道人山漁業(yè)碼頭對水動力泥沙環(huán)境的影響研究

范從軍，鄭文炳，朱訓(xùn)楊

(1.南通港集團(tuán)建設(shè)投資有限公司，江蘇南通 226500；2.寧波市盛甬海洋技術(shù)有限公司，浙江寧波 315000；3.寧波市海洋與漁業(yè)研究院，浙江寧波 315000)

引言

浙江省寧波市象山縣海洋漁業(yè)生產(chǎn)歷史悠久，改革開放以來，全縣漁業(yè)經(jīng)濟(jì)一直保持著快速的發(fā)展勢頭，創(chuàng)造了輝煌業(yè)績。但近年來隨著近岸灘涂圍墾的實(shí)施以及臺風(fēng)的襲擊，漁業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施被拆除或者破壞，漁業(yè)生產(chǎn)形勢嚴(yán)峻。本項(xiàng)目是改善漁業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的重要工程，位于道人山圍涂工程北堤外側(cè)，圍墾區(qū)內(nèi)為漁業(yè)生產(chǎn)配套的修理廠、晾曬場等。建設(shè)內(nèi)容包括碼頭和防波堤，碼頭結(jié)構(gòu)形式選用浙江沿海近岸小型漁業(yè)碼頭常見的斜坡式，該形式建設(shè)速度快，投資少，對潮位變化適應(yīng)性強(qiáng)，滿足不同潮位下漁船的停靠。工程建設(shè)可能對周邊海域水動力、地形沖淤產(chǎn)生一定的影響。本文通過二維潮流數(shù)學(xué)模型對工程區(qū)域進(jìn)行潮流模擬，采用實(shí)測水文泥沙資料對挾沙公式進(jìn)行率定分析，結(jié)合半理論半經(jīng)驗(yàn)的沖淤公式，預(yù)測工程建成后水動力和淤積變化。

1 工程概述

1.1 工程內(nèi)容

碼頭布置在港池中部，設(shè)計(jì)船型為100 t 漁船。總長度60 m，其中斜坡段長50 m，水平段10 m，寬12 m。碼頭方位角為N116°37′11″～296°37′11″。碼頭面標(biāo)高-0.50 m～+3.0 m。碼頭前沿回旋水域按圓形布置，回旋圓半徑為32 m。

防波堤布置在港區(qū)的東側(cè)，為離岸式防波堤，南距道人山岸邊約60 m，堤基處泥面高程-3.0 m～-3.44 m。防波堤堤線為折線型，折角為150 度，南段堤線呈沿北偏西30o 方向（SSE～NNW 走向），北段呈沿北偏西60o方向（SSE～NNW 走向），堤頂寬6 m，堤身斷面總寬40 m，全長150 m。

圖1 工程平面布置圖

1.2 潮流潮汐

1）潮汐

雖然工程附近海域（HK1+HO1）／HM2的比值為0.39，屬正規(guī)半日潮，但是工程水域淺海分潮的振幅較大，其中HM4/HM2為0.03，因此工程海域?yàn)榉钦?guī)半日淺海潮港類型。工程海域的最高、最低潮位分別為2.75 m 和-1.97 m，平均高、低潮位分別為1.66 m 和-0.97 m，月平均潮位為0.31 m；平均漲潮歷時5 小時54 分，落潮歷時6 小時30 分。

2）潮流

工程附近海域受岸邊地形及周邊島嶼影響，呈現(xiàn)往復(fù)流，流向177°～332°之間，漲落潮憩流一般發(fā)生在高低潮前后，漲潮流速大于落潮流速。據(jù)2015 年水文測驗(yàn)成果顯示，各觀測站點(diǎn)的最大流速在0.53～1.09 m/s 之間（見圖4），垂線最大漲落潮流速均存在一定的偏角，漲落潮流向與碼頭走向基本一致。

3）風(fēng)浪

工程區(qū)域波浪直接受風(fēng)浪和涌浪影響，為混合型波浪。根據(jù)工程附近的大目涂水文站1981～1996年資料：工程海域常浪向?yàn)镹E；涌浪常浪向?yàn)镋；強(qiáng)浪向?yàn)镋 和ESE，大浪集中在秋季的臺風(fēng)和冬季的寒潮期，實(shí)測最大波高為2.3 m（波向E，1983年9 月），各月平均波高0.2～0.5 m，平均周期為6.8～7.5 s。

2 二維潮流模型

象山東部海域波浪強(qiáng)度與頻率均不大，潮流為水動力的主要控制因素。因此選取潮位為控制條件的二維潮流模型對工程實(shí)施后的水動力影響進(jìn)行分析。

2.1 潮流基本控制方程

采用基于Boussinesq 和靜壓假定的二維平面不可壓縮雷諾（Reynolds）平均N-S 淺水方程求解流速、流向以及水位信息。模型采用的潮流控制方程為垂向的平均連續(xù)方程和運(yùn)動方程：

式中：t為時間；η為潮面高程；d為靜水面一下深度；h=η+d為總水深；u、v為深度平均流速在x、y方向的分量；f為科氏力系數(shù)；g為重力加速度；ρ為水密度；ρ0為基準(zhǔn)水密度；τij為水質(zhì)點(diǎn)側(cè)向應(yīng)力，包括粘滯摩擦力、紊流摩擦力、對流力等，在模型中采用一個渦旋粘滯系數(shù)，根據(jù)垂向平流速梯度場對上述幾種力進(jìn)行綜合估值，可按下式計(jì)算：

式中：

υt為水平渦動粘滯力系數(shù)，通過求解k-ε模型得到；

τsx，τsy為水面風(fēng)摩阻x、y方向分量（本項(xiàng)目中均為0）；

τbx，τby為水底摩阻x，y方向分量。

求解時網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，水平空間離散采用標(biāo)準(zhǔn)Galerkin 有限元法，在時間上，采用顯式迎風(fēng)差分格式，空間上采用ADI 離散動量方程與連續(xù)方程。

2.2 泥沙控制方程

象山縣東部海域?yàn)橛倌噘|(zhì)海岸[1]，以懸移沙為主，根據(jù)竇國仁理論[2]，潮汐水流懸沙運(yùn)動微分方程可寫為：

式中t為時間，為l水平坐標(biāo)，S為含沙量濃度(kg/m3)，q為單寬流量（m3/s），h為水深（m），ω為懸沙沉降速度（m/s），本文取ω=0.0004m/s，α為泥沙沉降幾率，本文取0.6，S*為水流挾沙能。

對式（5）在一個潮周期內(nèi)積分，可近似得到一年的淤積強(qiáng)度[3]：

S*的準(zhǔn)確計(jì)算是沖淤強(qiáng)度計(jì)算的關(guān)鍵。本海域不同于一般的河口，為無徑流的近岸海區(qū)，根據(jù)黃承力對舟山釣梁圍墾工程的淤積分析[3]，波浪對沖淤影響比例在0.76%～17.5%之間，本工程海域與舟山海域海況類似，因此選用劉家駒考慮風(fēng)浪流作用下的挾沙公式[4]，同時考慮非水力因子的影響，即背景含沙量[5]，利用工程海域?qū)崪y水文泥沙資料對公式參數(shù)進(jìn)行回歸分析，具體公式如下：

式中：

A、B、m為待求參數(shù)；U為風(fēng)浪流合成速度；Vbt為風(fēng)吹流和潮流的合成速度即，風(fēng)吹流流速，Vb=0.0205W，Vt為實(shí)測潮流流速，W為風(fēng)速，Vw為波流，有限水深下c為波速，H為波高。

當(dāng)接近沖淤平衡時，即年沖淤量為p=0，帶入式（6）并結(jié)合式（7），令q1=h1U1，q2=h2U2可得則沖淤平衡時沖淤積量[6-7]為：

式中：q1、q2為工程前后的單寬流量，h1、h2為工程前和淤積平衡后的水深，上述公式中的水深均采用修正后的全潮平均水深[7]。

2.3 挾沙公式參數(shù)

根據(jù)2015 年象山縣東部海域4 月份實(shí)測波浪統(tǒng)計(jì)資料，有效波高H=0.27m，有效周期T=3.17s，計(jì)算得到波速為c=4.84m/s，結(jié)合實(shí)測懸浮沙、潮流和風(fēng)速實(shí)測資料，回歸分析得到A=8.23、m=1.29、B=0.25。

圖2 挾沙公式參數(shù)回歸分析

3 模型建立

3.1 模型設(shè)置

本模型中，斜坡式碼頭通過改變地形水深進(jìn)行模擬，防波堤則以護(hù)坦塊石為界線，設(shè)置為陸域邊界。數(shù)學(xué)模型的計(jì)算范圍上邊界位于梅山水道，東邊界至外海南韭山島，涵蓋整個象山港。水動力模型采用無結(jié)構(gòu)的三角形網(wǎng)格，模型空間步長5～ 200 m，共有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為24 101，單元數(shù)為46 061，時間步長為10 s。開邊界潮位由寧波舟山近海三維潮汐模型給出[8]。

圖3 水文站點(diǎn)位置

3.2 模型驗(yàn)證

模型潮位的驗(yàn)證選用2015 年3 月份在擬建工程附近海域設(shè)置的T1#、T2#臨時驗(yàn)潮站和S1#、S2#、S3#潮流站的水文監(jiān)測資料。根據(jù)模型計(jì)算潮位流速與實(shí)測潮位流速的對比驗(yàn)證情況，計(jì)算值與實(shí)測值在相位和幅值方面吻合較好，除個別時刻的流速驗(yàn)證值存有稍大偏差外，實(shí)測與計(jì)算潮位總體誤差小于10 %。總體看來，流場模擬驗(yàn)證符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》，區(qū)域內(nèi)流場模擬計(jì)算結(jié)果基本反映了該海域潮流和潮波的實(shí)際變化。

4 工程后水動力環(huán)境影響

4.1 潮流影響

工程海域基本屬于往復(fù)流，漲潮主流方向?yàn)镹W，落潮主流方向?yàn)镾E。漲急時港池內(nèi)形成環(huán)流，但環(huán)流較弱；落急時，從防波堤與道人山的口門處回落，潮流有所加強(qiáng)。整體來看工程實(shí)施后受防波堤檔流作用，流場形態(tài)變化局限于防波堤工程附近范圍內(nèi)。工程實(shí)施前后漲、落急流速變化如圖4。整體來看，工程實(shí)施后漲、落急最大流速的減幅在0.1 m/s以內(nèi)，受防波堤阻擋，港池內(nèi)流速減小，最大影響區(qū)域位于防波堤工程內(nèi)拐角處，防波堤南北兩端堤腳流速局部增大。防波堤內(nèi)側(cè)流速減小0.07～ 0.08 m/s，斜坡碼頭前沿由于水深較小，流速變化只有0.02～0.03 m，遠(yuǎn)小于防波堤處。港內(nèi)落急流速影響大于漲急流速，漲急時近岸港池形成環(huán)流，但環(huán)流速度變化較小，小于0.01 m/s，防波堤內(nèi)側(cè)流速變化0.01～0.03 m/s，防波堤外側(cè)拐角處由于挑流，局部流速增大0.02～0.03 m/s，流向變化0.11°～152.33°之間；落急時港池內(nèi)流速變化0.01～0.1 m/s，防波堤西北角處部分水流外挑至東側(cè)，形成了小范圍流速增大區(qū)域，增大0.05～0.06 m/s，流向變化1.01°～62.06°之間。防波堤建成后，港池內(nèi)流向平順，有利于漁船的?？?。

圖4 項(xiàng)目實(shí)施后工程海域流速變化

4.2 泥沙淤積

根據(jù)圖5可以看出，沖刷區(qū)域主要位于防波堤南北堤頭附近區(qū)域，淤積區(qū)域主要位于防波堤兩側(cè)及碼頭前沿，工程200 m范圍以外海域沖淤變化基本小于0.10 m，其它區(qū)域海床未受到明顯的影響。工程完成后，工程海域年沖淤速率在-0.2～0.3 m之間，港池內(nèi)泥沙在防波堤處落淤，防波堤內(nèi)側(cè)拐角處淤積最大，港池及碼頭前沿淤積在0.10～0.30 m之間。達(dá)到淤積平衡時，防波堤內(nèi)側(cè)港池淤積在0.5～0.8 m之間，越靠近防波堤淤積越大，防波堤西北角和東南角受挑流和過水?dāng)嗝孀冋绊懽畲鬀_刷為0.5～0.6 m之間，碼頭前沿最終淤積0.2～ 0.4 m。

圖5 項(xiàng)目實(shí)施后工程海域淤積變化

5 結(jié)語

1）工程海域?yàn)榉钦?guī)半日淺海潮，海底較為平緩，大致偏南-北向往復(fù)流動，漲潮流向317°～346°，落潮流向147°～225°，工程實(shí)施后，除工程海域局部流態(tài)變化，不會改變所在海域的潮流特征。

2）工程防波堤和斜坡碼頭均為順灣布置，未切斷潮流通道，灣內(nèi)流向基本保持不變，仍為順灣流動，港內(nèi)流速在0.01～0.18 m/s 之間，較平穩(wěn)，有利于漁船?？?。

3）工程碼頭前沿以及防波堤內(nèi)側(cè)海域受阻流影響，流速減小，防波堤內(nèi)側(cè)流速影響程度大于碼頭前沿，落急流速變化大于漲急流速變化。防波堤北外側(cè)和南側(cè)分別受挑流和口門收縮影響，流速均增大。淤積區(qū)域主要位于防波堤兩側(cè)以及碼頭前沿，防波堤200 m 外海域基本未受到明顯影響。

4）綜合來看，道人山漁業(yè)碼頭及防波堤建設(shè)后，對周邊水動力影響較小，港內(nèi)流速平穩(wěn)，可以滿足漁船?？考氨茱L(fēng)等，工程設(shè)計(jì)是可行的。