guī)半日潮流為主。各測點(diǎn)垂線平均流速F(F=(O1+K1)M2)值在0.12～0.49，G(G=(M4+MS4)M2)值在0.08 ～0.38，淺水分潮影響較大。潮流運(yùn)動形式以往復(fù)流性質(zhì)為主，主要分潮M2的橢圓率|K|在0.24以內(nèi)。

圖2 鼠浪湖海域形勢及實(shí)測大潮流速矢量

2)潮流通道內(nèi)水流較強(qiáng)，島嶼邊灘和凹灣內(nèi)流速較小。鼠浪湖東側(cè)通道內(nèi)P5站，漲落急垂線平均流速分別為1.60、1.43 ms，漲落潮平均流速(垂線平均)分別為0.73、0.89 ms。大部分測點(diǎn)落潮流大于漲潮流。

3)實(shí)測潮周期內(nèi)，各垂線漲潮流歷時(shí)在3 h 18 min～7 h 25 min，落潮流歷時(shí)在5 h 00 min～8 h 40 min。受地形影響，P4、P6、P7站漲潮流歷時(shí)長于落潮流歷時(shí)，P1、P2、P3、P5站漲潮流歷時(shí)短于落潮流歷時(shí)，P8站漲落潮流歷時(shí)相當(dāng)。

4)測驗(yàn)點(diǎn)絕大部分時(shí)刻表底層流速、流向差異不大，最大流速出現(xiàn)在表層和次表層。最大漲水流速一般出現(xiàn)在最高平潮前1～2 h；最大落水流速一般出現(xiàn)在最低平潮前1～2 h。

2.3 波浪

嵊山島東南端鰻魚頭附近嵊山海洋站(坐標(biāo)為30°42′N，122°50′E)，距離鼠浪湖約45 km，在工程區(qū)域的東北側(cè)，波浪資料對NE～S向波浪有代表性。根據(jù)嵊山海洋站1979—1998年資料繪制波浪玫瑰圖，見圖3。測站NE～ENE向的出現(xiàn)頻率較高，2個(gè)方向合計(jì)頻率為33.8%；波高H大于1.5 m的頻率為22.2%，H波高大于1.2 m的頻率為41.9%[7]。

圖3 嵊山海洋站1979—1998年波浪玫瑰圖

3 泥沙運(yùn)動特征

3.1 泥沙來源

港址周圍各島嶼均為基巖海島，其風(fēng)化剝蝕的物質(zhì)來源有限，因而港址水域泥沙主要為海域來沙。舟山群島的海域水體受臺灣暖流、東海沿岸流的變化而變化，因而本海區(qū)泥沙變化具有明顯的季節(jié)性，冬季臺灣暖流較弱，長江高含沙水體入海路徑偏東南方向，受其影響本海域水體含沙量較高，而夏季東海沿岸流與臺灣暖流同向，長江水體入海路徑偏東北方向，杭州灣海域受其影響較小，故水體含沙量相應(yīng)較低[8-9]。

3.2 含沙量

根據(jù)2017年3月大、中、小潮取沙垂線的實(shí)測資料，當(dāng)?shù)厮w含沙量具有以下特征：

1)含沙量平面分布和漲落潮變化不大。大潮垂線平均含沙量為0.621～0.897 kgm3；大部分測點(diǎn)漲、落潮垂線平均含沙量比值為1:0.80～1:1.09，見表1。

2)大潮含沙量明顯大于中、小潮，與潮動力有關(guān)。大潮含沙量0.62～0.89 kgm3，中、小潮含沙量0.16～0.51 kgm3。

3)懸移泥沙主要由粉砂和黏粒組成，中值粒徑0.005～0.009 mm。

表1 各垂線潮平均含沙量統(tǒng)計(jì)

3.3 表層沉積物

測驗(yàn)水域中底質(zhì)中值粒徑普遍較小，除個(gè)別受附近施工影響外，各采樣點(diǎn)均在0.02 mm以下，粉粒與黏粒所占比例均在80%以上。

4 地形地貌與岸灘穩(wěn)定性

4.1 地形地貌

工程海域以基巖海岸為主、人工海岸為次。基巖海岸抗侵蝕能力強(qiáng)，岸線相對穩(wěn)定，尤其是小海灣的兩側(cè)磯頭，但在迎強(qiáng)風(fēng)強(qiáng)浪一側(cè)，海蝕地貌相當(dāng)發(fā)育。工程海域?yàn)闁|海潮流進(jìn)入杭州灣的通道，潮強(qiáng)流急，附近岸線受到潮流沖刷，岸線入海岬角基巖裸露，灘槽過渡帶狹窄；由于水道岸線邊界崎嶇多灣，使得港灣內(nèi)側(cè)的局部區(qū)域動力較弱，有一定面積的淺灘存在，但潮流動力限制了潮灘的發(fā)育，其寬度均較小，且呈相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

4.2 岸灘穩(wěn)定性

衛(wèi)星照片資料顯示，從20世紀(jì)80年代至今，海域的島嶼岸線十分穩(wěn)定，部分岸段由于碼頭、圍墾工程建設(shè)岸線外推，同時(shí)部分汊道被封堵。由于工程建設(shè)產(chǎn)生的人工岸線與基巖海岸具有類似的性質(zhì)，所以局部岸線的變化未改變島嶼岸線的整體穩(wěn)定性。

總體而言，鼠浪湖附近岸線和近岸淺水區(qū)相對穩(wěn)定，兩側(cè)深槽及島嶼頭部深水區(qū)存在明顯的沖刷趨勢。穩(wěn)定的岸線和良好的深槽水深為碼頭工程建設(shè)提供了良好的岸線條件。

5 波浪要素

工程海區(qū)外海長期的波浪觀測站是嵊山海洋站，測站的水深大，測點(diǎn)水深為40 m，對該海區(qū)的深水波浪具有較好的代表性。利用拋物線緩坡方程數(shù)學(xué)模型對外海波浪向近岸傳播進(jìn)行了數(shù)值模擬[10]。工程區(qū)整體波浪較強(qiáng)，在近岸受島鏈和附近水深影響，波浪衰減，不同水域波高分布差異較大。

1)西南側(cè)5萬～10萬噸級泊位波浪條件相對較好，主要受E～SSE向波浪影響，50 a一遇最大H1%波高為8.0～9.8 m，最大波高出現(xiàn)在ESE向；

2)南側(cè)5萬噸級泊位主要受ENE～S方向波浪的影響，50 a一遇最大H1%波高為10.2～11.1 m，最大波高出現(xiàn)在E向；

3)東南側(cè)5萬噸級泊位主要受NNE～S方向波浪的影響，50 a一遇最大H1%波高為11.1～11.5 m，最大波高出現(xiàn)在E方向；

4)東側(cè)15～30萬噸級泊位主要受NNW～SE方向波浪的影響。50 a一遇最大H1%波高為9.6～11.3 m，最大波高出現(xiàn)在E～ESE方向。修建三星島間的防波堤方案，50 a一遇最大H1%波高為8.8～11.1 m。

5)總體而言，鼠浪湖島海域波高和波周期較大，其中南側(cè)和東南側(cè)波高稍小，東側(cè)波高較大，修建三星島間的防波堤對設(shè)計(jì)波要素影響較小，僅使得東側(cè)泊位設(shè)計(jì)波要素減小0.20 m左右。

6 水動力泥沙條件

采用丹麥DHI公司Mike21的水流(FM)模塊[11]建立杭州灣大范圍潮流數(shù)學(xué)模型和工程海域局部潮流數(shù)學(xué)模型，對研究海域現(xiàn)狀和工程實(shí)施以后的潮流場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析海域潮流運(yùn)動特征和碼頭工程局部的水流條件。

1)工程實(shí)施后，海橫頭島北側(cè)產(chǎn)生逆時(shí)針方向漲潮回流，鼠浪湖島西側(cè)水流由于圍墾工程歸順岸線，水流相對平順。兩側(cè)漲潮流在島嶼西北角外進(jìn)行匯流，匯流點(diǎn)至岸線之間的凹灣內(nèi)水流較弱。落潮時(shí)，鼠浪湖島北側(cè)分流點(diǎn)和南側(cè)匯流點(diǎn)至岸線之間水域水流較弱，南側(cè)預(yù)留5萬噸碼頭泊位附近存在弱逆時(shí)針方向回流(圖4)。

圖4 方案實(shí)施后漲、落急流場

2)鼠浪湖東側(cè)岸線碼頭附近漲、落潮水流與碼頭走向一致。規(guī)劃15萬～30萬t泊位附近漲落急流速在1.20～1.80 ms，漲落潮最大橫流0.15 ms；預(yù)留岸線碼頭南端泊位漲潮最大橫流0.20～0.28 ms(攏流)，橫流較小。

3)東南側(cè)預(yù)留5萬t以下泊位處于漲落潮水流分匯處的東側(cè)，碼頭泊位漲急流速0.90 ms，漲潮橫流較小。落潮時(shí)水流較弱，最大流速0.40 ms，落潮時(shí)最大橫流0.28 ms(開流)。

南側(cè)預(yù)留5萬t以下泊位處于漲、落潮水流分匯處的西側(cè)，碼頭泊位附近漲急流速0.50～0.90 ms，漲潮最大橫流0.42 ms(攏流)，對應(yīng)水流交角54.6°。落急流速0.40～0.90 ms，落潮時(shí)最大橫流0.32 ms(開流)，對應(yīng)水流交角為49.3°，橫流較大。

西南側(cè)規(guī)劃5萬～10萬t碼頭泊位附近漲、落潮水流條件均較好，水流平順且與碼頭走向一致。碼頭附近漲急流速在0.80～1.00 ms，漲潮最大橫流0.26 ms(開流)，落潮最大橫流0.19 ms(攏流)。

北側(cè)支持系統(tǒng)港池位于分匯流附近的緩流區(qū)，水流較弱，港內(nèi)漲落急流速在0.10 ms以下。兩組方案水流流態(tài)差異很小。

利用Mike 21MT模塊建立海域波浪作用下潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，對工程實(shí)施引起的地形沖淤變化進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果顯示，工程實(shí)施以后海域海床沖淤幅度較小，大部分碼頭東部15萬～30萬t及預(yù)留15萬～30萬t碼頭樁基局部淤積幅度0.10～0.30 ma，碼頭前沿港池淤積0.10 ma左右。東南部、南部預(yù)留5萬t以下碼頭樁基局部淤積幅度0.10～0.50 ma，碼頭前沿港池淤積0.10～0.30 ma。西南側(cè)規(guī)劃5萬～10萬t碼頭樁基局部淤積幅度0.10 ma左右，碼頭前沿港池基本沒有淤積。北部港池內(nèi)淤積較大，在0.70～1.85ma。

采用當(dāng)?shù)夭焕较駿SE向20 a一遇波浪大潮期作用2 d為動力條件，模擬當(dāng)?shù)氐牡匦螞_淤，結(jié)果顯示碼頭局部回淤在0.10～0.20 m，大風(fēng)天港池、航道泥沙淤積不嚴(yán)重。

7 結(jié)論

1)鼠浪湖島及周邊海域以基巖岸線為主，岸線穩(wěn)定；海床以黏土質(zhì)粉砂為主，地形沖淤幅度?。磺覎u嶼周邊水深條件良好、深水近岸，具備建設(shè)大、中型港口碼頭的基本條件。

2)鼠浪湖島附近潮汐通道潮流速較強(qiáng)，蛇移門通道內(nèi)漲急流速超過2.0 ms，潮流以往復(fù)流為主；海域風(fēng)浪較大，NE～ENE、E～ESE 50 a一遇H1%波高超過10.0 m；海域含沙量較大。是港口布置需要考慮的主要?jiǎng)恿μ卣鳌?/p>

3)該海域波浪影響較大，若采用開敞形式的碼頭布置，考慮波浪對泊位作業(yè)天數(shù)影響較大，可布置作業(yè)頻次較少的大型船舶泊位；對作業(yè)天數(shù)要求較高的碼頭泊位，需要結(jié)合波浪研究結(jié)果建設(shè)適當(dāng)?shù)姆览斯こ獭?/p>

4)三星山之間的防波堤建設(shè)對鼠浪湖東側(cè)部分岸段NE向浪有一定的掩護(hù)作用，對增加泊位的作業(yè)天數(shù)有一定作用，但對岸段碼頭的設(shè)計(jì)波要素影響不大。

5)鼠浪湖東側(cè)岸段，水深條件較好，流速較強(qiáng)，水流平順，橫流不大，波浪較強(qiáng)，適宜布置大型碼頭。南側(cè)岸段，水深條件稍差，水流較弱，且受分匯流影響，流態(tài)稍差，橫流稍大，但波浪掩護(hù)條件較好，建設(shè)中小型泊位較為適宜，建議對其局部岸段進(jìn)行必要的優(yōu)化，改善流態(tài)。西南側(cè)岸段與南側(cè)岸段相類似。北側(cè)岸段受分回流點(diǎn)影響，為弱流環(huán)境，存在一定的泥沙淤積，建議布置小型的碼頭泊位。

6)由于海域水深較大且動力較強(qiáng)，圍墾工程方案建設(shè)后，碼頭或棧橋樁基局部存在小幅度淤積，港池和航道常年淤積強(qiáng)度不大，對水深影響較小，無礙航驟淤問題。

7)規(guī)劃方案的布置形式總體上是適宜的。鑒于島嶼岸線曲折復(fù)雜，進(jìn)行適當(dāng)?shù)陌稙﹪鷫ㄊ潜匾模鸬綒w順?biāo)鞯淖饔?，同時(shí)增加港口的陸域。此外，外海波浪影響較大，碼頭適宜采用高樁形式，可以降低工程造價(jià)，并減小對周邊海域的影響。