沈家門漁港輸沙機制及對浚深響應(yīng)

謝瀅芳，孟艷秋，童朝鋒，高祥宇

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.河海大學(xué) 疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，南京 210098；3.南京水利科學(xué)研究院 港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點實驗室，南京 210029)

海灣地形的演變是泥沙在波流作用下發(fā)生不平衡輸沙導(dǎo)致。按通量計算式，泥沙通量值決定于分析時段內(nèi)體現(xiàn)潮幅變化的水深、潮流流速以及隨潮動力變化的挾沙量。受潮動力、地形、泥沙運動特性和周圍海域泥沙供給條件影響，海灣水域的水深、流速與含沙量變化過程存在漲落潮的不對稱性，并且三者之間關(guān)系呈非線性，各位置間關(guān)系也存在差異性，導(dǎo)致海灣泥沙的凈輸運。通量機制分解法便是用來分析這三者組合關(guān)系形成的平流輸沙、潮泵輸沙等各輸沙項，既探究各項的相對貢獻，也可探討各項所對應(yīng)的動力因子的內(nèi)在輸移機理[1-2]。David C.Fugatea[3]根據(jù)美國切薩皮克海灣上游段水沙實測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，潮不對稱性與橫向環(huán)流相互作用導(dǎo)致海灣泥沙輸運凈通量集中在左側(cè)，并在表面產(chǎn)生與海灣底部的懸沙凈通量相同數(shù)量級的凈落潮泥沙輸移。劉波等[4-5]利用通量機制分解法分析海灣輸沙機制得出，懸浮泥沙輸運方向與潮致余流方向基本一致，平流輸運在懸沙輸移中占絕對優(yōu)勢，其次為潮泵輸沙或垂向凈環(huán)流輸沙。可見，潮不對稱對海灣凈輸沙影響顯著。

舟山沈家門漁港是典型的與周邊海域多通道相連的狹長型海灣，與半島形成的盲腸型海灣不同，其屬于由島嶼相間形成的海峽型海灣。海灣內(nèi)的泥沙主要為潮流輸入，由長江口、杭州灣供給，但連接灣內(nèi)與灣外的各通道泥沙輸沙機制尚不是很明晰。根據(jù)地形實測，當(dāng)前海灣內(nèi)淤積速率約0.25 m/a，為改善海灣水環(huán)境并提高港口航道通航能力，實施藍色海灣清淤工程。而工程作用與海灣的動力環(huán)境和海灣內(nèi)輸沙機制之間的相互影響是非常巨大的[6-7]。

為此，根據(jù)2017年的實測水文泥沙和2017～2019年的實測地形數(shù)據(jù)，建立二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用通量計算等相關(guān)方法，以分析沈家門漁港海域輸沙機制及其對疏浚工程浚深的響應(yīng)。

1 研究區(qū)域和實測數(shù)據(jù)

沈家門漁港位于杭州灣東南部的舟山群島海域，崎頭洋北側(cè)，東至半升洞，西至勾山浦，總長度約16.0 km，寬度190～700 m，其中港區(qū)長11.5 km，港口水域面積18.5萬m2(圖1)。海灣西段由舟山本島和小干島相間形成，呈東南—西北走向，長度約11.5 km，平均水深約4.0 m；東段由魯家峙和舟山本島之間海峽形成，呈東北—西南走向，平均水深約5.0 m。東灣口連接普沈水道，魯家峙島和小干島之間海峽形成南灣口，寬度約700 m，平均水深約4.0 m，是船舶進出沈家門漁港的重要通道；由長峙島、舟山本島、小干島相間形成的三口連接沈家門漁港西側(cè)。

圖1 沈家門漁港區(qū)域分布及疏浚范圍圖Fig.1 Layout and dredging area of Shenjiamen Bay

沈家門漁港清淤工程范圍包括海灣半升洞附近—舟漁公司以及魯家峙—小干島之間，清淤區(qū)域如圖1，海灣小干島段清淤了一半，魯家峙段實現(xiàn)全部清淤。工程清淤量約達 530萬m3，清淤區(qū)水深增加約3.48 m。

根據(jù)2017年9月21日～22日大潮、2017年9月27日～28日小潮期間水文泥沙實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，沈家門漁港潮汐性質(zhì)屬正規(guī)半日潮港，其受東南—西北向傳入的M2分潮為主的東海前進波系統(tǒng)控制，最大潮差約4.0 m，平均潮差2.43 m，有明顯的漲落潮歷時不等現(xiàn)象，平均漲潮歷時5 h 57 min，平均落潮歷時6 h 28 min，漲潮歷時短于落潮歷時。受舟山南部眾多島嶼的掩護，外海波浪不易傳入本海區(qū)，潮流是控制本區(qū)的主要動力。沈家門漁港的水動力主要來自于崎頭洋海域的潮流，水文實測數(shù)據(jù)顯示，海灣狹長地形致使其水動力具有明顯的狹道效應(yīng)，潮流由無島礁的外海的橢圓流變?yōu)楹硟?nèi)的往復(fù)流。灣內(nèi)小干島段主槽大潮漲落潮最大流速約為0.9 m/s，對應(yīng)潮差3.84 m。

杭州灣附近灰鱉洋水域及象山港附近水域的高含沙水體在水動力作用下由金塘、冊子、螺頭及佛渡水道等的對流、擴散作用進入上述舟山—北侖水域[8]，大潮期間沈家門漁港垂向平均含沙量最大值為0.712 kg/m3，平均含沙量為0.431 kg/m3，大、小潮平均含沙量比值約為1:0.73。根據(jù)寧波市海洋環(huán)境監(jiān)測中心水文觀測資料，懸沙中值粒徑在6.73～12.61 μm，平均粒徑在8.04～47.86 μm，按照海洋規(guī)范分類為粉砂；懸沙中值粒徑時空分布均勻。底質(zhì)以細顆粒的粉砂和粘土為主，前者約占總量的52%，后者約占33%，此外還有砂。

2 研究方法

2.1 潮流泥沙數(shù)學(xué)模型

選擇丹麥水工研究所開發(fā)的Mike21軟件水動力泥沙模擬模塊，建立長江口-杭州灣-舟山海域二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，模擬沈家門漁港及周邊海域動力傳輸及泥沙輸運，獲得充足動力泥沙輸移時空變化數(shù)據(jù)，如圖2-a所示，模型網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，沈家門漁港網(wǎng)格較密，平均邊長5 m，模型中已耦合代表常浪場。受舟山海域島嶼遮蔽影響，舟山本島至穿山半島海域波浪較小，對本地泥沙再起懸影響強度有限[9]。

模型4個潮位站及9個流速、含沙量驗證點位置如圖2-b所示。潮位驗證中模型很好模擬了該站的潮波運動，漲落潮歷時基本一致，各潮位站高、低潮相位最大誤差在20 min以內(nèi)，潮位最大誤差平均值小于 0.10 m，大、小潮時間段流速、含沙量過程線形態(tài)基本一致，平均流速誤差為7%，平均流向誤差絕對值小于10°。平均含沙量誤差為28.1 %，滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》。建立的潮流泥沙數(shù)學(xué)模型與實測數(shù)據(jù)擬合較好，能較準確地反映局部海域小尺度流態(tài)及含沙量變化特征。模型選取的泥沙參數(shù)[5]中，臨界沉積剪切應(yīng)力取τcd=0.05～0.25 N/m2，臨界起動剪切應(yīng)力取τce=0.2～0.7 N/m2，較低濃度區(qū)域的泥沙不考慮絮凝時的沉降速度為0.05～0.4 mm/s，而隨著濃度增加，考慮絮凝時的沉降速度取0.5～0.6 mm/s。限于篇幅，僅列朱家尖站水位驗證圖以及SW3點流速含沙量實測數(shù)據(jù)與模型結(jié)果對比如圖3所示。

3-a 潮位驗證

3-b 流速、流向及含沙量驗證圖3 潮位、流速、流向及含沙量驗證Fig.3 Verification of tidal level, velocity, direction and sediment concentration

2.2 懸沙通量計算及機制分解

海灣內(nèi)泥沙隨潮流以往復(fù)形式運動，分析單寬懸沙通量，主要考慮懸沙沿主流向的輸運，潮周期內(nèi)單位時間懸沙通量可由瞬時通量在時間上積分并求平均所得。分析輸沙機制時可通過懸沙通量機制分解法將懸沙輸移通量定量地分解成多個動力項，每個動力項由一種或多種動力因子聯(lián)合作用，既可探究每個動力項的相對貢獻大小，也可探討各個動力項所對應(yīng)的主要動力因子的內(nèi)在輸移機理，對于潮汐河口，由于潮波變形，漲、落潮不對稱，各動力項對輸水輸沙的作用是不一樣的[2,10-11]。淺水區(qū)域垂向環(huán)流輸沙在凈輸沙中所占比重較小，在此只考慮平面輸沙部分。將瞬時流速、潮位和含沙量分解為垂向平均值與波動值，則潮周期內(nèi)單寬時均懸沙凈通量可由式(2)所得

(1)

式中：C為懸沙濃度；U為水流速度；H為水深；T為一個潮周期；下標0表示隨時間和空間變化的平均值，下標t表示波動變化值；Q1為垂向平均歐拉余流輸移項，其方向取決于漲落潮的優(yōu)勢流對比；Q2為斯托克斯余流輸移項，反映了斯托克斯漂流效應(yīng)對單寬輸沙的貢獻，前二項合稱拉格朗日余流影響項，體現(xiàn)了潮汐余流對懸沙凈輸移的影響，為平流輸沙。Q3、Q4、Q5為潮泵效應(yīng)輸沙項，表明輸沙量與水體和底部泥沙之間的雙向交換有一定聯(lián)系[12-15]。

2.3 懸沙通量不對稱性計算方法

懸沙發(fā)生凈輸運的條件是其周期性運動存在不對稱性，參照潮流不對稱三階原點矩偏度計算原理[16]，漲落潮懸沙通量可采用三階原點矩偏度表征其不對稱性程度，潮周期內(nèi)的懸沙通量偏度γ計算式如下

(2)

式中：Q為某一時刻懸沙通量率，Q=UCH；E(*)為期望值。偏度為正表明漲潮凈輸沙占主導(dǎo)，偏度為負則落潮凈輸沙占主導(dǎo)。

3 結(jié)果

考慮實測數(shù)據(jù)時空的限制以及外界因素如噪聲等的干擾，結(jié)果分析基于模擬值，實測值主要用于模型的驗證等。

3.1 輸沙動力

海灣凈輸沙與潮流的非線性作用產(chǎn)生的潮汐余流密切相關(guān)。圖4為采用拉格朗日方法[17]利用模型數(shù)據(jù)計算得到工程前沈家門漁港及其附近海域潮汐余流場。不同于長江口、杭州灣方向潮汐余流直接沿落潮流方向匯入東海，群島海域外部的潮汐余流形成繞流一部分經(jīng)冊子、螺頭等水道輸至崎頭洋，另一部分沿漲潮流方向經(jīng)福利門水道、佛渡水道等進入崎頭洋，崎頭洋海域潮汐余流經(jīng)海灣東側(cè)口、南側(cè)口以及長峙島和小干島之間的水道進出海灣。潮汐余流在海灣小干島段淺灘沿漲潮流、深槽沿落潮流向，且此時淺灘潮汐余流量值大于深槽，海灣魯家峙段潮汐余流均沿漲潮流向。

圖4 工程前海灣附近海域潮汐余流分布Fig.4 Layout of tidal residual current in the sea area near the bay before engineering project

3.2 懸沙通量

圖5為海灣及周邊水域單寬懸沙凈通量矢量分布。崎頭洋海域泥沙經(jīng)普沈水道沿落潮流輸移時，一部分泥沙由崎頭洋經(jīng)東灣口匯入沈家門漁港，魯家峙段整體均沿漲潮流向輸移，小干島段深槽向落潮流、淺灘向漲潮流方向輸移。南側(cè)灣口泥沙主要沿落潮流向輸移。沈家門漁港作為狹長形海灣，其泥沙輸移呈往復(fù)運動形式，與潮流一致。

圖5 工程前海灣單寬懸沙凈通量分布Fig.5 Layout of per unit width sediment net flux in the bay before engineering project

選取10個能反映進出海灣泥沙輸沙特征的斷面，日懸沙凈通量如圖6所示。各斷面凈輸沙整體沿漲潮流方向輸移，其中小干島北段中D4斷面和魯家峙段中D8斷面泥沙日凈通量大潮0.20×107kg/d和0.34×107kg/d、小潮0.10×107kg/d和0.15×107kg/d。D5、D6及D7斷面通量顯示從海灣魯家峙段向漲潮流向輸運的泥沙近一半進入海灣小干島段。

圖6 沈家門漁港斷面懸沙凈通量Fig.6 Per unit width net flux of suspended sediment of Shenjiamen Bay

海灣清淤工程后各斷面泥沙輸移方向與工程前總體一致，海灣小干島段凈輸沙量基本不變，海灣魯家峙段增加相對明顯。顯然其與清淤工程范圍有關(guān)，魯家峙段為全海灣清淤，潮動力增強，而小干島段只清淤了一半，潮動力受海灣未清淤段地形限制。

3.3 懸沙通量偏度

為便于分析海灣輸沙規(guī)律，按式(1)、式(2)計算海灣清淤前后各斷面南、北邊灘及深槽代表點單寬懸沙凈通量和懸沙通量不對稱性，并分析單寬懸沙凈通量與懸沙通量不對稱性的相關(guān)性，如圖7～圖12所示。海灣深槽單寬懸沙通量與懸沙通量偏度相關(guān)系數(shù)達0.85，而南、北邊灘分別為0.57和0.61，表現(xiàn)為深槽大于邊灘。

單寬懸沙凈通量總體上隨水深的變化而變化，說明水深對單寬懸沙凈通量強度影響比較大。海灣小干島北段深槽單寬懸沙凈通量向落潮流方向，相應(yīng)偏度為負；淺灘單寬懸沙凈通量向西漲潮流方向，相應(yīng)偏度為正，各位置懸沙通量不對稱性變化趨勢和凈輸沙強度方向總體一致。

4 分析與討論

4.1 島嶼效應(yīng)

如圖4-a所示，受島礁眾多、水下地形復(fù)雜多變、灘槽交替等的影響，潮汐余流空間復(fù)雜多變的趨勢相較無島礁或島礁較少的寬敞海域明顯不同[9]。島嶼附近，潮汐余流量值會存在驟變且方向混亂無序現(xiàn)象。

無島嶼影響的P1、P2點以及有島嶼影響的P3、P4點日潮周期流速過程如圖13所示，無島嶼及復(fù)雜地形影響下相鄰兩點的流速過程與受島嶼影響的兩點差別非常大，島外相同潮時的P1、P2點，其流速過程線幾乎一致，而受島嶼地形影響，海灣內(nèi)的P4點的流速過程要滯后于海灣外的P3點，灣內(nèi)外的流速大小也有明顯區(qū)別。

圖13 島內(nèi)、外代表點流速過程線Fig.13 Velocity process at the representative points inside and outside the island

4.2 輸沙機制探討

為分析海灣潮動力、含沙量與凈輸沙之間的關(guān)系，將不同斷面邊灘、深槽各代表點單寬懸沙凈通量按公式(2)分解出各項，如圖14～圖19所示，正值為漲潮向輸沙，負值為落潮向輸沙。Q1、Q2、Q3項所占比重最大，三項共同決定凈輸沙趨勢。海灣小干島段Q1項均為負值，沿落潮流向，魯家峙段Q1項均為正值，沿漲潮流向；整個海灣Q2均為正值，沿漲潮流方向，潮位、流速相位差均小于90°。Q3、Q4、Q5共同作用產(chǎn)生潮泵輸沙，除漲、落潮期的含沙量波動變化外，含沙量與潮流的相位差對其影響明顯。

4.2.1 平流輸沙

圖15、圖17、圖19中D1～D10各斷面輸沙對比顯示，小干島段南、北邊灘拉格朗日余流控制的平流輸沙均沿漲潮流向，深槽則相反，平流輸沙均沿落潮流向；魯家峙段，拉格朗日余流控制的平流輸沙均沿漲潮流向。沈家門漁港凈輸沙與平流輸沙規(guī)律基本一致，結(jié)合潮汐余流與單寬懸沙通量輸移趨勢，說明拉格朗日余流對海灣凈輸沙起控制作用，潮動力是凈輸沙的主要影響因素。

為了明晰海灣小干島段深槽與邊灘的潮汐余流、單寬懸沙通量方向相反的原因，觀察圖14、圖16、圖18的D3～D5代表點，邊灘水深較淺，歐拉余流小于斯托克斯余流，拉格朗日余流受斯托克斯余流主控沿漲潮流向，深槽水深較大，歐拉余流大于斯托克斯余流，拉格朗日余流受歐拉余流主控沿落潮流向，這也就導(dǎo)致了平流輸沙在淺灘和深槽區(qū)域的差異。

4.2.2 潮泵輸沙

圖15、圖17、圖19顯示，潮泵輸沙量相對平流輸沙總體要小一個量級，但當(dāng)平流輸沙量值很小時，潮泵效應(yīng)對凈輸沙的影響不容忽視，甚至決定其輸移趨勢，如D4、D5深槽點。

圖20為海灣D4、D5深槽點流速、含沙量過程曲線，潮泵輸沙項中，其值由Q3項主導(dǎo)，由平均水深及流速、含沙量波動項共同作用。D4點漲潮平均含沙量為0.447 kg/m3，落潮平均含沙量為0.472 kg/m3，落潮含沙量稍大于漲潮含沙量，含沙量平均滯后流速約2.5 h，此時Q3為-0.04 kg/(m·s)；D5點漲潮平均含沙量為0.431 kg/m3，落潮平均含沙量為0.432 kg/m3，漲、落潮含沙量區(qū)別不大，含沙量平均滯后流速約2 h，Q3為0.02 kg/(m·s)?？梢姾硟?nèi)潮泵輸沙與漲、落潮含沙量以及含沙量和流速相位差均有密切聯(lián)系。

圖20 D4、D5深槽點流速、含沙量過程線Fig.20 Velocity and sediment concentration process at the points of D4 and D5

4.3 輸沙對浚深的響應(yīng)

由圖14、圖16、圖18可知，海灣浚深是因改變了水深，導(dǎo)致歐拉余流量值變化，進而影響平流輸沙及凈輸沙。而沈家門漁港清淤工程魯家峙段全部疏浚，小干島段僅疏浚至舟漁公司，導(dǎo)致工程前后海灣魯家峙段、小干島段輸沙通量變化程度不一致，表明海灣疏浚不單改變了水深，其實也調(diào)整了海灣的動力條件及含沙量。

為進一步探究海灣疏浚引起的水深變化對海灣凈輸沙及其動力機制的影響，分別設(shè)置和工程同樣疏浚范圍海灣部分浚深4 m、6 m以及和工程不同浚深范圍海灣全段浚深4 m、6 m的工況，均為等深挖深(圖21)。

圖22為不同浚深工況下的各斷面日潮周期懸沙凈通量。部分浚深時，海灣小干島段懸沙凈通量隨浚深增加稍有增幅，魯家峙段凈輸沙隨浚深增加增幅明顯，其懸沙輸移對地形變化的響應(yīng)大于海灣小干島側(cè)。全部浚深6 m時，小干島段斷面凈輸沙由原來的漲潮流向變?yōu)槁涑绷飨?，可見改變海灣小干島段整體凈輸沙方向的臨界浚深深度約為6 m。

對海灣小干島段部分浚深6 m和全部浚深6 m的兩種工況邊灘、深槽進行懸沙通量機制分解及偏度相關(guān)性計算，如圖23～圖28所示，與工程前比較，部分浚深6 m時，海灣小干島段未浚深區(qū)域，地形限制使得歐拉余流數(shù)值基本不變，海灣魯家峙段隨浚深增加，歐拉余流也相應(yīng)增加。全部浚深時，小干島段歐拉余流均明顯增加，邊灘凈輸沙由漲潮流向變?yōu)槁涑绷飨?，魯家峙段邊灘歐拉余流相較部分浚深6 m均有所減小，深槽歐拉余流均由漲潮流向變?yōu)槁涑绷飨?，凈輸沙趨勢整體仍沿漲潮流向，但量值相對部分浚深均明顯減小。

圖29～圖32潮周期單寬懸沙凈通量分布場顯示，部分浚深調(diào)整為全段浚深后，小干島段明顯由漲潮單寬泥沙通量占主導(dǎo)變?yōu)槁涑眴螌捘嗌惩空贾鲗?dǎo)，而魯家峙段漲潮主導(dǎo)單寬泥沙通量量值明顯減小。綜合可知，水深變化主要通過改變歐拉余流的量值影響平流輸沙，進而影響凈輸沙。

比較浚深前后邊灘、深槽潮周期單寬懸沙凈通量及懸沙通量偏度相關(guān)性，浚深6 m后，南、北邊灘相關(guān)性由工程前的0.57、0.61增至0.85、0.80，深槽基本不變，說明懸沙凈通量與懸沙通量偏度相關(guān)性受水深影響大，深水區(qū)域，相關(guān)性相對強，淺水區(qū)域，相關(guān)性相對弱。

為從機制上探究深槽、淺灘相關(guān)性區(qū)別較大的原因，分別計算邊灘、深槽歐拉余流、斯托克斯余流輸沙量值與懸沙通量偏度的相關(guān)性(表1)，工程前，邊灘歐拉余流輸沙項和懸沙通量偏度相關(guān)系數(shù)與斯托克斯余流輸沙項和懸沙通量偏度相關(guān)系數(shù)相差不大，深槽則相差較大，當(dāng)海灣整體浚深6 m時，邊灘、深槽歐拉余流輸沙項與懸沙通量偏度相關(guān)性明顯增大，斯托克斯余流輸沙項與其相關(guān)性小，由此可知單寬懸沙凈通量與懸沙通量偏度相關(guān)性強弱取決于歐拉余流在輸沙趨勢中所占比重，深槽歐拉余流強于斯托克斯余流、歐拉余流主導(dǎo)平流輸沙，決定輸沙趨勢，而懸沙通量偏度可反映凈輸沙趨勢，此時，歐拉余流與懸沙通量偏度相關(guān)性相對強；而在淺灘區(qū)，歐拉余流、斯托克斯余流共同決定凈輸沙趨勢，削弱了歐拉余流輸沙在平流輸沙中所占比重，由二者主導(dǎo)的凈輸沙與懸沙通量偏度也呈現(xiàn)弱相關(guān)性。

表1 不同工況下歐拉余流輸沙項Q1、斯托克斯余流輸沙項Q2項與懸沙通量偏度相關(guān)系數(shù)Tab.1 Correlation coefficient between Q1 and Q2 with skewness of suspended sediment flux under different conditions

5 結(jié)論

(1)受群島遮蔽及地形制約，沈家門漁港及其附近海域泥沙輸移主要受潮流影響，輸沙動力及輸沙規(guī)律相對寬敞海域表現(xiàn)出極強的復(fù)雜性。

(2)海灣凈輸沙由平流輸沙主導(dǎo)，方向與拉格朗日余流一致，歐拉余流和斯托克斯余流對海灣平流輸沙的主控作用與水深密切相關(guān)。

(3)疏浚工程引起的水深增大增強了歐拉余流輸沙量值，但潮動力受地形制約，浚深范圍不同，歐拉余流量值變化程度也不同。工況分析可知改變海灣小干島段整體凈輸沙方向的臨界疏浚條件為全范圍浚深6 m。

(4)水深影響歐拉余流輸沙量值在平流輸沙中所占比重，進而影響潮周期內(nèi)單寬懸沙凈通量與懸沙通量偏度相關(guān)性，深水區(qū)域歐拉余流在平流輸沙中占主導(dǎo)，單寬懸沙凈通量與懸沙通量偏度相關(guān)性強，淺水區(qū)域歐拉余流主導(dǎo)作用變?nèi)?，相關(guān)性降低。