寧波光明碼頭水動力及泥沙環(huán)境研究

韓 路，鄔秀清

(1.寧波舟山港股份有限公司，寧波 315040；2.寧波光明LNG碼頭項目籌建處，寧波 315813)

LNG 作為三大基礎(chǔ)能源中唯一的清潔能源，近年來其國內(nèi)需求量大增，我國進口LNG絕大部分依靠海上運輸，LNG船舶進出港航行時，具有高危性、排他性的特點。LNG船舶相較于油船、散貨船等貨運船舶，同樣船型尺度下船舶總重較輕，更易受風、浪、流影響，LNG 碼頭工程作為運輸鏈中的重要一環(huán)，相較于普通貨運碼頭工程，對工程海域水動力及泥沙環(huán)境有著更嚴格的安全要求。因此，一些學者圍繞我國不同LNG碼頭工程開展了相關(guān)研究工作，張焯等[1]采用數(shù)值模擬方法研究了龍口南山LNG 碼頭工程潮流運動規(guī)律及泥沙沖淤變化；劉濤等[2]研究了青島董家口港區(qū)LNG 碼頭改善口門流態(tài)的相關(guān)工程措施；姚姍姍等[3]分析了舟山LNG碼頭取排水工程對周邊保護區(qū)的影響；劉臣等[4]分析了龍口港屺坶島LNG 碼頭港址通航水流條件；龐啟秀等[5]針對我國首個浮式LNG 項目——天津浮式LNG 接收終端項目，研究了該工程潮流、泥沙、波浪等涉海關(guān)鍵問題。LNG碼頭對水動力泥沙環(huán)境要求較高，但相較于其他工程，其研究成果卻甚少，因此，本文以光明LNG碼頭改造工程為研究背景，廣泛收集了工程海區(qū)實測水文氣象及地形資料，分析了工程海域潮汐、潮流、波浪和泥沙等水文泥沙特性，為LNG碼頭改造工程提供科學參考依據(jù)。

光明碼頭位于浙江省寧波市穿山半島東北側(cè)、螺頭水道南部，北隔螺頭水道與舟山本島相望，東、西兩側(cè)經(jīng)螺頭水道與峙頭洋、金塘水道、冊子水道相接，工程地理位置見圖1。光明碼頭主要以經(jīng)營煤炭等大宗散貨為主，環(huán)境污染較為嚴重，附加值較低，因此擬將現(xiàn)有煤炭產(chǎn)業(yè)改造成更有發(fā)展?jié)摿?、附加值更高的LNG清潔能源產(chǎn)業(yè)，同時將現(xiàn)有已建光明碼頭改造為26.6萬m3的LNG卸船泊位，能夠較快、較好地彌補寧波港域LNG接卸能力的不足，保障浙江省天然氣消費需求。根據(jù)2021年最新版的《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》中對設(shè)計環(huán)境條件要求如下：8萬m3以上的LNG船舶靠泊作業(yè)階段風速應在15 m/s以下，橫浪H4%不大于1.2 m，順浪H4%不大于1.5 m，波周期不大于7 s，橫流流速小于0.5 m/s，順流流速小于1.0 m/s。由于光明碼頭所在工程區(qū)島群林立、潮流動力強勁，含沙量較高，且受眾多島礁影響，水流泥沙條件較復雜，因此全面掌握該海區(qū)水沙環(huán)境特征是十分必要的。

圖1 工程海域示意圖Fig.1 Sketch of the project sea area

1 地貌形勢

光明碼頭位于浙江省寧波市穿山半島東北側(cè)。穿山半島地處浙江省東部，在大地構(gòu)造上處于東南沿海巨型隆起帶和浙閩粵沿海燕山期火山活動帶的北段，溫州—鎮(zhèn)海SSW—NNE向斷裂帶、昌化—定海東西向斷裂帶分別從本區(qū)西部、北側(cè)通過。這些斷裂的形成和發(fā)育對島嶼形態(tài)、火山和巖漿活動、沉積作用及地形地貌的變遷具有一定的控制作用。中更新統(tǒng)以前海島與陸地相連，地層構(gòu)造屬于華夏古陸的一部分，地層與浙東陸地相同，大多由中生代火山巖構(gòu)成，還有片麻巖、大理巖等古老的變質(zhì)巖和新生代的玄武巖。第四紀以來，伴隨著海平面的多次升降，又沉積了海相砂礫層和淤泥灘堆積。

工程海域總體上處于一個由舟山、冊子、金塘、大貓等島嶼和穿山半島環(huán)抱的半封閉水域內(nèi)，海岸類型大致分為兩種：即海積岸和海蝕岸。其中，海積岸是由淤積質(zhì)土或砂堆積的海灘以及砂礫石堤組成的堆積海岸地貌；海蝕岸系指海岸遭受沖刷的地段，常見有海蝕崖、海蝕穴、海蝕臺地、海蝕柱等海蝕地貌形態(tài)。多以平頂巖礁出現(xiàn)，為高潮所淹沒，低潮時露出海面，臺地寬一般在數(shù)米至十幾米；二級發(fā)育在楊公山等地，高出高潮位3～5 m，臺地寬50 m以上，臺面平整。

工程海域附近島嶼羅列、島間潮流峽道交錯縱橫，水下地形自西北向東南傾斜，除南匯邊灘水域?qū)匍L江口水下三角洲的一部分外，總體上表現(xiàn)為水下岸坡或水下平原和潮流沖刷槽交錯分布的水下地貌特征。在強勁潮流作用下，島間潮流沖刷槽的走向與漲落潮流的主流向基本一致，呈WNW—ESE走向。工程區(qū)所在的螺頭水道基本為東西走向，至大榭島東側(cè)轉(zhuǎn)為西北—東南走向，水深較大，100 m等深線幾乎貫穿整個水道，工程區(qū)附近水下地形、地貌以侵蝕的潮流沖刷槽為主、輔以淤積為主的淤泥質(zhì)水道邊灘。

根據(jù)2019年11—12月最新地形測圖，工程海域水深較深，20 m等深線直逼光明碼頭前沿，按照26.6萬m3LNG卸船泊位及回旋水域設(shè)計水深-16.5 m的要求，泊位區(qū)及回旋水域基本不需要浚深即可滿足設(shè)計水深需求。

2 水動力條件

2.1 風與波浪

根據(jù)岱山和普陀氣象站的統(tǒng)計資料，全年的常風向和強風向為偏N風(NW、NNW)，次常、強風向為偏SE風(SSE)。多年平均風速為5.8 m/s左右，多年最大風速為37.0 m/s(N，岱山)、33.0 m/s(ENE，普陀)。多年平均大于6級風的天數(shù)為45.2 d，大于7級風的天數(shù)為7.3 d，大于8級風的天數(shù)為0.7 d，大于9級風的天數(shù)為0.3 d。8、9級大風主要出現(xiàn)在臺風活動頻繁期。

根據(jù)中宅站和竹灣站波浪觀測資料統(tǒng)計(結(jié)果分別見表1和表2)，本海域的常浪向以偏N向為主，NW—NE向間波浪出現(xiàn)頻率為84.7%。常浪向為NW向，出現(xiàn)頻率占28.32%，其余各向波浪出現(xiàn)頻率分布在10%～20%，出現(xiàn)頻率分布比較均勻。

表1 竹灣站各向H4%波高特征統(tǒng)計表Tab.1 Statistics of H4% wave height characteristics in all directions of Zhuwan station

表2 竹灣站各向平均波周期統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of average wave period of each direction at Zhuwan station

從竹灣站平均及最大H4%波高來看，實測最大H4%波高為1.90 m，出現(xiàn)在W向，次之為1.8 m和1.7 m，分別出現(xiàn)在NW向和WNW向。中宅碼頭前沿短期資料情況與此類似，實測最大波高1.7 m，出現(xiàn)在W向，次之為1.4 m，分別出現(xiàn)在NW向和N向。

工程海域H4%波高較小，從竹灣站H4%波高分級頻率統(tǒng)計來看，以0.6 m以下波高出現(xiàn)頻率最高，為81.35%，1.5 m以上波高出現(xiàn)頻率為0.31%，未出現(xiàn)2.0 m以上的波浪。從大波高的出現(xiàn)時間及歷時來看，1.2 m以上H4%出現(xiàn)頻率總計為13 d，其中NW向最多為9 d，而且歷時較長為24 h。其余各向僅有少量出現(xiàn)，且歷時極短，多在1 h左右。

工程水域平均波周期亦較小，實測最大平均周期僅為4.4 s，從分級頻率統(tǒng)計來看，絕大部分平均周期分布在3～5 s，出現(xiàn)頻率為96.05%。

表3 竹灣潮位站潮位特征值Tab.3 Tidal level characteristic values of Zhuwan tidal level station

2.2 潮汐

工程海域潮汐主要受東海前進潮波控制，潮汐以半日潮為主。根據(jù)實測潮汐資料調(diào)和分析可知：工程海區(qū)的(HK1+HO1)/HM2為0.52，本海區(qū)的潮汐屬不正規(guī)半日潮。另外，中宅水域淺水效應較顯著，HM4/HM2為0.06，具體表現(xiàn)為明顯高、低潮不等且漲、落潮歷時不等，因此本工程海域的潮汐性質(zhì)屬于不正規(guī)半日淺海潮類型。

根據(jù)竹灣潮位站1 a資料統(tǒng)計，工程海域潮位特征值如表3所示。工程海區(qū)平均潮差約2.06 m，最大潮差約4.19 m。

2.3 潮流

根據(jù)2020年3月期間測流資料統(tǒng)計分析，該海域潮流具有以下基本特征：

工程水域潮流性質(zhì)屬于正規(guī)半日淺海潮流，且淺水效應非常顯著[1-2]。由實測統(tǒng)計資料可以明顯看出，工程前沿及外圍水域各測站往復流特征明顯。在碼頭前沿2#和3#測站(測站位置見圖2)，潮流基本沿著碼頭走向，漲潮流為偏西南向，落潮流為偏東北向；在碼頭西側(cè)前沿1#測站和回旋水域4#測站，漲潮流為偏西北向，落潮流為偏東南向；在回旋水域5#測站，漲潮流為偏西向，落潮流為偏東向。在外圍螺頭水道，各測站潮流基本沿著與等深線平行的走向。在碼頭前沿和回旋水域，5#測站流速最大，其次為4#測站，碼頭西側(cè)前沿水域1#測站流速最小，1#～5#測站平均流速在0.22～0.40 m/s。1#～5#測站垂向平均最大漲、落潮流速分別介于0.75～1.37 m/s和0.30～2.52 m/s。除5#測站外，其余4個測站漲潮流均強于落潮流。

2020年3月大、小潮水文觀測期間，在工程碼頭前沿進行了4條斷面的ADCP走航測量，如圖2所示。圖3繪制了大潮各采樣點垂向平均流速矢量圖，從分析結(jié)果來看：離岸采樣點及碼頭以東近岸水域落潮流強于漲潮流，在碼頭前沿及H1、H2斷面近岸水域漲潮流強于落潮流。H3斷面離岸水域落潮流流速最大，H3-6～H3-13采樣點落潮流最大流速均超過2.0 m/s；大碼頭前沿落潮流流速相對最弱，H1斷面H1-1～H1-7采樣點、H2斷面H2-1～H2-5采樣點、Z1斷面Z1-1～Z1-7采樣點落潮流最大流速均小于1.0 m/s。H1、H2、H3斷面離岸水域漲潮流流速較大，H1、H3斷面近岸水域漲潮流流速相對較弱。從圖3可以看出，落潮期間和漲潮期間均有回流現(xiàn)象。落潮期間，受到西邊岬角地形的影響，H1、H2斷面近岸水域和碼頭前沿水域出現(xiàn)明顯的回流現(xiàn)象，即在一個潮周期內(nèi)，潮流方向大多為偏西向；漲潮期間，H1～H3斷面離岸水域和碼頭附近出現(xiàn)回流現(xiàn)象，其中離岸水域多為逆時針回流，碼頭附近的回流隨漲潮過程，會出現(xiàn)順時針和逆時針兩種回流情況。

圖2 大潮期間垂線平均流速矢量分布圖Fig.2 Vector diagram of vertical average velocity during spring tide圖3 各走航斷面大潮測驗期間垂線平均流速矢量圖Fig.3 Vector diagram of vertical average velocity during spring tide test of each navigation section

表4 工程海域垂線平均流速特征值統(tǒng)計表Tab.4 Statistics of characteristic values of vertical average velocity in the project sea area

從現(xiàn)場實測水文資料來看，光明碼頭回旋水域有回流現(xiàn)象發(fā)生，碼頭泊位區(qū)域少部分時段水流夾角超過30°，最大橫流流速介于0.3～0.5 m/s。這是由于光明碼頭位于穿山半島岸界“凹”處，潮流在此岸界走向作用下易產(chǎn)生回流區(qū)。

從流速的垂線分布來看，各測點中上層流速大于底層流速。在碼頭前沿及回旋水域，表、中、底層平均流速比約為1.24∶1.22∶1，其中1#～5#測站(測站位置見圖2)表、中、底層最大流速分別介于1.01～2.41 m/s、1.08～2.63 m/s和0.89～1.83 m/s；在外圍螺頭水道，表、中、底層平均流速比約為1.30∶1.39∶1。

2.4 余流

實測的水流包括周期性潮流和余流兩部分，其流速矢端的跡線較單純的周期性旋轉(zhuǎn)潮流和往復潮流更復雜。通過對流進行調(diào)和分析，可將周期性的全日周潮流、半日周潮流，從海流總矢量中分離出來，余下的部分即為余流。全日周潮流和半日周潮流的矢端跡線為橢圓形狀，余流則指向一定的方向。它一般包括漂流(風海流)、密度流、徑流等，余流的流向常是泥沙運動和污染物質(zhì)擴散運移的方向。

圖4給出了各潮流測站觀測期間的余流矢量圖。1#～5#測站垂向平均余流分別為0.24 m/s、0.28 m/s、0.19 m/s、0.28 m/s、0.39 m/s。由于回流的影響，1#～4#測站余流為漲潮流向，5#測站余流為落潮流向。

圖4 水文測驗期間各點垂向平均余流流矢圖Fig.4 Vertical average residual current vector of each point during hydrological test

3 泥沙環(huán)境

3.1 水體含沙量

根據(jù)2020年3月開展的水文測驗實測含沙量資料分析[6]，實測含沙量特征如下：

工程海域含沙量較高，實測最大含沙量1.134 kg/m3，平均含沙量為0.678 kg/m3。含沙量半月周期變化受潮流強弱影響，大潮期間含沙量高于小潮期間，大、小潮期間平均含沙量分別為0.754 kg/m3、0.602 kg/m3，其中，大潮期間，各測站的平均含沙量介于0.663～0.857 kg/m3；小潮期間，各測站的平均含沙量介于0.533～0.687 kg/m3。從含沙量垂向分布來看，其分布自上而下呈增大趨勢，其中大潮期間各測點的表層、0.6H層、底層平均含沙量分別為0.679 kg/m3、0.766 kg/m3、0.836 kg/m3，小潮期間各測點的表層、0.6H層、底層平均含沙量分別為0.402 kg/m3、0.656 kg/m3、0.768 kg/m3。全水域表層、0.6H層、底層平均含沙量之比約為1.00∶1.32∶1.48。

3.2 懸沙粒徑

根據(jù)2020年3月懸沙采樣統(tǒng)計，懸沙類型主要為粘土質(zhì)粉砂，平均粘土含量約為34.28%。工程水域各測站懸沙中值粒徑差別不大，不同潮型下懸沙粒徑的變化不顯著，大潮略大于小潮。大潮期間，懸沙中值粒徑在0.006 07～0.007 73 mm，平均值為0.006 67 mm；小潮期間，懸沙中值粒徑在0.005 94～0.007 21 mm，平均值為0.006 51 mm；總體來說，工程海域懸沙較細，懸沙中值粒徑在0.005 94～0.007 73 mm，平均值為0.006 59 mm。

3.3 底質(zhì)分布

2020年3月水文測驗期間，在工程水域利用蚌式采泥器對底質(zhì)(表層沉積物)進行取樣工作，獲取了10個測站的底質(zhì)樣品，根據(jù)粒度分析結(jié)果：工程水域底質(zhì)樣品呈灰黃色，半流動狀，底質(zhì)類型均為粘土質(zhì)粉砂，底質(zhì)中粉砂、粘土含量較高[7]，砂含量很少，砂含量在3.21%～12.44%，平均值為7.73%；粉砂含量在63.23%～69.98%，平均值為66.50%；粘土含量在20.94%～30.87%，平均值為25.77%。碼頭附近底質(zhì)中值粒徑變化范圍為0.008 38～0.016 12 mm，平均為0.012 06 mm，測區(qū)的底質(zhì)均較細，各站底質(zhì)粒度差別不大。碼頭前沿底質(zhì)最細，海灣東側(cè)岬角附近底質(zhì)最粗。

3.4 泥沙來源

從現(xiàn)場勘查結(jié)果來看，沒有直接注入本區(qū)的河流泥沙，周圍島嶼能帶來的直接入海的陸源物質(zhì)極其有限[8-9]。

工程水域的泥沙主要來自外界泥沙，即杭州灣和東海淺海陸架在漲落潮流下的泥沙輸運。該海域由多條水道與杭州灣和東海陸架淺海相通，在落潮時，由金塘水道、冊子水道經(jīng)螺頭水道將杭州灣水域的泥沙帶入該海域，杭州灣泥沙輸移特點是北進南出(即杭州灣北岸進沙，南岸出沙)，杭州灣南岸的庵東淺灘，其實測平均含沙量在3.0 kg/m3左右，南岸泥沙則沿庵東淺灘順著沿岸在落潮流作用下通過金塘水道向外輸移，有部分泥沙在輸運過程中沉積下來；在漲潮時，東海陸架淺海泥沙或沉積物通過螺頭水道帶入該海域，部分泥沙沉積下來。

此外，在衛(wèi)星遙感圖像上可以看出，在相當多的情況下，工程海域及周圍海域都顯示局部高含沙現(xiàn)象，而且高含沙區(qū)往往分別沿島嶼鏈方向。這種高含沙現(xiàn)象主要與島嶼效應有關(guān)，其形成原因可能主要有以下兩種：(1)潮流經(jīng)過島嶼時掀起島嶼當?shù)刂車鷾\灘泥沙；(2)杭州灣漲落潮水流攜帶高濃度泥沙經(jīng)過舟山群島時，水流圍繞島嶼形成復雜回流區(qū)造成局部高含沙[10-12]。

3.5 泥沙淤積

本工程碼頭前沿水深條件較好，3#碼頭(1#～3#泊位位置見圖2)前沿自然水深滿足設(shè)計要求，無需浚深；1#～2#碼頭前沿部分水域自然水深不滿足設(shè)計要求，需進行浚深，浚深位置主要集中在碼頭西側(cè)，平均挖深2.9 m；回旋水域內(nèi)絕大部分水域的自然水深均可滿足設(shè)計要求。總開挖面積約占港池總面積的2%。目前光明碼頭在運營期間3#泊位基本不需要維護疏浚，1#、2#泊位碼頭前沿開挖區(qū)域每個季度疏浚方量在0.5～1萬m3，泥沙回淤較少。

4 結(jié)語

本文采用大量現(xiàn)場實測資料對光明碼頭所在的工程海區(qū)水動力泥沙特性[8]開展研究分析，從風、浪、流、泥沙角度分析了現(xiàn)有碼頭改造成LNG碼頭的可行性，得出主要結(jié)論如下：

(1)光明碼頭位于浙江省寧波市穿山半島東北側(cè)、螺頭水道南部海域，自然水深條件較好，20 m等深線直逼碼頭前沿，泊位區(qū)和回旋水域基本不用浚深即可滿足設(shè)計水深需求。

(2)工程海域位于杭州灣灣口東側(cè)，受杭州灣來沙以及灣口的島嶼群影響，含沙量相對較高，垂線平均含沙量為0.3～0.5 kg/m3，冬季可達0.7 kg/m3以上，但由于泊位及回旋水域自然水深較深，基本無需疏浚，改造后水動力依然強勁，挾沙能力強，泥沙落淤率小，回淤量也較少。

(3)受穿山半島海區(qū)群島掩護，光明碼頭所在位置波高較小，波況較好，0.6 m以下波高出現(xiàn)頻率達81.35%，未出現(xiàn)2.0 m以上的波浪。

(4)工程海區(qū)潮汐為非正規(guī)半日淺海潮類型，平均潮差約2.06 m，最大潮差約4.19 m。大范圍潮流在岸邊界的約束下基本呈往復流運動，漲潮近似偏西南向，落潮偏東北向，水流流速較大，動力較強，最大流速可達2 m/s以上。光明碼頭位于穿山半島岸界“凹”處，易產(chǎn)生回流區(qū)，從現(xiàn)場最新實測水文資料來看，回旋水域有回流現(xiàn)象發(fā)生，碼頭泊位區(qū)域少部分時段水流夾角超過30°，最大橫流流速介于0.3～0.5 m/s，橫流流速較大，所以光明LNG碼頭改造工程應重點關(guān)注“橫流”問題，可以考慮在碼頭后方設(shè)置密排樁或?qū)Я鳂兜裙こ檀胧┮詼p小碼頭前沿橫流流速。