舟山黃澤山島北側(cè)岸線潮流特征及其影響分析

鄔昊辰，孫驍帆，浦偉慶

（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）

引 言

黃澤山島位于舟山群島中北部，周邊水深條件好、高等級航道貫通，具備建設(shè)大型碼頭泊位的基本條件，其部分岸線已納入《寧波-舟山港總體規(guī)劃》，前階段已依托西南側(cè)岸線建成了30 萬t 級大型碼頭泊位。不同于其南側(cè)利用島嶼間通道水域的建港條件，黃澤山北側(cè)岸線所處水域相對開闊，除了水深條件、波浪掩護(hù)條件的差異外，其潮流場分布也有較大不同，并對岸線利用和碼頭布置有顯著影響。結(jié)合相關(guān)基礎(chǔ)資料和模型研究，對該岸段潮流特征及其建港影響進(jìn)行了分析。舟山群島及我國其他區(qū)域的一些島嶼或半島岬角岸線的潮流場特征與該區(qū)有一定的相似性，本文所采用的分析方法適用于類似典型場景。

1 岸線現(xiàn)狀

黃澤山島東西長約2.8 km，南北寬約0.7～ 2.1 km，自然海岸線長約15 km，其中西側(cè)約4.9 km岸線已納入港口規(guī)劃并開發(fā)利用[1]，建設(shè)有30 萬t級原油泊位1 個(gè)、8 萬t 級原油泊位1 個(gè)、1 萬t 級成品油泊位2 個(gè)以及后方罐區(qū)等設(shè)施，其余岸線多處于自然未開發(fā)狀態(tài)。島嶼以基巖海岸為主，人工海岸次之，海岸抗侵蝕能力強(qiáng)，岸線相對穩(wěn)定。島嶼南北兩側(cè)20 m 等深線離岸約200～800 m 左右，10 m 等深線離岸僅50～400 m 左右，深水區(qū)相對貼岸分布，滿足建設(shè)大中型碼頭泊位的水深要求。其中，北側(cè)岸線介于東北側(cè)岬角磯頭和西北側(cè)礁盤之間，其連線長約2 km，連線以外水深＞10 m。

圖1 黃澤山島岸線現(xiàn)狀地形示意

2 岸線利用規(guī)劃

我國現(xiàn)行《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》指出，利用天然島嶼布置的港口，對于較大的島嶼，可利用自然岸線布置，對于較小的島嶼，可將鄰近的多個(gè)小島連片統(tǒng)一布置[2]。在舟山港域已有的大量工程實(shí)例中，也總結(jié)出了順應(yīng)流態(tài)、歸順流場、避開轉(zhuǎn)流回流段等原則和措施[3-4]。黃澤山島南北兩側(cè)均有一定的岸線長度，自身可布置碼頭泊位，但部分區(qū)域宜通過人工圍墾填補(bǔ)凹岸，兼顧歸順?biāo)骷案劭陉懹蛐枰，F(xiàn)階段，規(guī)劃部門已對相關(guān)岸線的利用和碼頭泊位布置開展了一定的規(guī)劃研究，形成了基本布局方案[5]，其中：黃澤山北側(cè)沿-6 m 等深線連接?xùn)|西凹岸淺灘形成北側(cè)圍墾，結(jié)合北側(cè)水深條件，自東向西布置≥30 萬t 級泊位及5 萬～12 萬t 級泊位。

圖2 黃澤山島北側(cè)岸線規(guī)劃布局示意

3 潮流場特征分析

3.1 潮流條件概況

黃澤山所在的舟山群島區(qū)域是我國典型的強(qiáng)潮流海域，漲潮時(shí)東海潮波經(jīng)黃澤洋傳入本區(qū)，而后進(jìn)入杭州灣，落潮時(shí)來自杭州灣的落潮流經(jīng)本區(qū)域流向外海。受島礁地形影響，漲潮流在黃澤山附近分成三個(gè)部分，分別通過雙子山與衢山島之間通道、雙子山與黃澤山之間通道和黃澤山北側(cè)通道，三股漲潮流繞過小衢山后繼續(xù)向西進(jìn)入杭州灣水域。落潮時(shí)，流路基本相反。實(shí)測資料[6]和數(shù)值模擬[7]均表明，島嶼附近的潮流動(dòng)力較強(qiáng)，同時(shí)島嶼背流側(cè)和局部凹灣內(nèi)多有回流產(chǎn)生，其中黃澤山東北側(cè)磯頭以西的漲潮回流較為顯著，對碼頭布置有較大影響。

圖3 黃澤山北側(cè)流場分布（數(shù)值模擬）

3.2 基礎(chǔ)資料準(zhǔn)備

1）現(xiàn)場潮流觀測

由于本區(qū)潮流場的復(fù)雜性，為滿足岸線規(guī)劃和碼頭泊位布置方案細(xì)化研究的要求，需開展有針對性的現(xiàn)場潮流觀測。本區(qū)的潮流觀測主要遵循以下原則：

a.測站位置結(jié)合擬選碼頭前沿線、港池水域、航道連接水域進(jìn)行布置，并形成相應(yīng)的代表斷面，同時(shí)兼顧模型試驗(yàn)驗(yàn)證點(diǎn)的需要；

b.觀測范圍充分涵蓋不利流態(tài)（回流區(qū)）的可能影響范圍；

c.觀測時(shí)間覆蓋大、中、小潮期；

d.流場變化幅度較大的區(qū)域采用沉底（固定式）觀測。

結(jié)合已有規(guī)劃布局方案，以及根據(jù)原有資料對現(xiàn)場流態(tài)的預(yù)判分析，在黃澤山北側(cè)水域共布置了7 個(gè)定點(diǎn)站和6 條ADCP 斷面，其中3 個(gè)定點(diǎn)針對碼頭前沿線、4 個(gè)定點(diǎn)針對港池及兩側(cè)延伸水域，4條斷面為橫斷面、2 條斷面為縱斷面，斷面布置在回流區(qū)一側(cè)相對密集。

圖4 黃澤山北側(cè)岸線潮流觀測點(diǎn)和斷面布置示意

2）地形測量

在上述工作前，提前進(jìn)行一定范圍和精度的地形觀測，作為碼頭前沿線初步選擇以及潮流場預(yù)判分析的依據(jù)。

3.3 實(shí)測流資料的分析

1）潮流性質(zhì)

海域的潮流以半日潮流為主，潮流的往復(fù)流運(yùn)動(dòng)形態(tài)較明顯。

2）流速流向

定點(diǎn)站中漲潮測點(diǎn)最大流速為1.9 m/s，落潮測點(diǎn)最大流速為2.2 m/s。定點(diǎn)站漲潮垂線最大流速在0.5～1.5 m/s 之間，落潮垂線最大流速在1.2～1.7 m/s之間，落潮各層最大流速基本大于漲潮，落潮流為優(yōu)勢流。除受島嶼磯頭影響區(qū)域外，大部分測點(diǎn)漲潮主流向介于250°～270°左右，落潮主流向介于70°～80°左右。流速的空間分布方面，總體上離岸深水區(qū)流速大于近岸，東側(cè)回流區(qū)內(nèi)流速總體小于流場平順的區(qū)域。

3）回流區(qū)影響范圍和時(shí)間的判斷

利用定點(diǎn)及ADCP 逐時(shí)的準(zhǔn)同步流矢圖，基本可辨別出東側(cè)回流區(qū)的范圍。由圖分析可知，本區(qū)初漲后1 h 左右（漲急前1 h），東側(cè)近岸的部分測點(diǎn)流向開始向內(nèi)（南）壓攏，漲急時(shí)刻可觀察到明顯的逆時(shí)針回流區(qū)，范圍自東側(cè)磯頭向西延伸至縱斷面中段，漲急后1～2 h 回流區(qū)范圍基本無大的變化，而水流強(qiáng)度逐漸減弱?？傮w上，根據(jù)實(shí)測資料，本段岸線存在漲潮回流影響的范圍約為東西長 1.2 km、南北寬0.9 km 的橢圓形水域，影響時(shí)間持續(xù)3 h 左右；從實(shí)測潮流和潮位的關(guān)系來看，大致發(fā)生于高平潮前2.5 h 至高平潮后0.5 h 左右。本區(qū)30 萬t 級及以上大型船舶一般需乘高潮進(jìn)港，選擇漲（流）末或落（流）初靠泊，基本可避開強(qiáng)回流影響時(shí)段，因此該回流區(qū)主要影響在泊船舶系泊水流荷載和離泊時(shí)間選擇。

4）碼頭前沿橫流影響的分析

根據(jù)實(shí)測流資料，可對初始碼頭前沿線布置方案的橫流大小和過程進(jìn)行分析。如圖5 所示，初始方案碼頭前沿線沿程最大橫流（流速的橫向分量）約在0.2～0.5 m/s 左右，推開流和壓攏流均存在。同時(shí)，可得出固定點(diǎn)位的流速、流向、橫流大小的時(shí)間過程線（圖6），用于分析橫流發(fā)生的時(shí)段和歷時(shí)頻率。該程度的潮流強(qiáng)度及橫向流影響，對于大型船舶的系泊安全是較為不利的。

圖5 碼頭前沿縱斷面最大橫流分布（單位：m/s）

圖6 碼頭前沿定點(diǎn)站流速橫流過程線（流速m/s，流向°）

3.4 潮流數(shù)值模擬分析

在充分獲取代表現(xiàn)狀的實(shí)測資料及相應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步針對本段岸線的碼頭平面布置方案，開展潮流數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)，預(yù)測工程實(shí)施后港區(qū)的流場情況[7]。需注意的是，該數(shù)學(xué)模型的建立過程，除需對各定點(diǎn)潮流資料進(jìn)行驗(yàn)證外（見圖7），還應(yīng)關(guān)注回流影響范圍的模擬情況與實(shí)測資料的吻合性，以確?；亓鲄^(qū)這一關(guān)鍵要素模擬情況與現(xiàn)場的吻合性（見圖8，與實(shí)測位置、范圍基本匹配）。

圖7 潮流數(shù)學(xué)模型定點(diǎn)站流速V(m/s)和流向Dir(°)

圖8 現(xiàn)狀漲潮流場及回流區(qū)模擬

碼頭布置方案的模擬結(jié)果表明，在連接?xùn)|西凹岸淺灘形成平直岸線后，原有東側(cè)漲潮回流區(qū)的范圍受到一定壓縮，而碼頭布置通過平移盡量避開回流影響的區(qū)域，可將不利流態(tài)的影響降低到相對可接受的范圍。通過進(jìn)一步優(yōu)化布置，碼頭前沿最大橫流約可控制在0.3 m/s 左右，且僅發(fā)生于碼頭東端，大部分范圍的流態(tài)較為平順。

圖9 碼頭優(yōu)化布置方案流場模擬

4 流場影響分析及碼頭布置建議

4.1 流場影響分析

黃澤山北側(cè)岸線的潮流場具有強(qiáng)潮流島嶼岸線的典型特征，流場強(qiáng)度、流態(tài)分布受到島礁地形的顯著影響，由于島嶼磯頭的挑流作用，以及岸線走向本身與當(dāng)?shù)刂髁飨虼嬖趭A角而形成的背流區(qū)，在相應(yīng)時(shí)段形成了較大范圍的轉(zhuǎn)流、回流形態(tài)。對本段深水岸線而言，由于規(guī)劃泊位的船舶大型化，以及規(guī)劃貨種的危險(xiǎn)品性質(zhì)，碼頭布置對潮流環(huán)境有較高的敏感性?，F(xiàn)狀潮流場一方面使碼頭區(qū)較難保證水流沿程平順，導(dǎo)致部分區(qū)段的流夾角和橫流偏大，另一方面在港池回旋水域和航道連接水域存在旋轉(zhuǎn)和切變流，對船舶靠離泊、系泊作業(yè)的安全造成不利影響。

由此，在進(jìn)行岸線和碼頭布置規(guī)劃時(shí)，首先需對岸線進(jìn)行一定的取舍，其次需通過優(yōu)化平面布置使碼頭前沿線盡可能與當(dāng)?shù)亓鲌鱿噙m應(yīng)。而通過實(shí)測資料和數(shù)值模擬的分析，已可基本掌握現(xiàn)狀條件及工程實(shí)施后的潮流場特征，包括不利流態(tài)的影響范圍、強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間，可作為相應(yīng)碼頭布置的依據(jù)。

4.2 碼頭前沿線布置建議

在基本明確本區(qū)碼頭等級及占用岸線長度的前提下，單從潮流條件方面，對碼頭前沿線的布置大致可遵循以下思路：

1）基于實(shí)測資料，按平順于主流向的原則，劃定碼頭前沿線的大致方位角（前沿線的離岸距離還需結(jié)合水深條件等因素綜合確定）；

2）基于實(shí)測資料，確定岸線端部水域不利流態(tài)的影響范圍，使碼頭區(qū)基本避開該水域；

3）基于實(shí)測資料，估算碼頭沿線橫流情況，并調(diào)整碼頭前沿線位置，使最大橫流基本不超過某一閾值（在寧波舟山港的強(qiáng)潮流港區(qū)，對30 萬t級左右大型/超大型船舶，該閾值常按0.3 m/s 考慮）；

4）基于模型試驗(yàn)，根據(jù)工后流場預(yù)測情況，復(fù)核不利流態(tài)的影響程度，并按1）～3）條相同的原則，進(jìn)一步微調(diào)得到相對較優(yōu)的布置方案；

5）如受限于環(huán)境條件，難以完全滿足第3）條時(shí)，因確保不利流態(tài)的影響僅限于局部，如碼頭端部（且基本不影響船舶實(shí)際停靠位置），且影響的頻率可控制在較低量級，后期還需通過其他研究手段（如船舶操縱仿真、系靠泊試驗(yàn)、工后復(fù)測潮流等）進(jìn)一步復(fù)核潮流的影響；

6）如受限于環(huán)境條件，有較大范圍的碼頭區(qū)流態(tài)不理想時(shí)，應(yīng)考慮采取一定的工程措施，包括整治建筑物、碼頭結(jié)構(gòu)措施等[8,9]，緩解該不利影響，并通過模型試驗(yàn)論證相應(yīng)措施的效果。

本區(qū)現(xiàn)階段碼頭規(guī)劃布置主要施行了1）～4）條內(nèi)容，優(yōu)化后碼頭前沿線的流場影響基本可控。該研究思路可適用于其他條件相似的岸線。

5 結(jié) 語

在類似黃澤山島北側(cè)的島嶼或半島岬角岸線，常存在一定范圍的復(fù)雜流場影響。在建港前期研究階段，應(yīng)開展充分的流場觀測，采取定點(diǎn)和走航斷面相結(jié)合的形式，覆蓋所關(guān)注的水域，并在不規(guī)則流態(tài)區(qū)域適當(dāng)加密。基于實(shí)測資料的分析提出相對合理的碼頭前沿線布置方案，并采用模型試驗(yàn)手段對工程實(shí)施后的流場情況進(jìn)行模擬預(yù)測，進(jìn)一步優(yōu)化布置，保證流場影響可控。在具體項(xiàng)目階段，必要時(shí)還應(yīng)采用更精確的技術(shù)手段對相關(guān)影響進(jìn)行深化研究。此外，在寧波舟山港一些潮流較復(fù)雜的港區(qū)，近年來也采取了一些工程建成后復(fù)測潮流的措施，對流場的影響進(jìn)行了有效的后評估。