煙臺(tái)套子灣人工島工程水沙環(huán)境影響研究

李文丹,李孟國(guó),許 婷,閆 勇,左書華,麥 苗

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程研究中心，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300456)

引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，沿海發(fā)達(dá)地區(qū)的土地、岸線資源日趨緊張，旅游業(yè)資源有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。在海上圍海造陸建設(shè)人工島既可以增加土地、岸線資源，又可以大力促進(jìn)旅游開(kāi)發(fā)。海上人工島建設(shè)會(huì)導(dǎo)致周邊海區(qū)的水動(dòng)力泥沙環(huán)境和海床沖淤發(fā)生變化，必須研究論證人工島方案對(duì)水沙環(huán)境和海床穩(wěn)定的影響[1-10]，對(duì)于大型人工島還要論證島內(nèi)的水體交換能力[11]。目前的研究手段多以數(shù)學(xué)模型研究為主[1-11]，鮮見(jiàn)物理模型研究。

煙臺(tái)是我國(guó)著名的濱海旅游城市，套子灣位于山東半島北部，面向渤海海峽。海灣呈“凹”弧形向NNE方向開(kāi)敞(圖1)，是典型的弧形海岸，西起顧家圍子山龍門眼，東至芝罘島西北角，口門寬約19 km，面積約184 km2[12]。整個(gè)海灣從灣頂向海呈緩慢傾斜，海底平坦，平均坡度在5‰～8‰[13]，只在兩端岬角及八角處海底起伏較大，水深較大，全灣平均水深12 m，最大水深20 m。套子灣海灣岸濱為金沙灘，金沙灘西至黃金河口，東至夾河口，西側(cè)區(qū)域略窄，寬度約50～60 m，東側(cè)區(qū)域略寬，寬度約100～150 m[13]，總面積為23.5 km2，這里灘長(zhǎng)、坡緩、沙細(xì)，是良好的海水浴場(chǎng)，是國(guó)內(nèi)外著名的旅游度假圣地。為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在套子灣內(nèi)建設(shè)人工島以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)旅游度假資源的設(shè)想被提到議事日程上來(lái)，提出了建設(shè)菩葉島人工島工程方案(圖1)。菩葉島方案總面積約6 km2，離岸最近距離為2.5 km，理論水深約12 m。菩葉島形式為一心六島，一心即位于規(guī)劃方案中心的圓形島嶼，圓島直徑約1.23 km，六島即中心圓島周圍環(huán)繞著的6個(gè)菩葉形島嶼，圓島與六島間留出寬約75 m的圓形水道，六島兩兩之間皆有水道通向外海，水道最小寬度在70 m左右。

在套子灣內(nèi)建設(shè)人工島，將會(huì)對(duì)灣內(nèi)原有的水動(dòng)力條件，泥沙環(huán)境，以及自身的水體交換能力產(chǎn)生較大影響。本文首先根據(jù)套子灣的自然條件對(duì)套子灣人工島建設(shè)的可行性進(jìn)行初步分析，然后建立波浪潮流泥沙物理模型，對(duì)菩葉島方案實(shí)施后對(duì)水沙環(huán)境影響進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析，詳細(xì)論證其對(duì)套子灣水動(dòng)力、岸灘穩(wěn)定性和金沙灘的影響，判斷菩葉島建設(shè)的可行性。

1 套子灣水動(dòng)力泥沙條件

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料的分析，套子灣的水動(dòng)力泥沙特征如下[13]：

(1)套子灣海域的潮汐屬于正規(guī)半日潮汐性質(zhì)，多年平均潮差1.49 m。潮流性質(zhì)屬于不規(guī)則的半日潮流(大潮)和不規(guī)則的全日潮流(小潮)；潮流運(yùn)動(dòng)以往復(fù)流為主，漲落潮流總體上順著灣形流動(dòng)，漲潮主流向偏SE向，落潮主流向偏NW向；潮流動(dòng)力較弱，實(shí)測(cè)大潮漲潮平均流速0.06～0.14 m/s，漲潮最大流速0.11～0.29 m/s，落潮平均流速0.06～0.15 m/s，落潮最大流速0.10～0.28 m/s。套子灣海域波浪動(dòng)力較強(qiáng)，芝罘島海洋站(圖1)出現(xiàn)頻率較高的浪向?yàn)镹W、N、NNW和NNE，其頻率5.1～7.6%，平均波高1.1～1.5 m，最大波高出現(xiàn)在N向和NW向，分別為7.0 m和6.9 m。

圖1 套子灣示意圖

(2)套子灣海域床面沉積物以粉砂質(zhì)砂分布為主，其次是極細(xì)砂和砂質(zhì)粉砂，沉積物總體呈條帶狀分布向外逐漸變細(xì)，與等深線分布趨勢(shì)基本一致；大部分區(qū)域的表層沉積物分選性都很好，沉積物內(nèi)細(xì)顆粒泥沙含量很少，小于0.004 mm的細(xì)顆粒泥沙平均含量?jī)H為3.49%。

(3)套子灣海域外來(lái)泥沙很少，正常天氣下含沙量很低(平均含沙量小于0.01 kg/m3)，泥沙運(yùn)動(dòng)總體較弱。由于流弱沙粗，套子灣床面泥沙單獨(dú)潮流作用下不能起動(dòng)，因此，潮流動(dòng)力和懸沙對(duì)套子灣的造床貢獻(xiàn)很小。波浪是套子灣泥沙運(yùn)動(dòng)和造床的主要?jiǎng)恿?，在套子灣運(yùn)動(dòng)的泥沙主要是床面泥沙在波浪作用下的再搬運(yùn)、再懸浮和再沉降。波浪作用下套子灣床面泥沙運(yùn)動(dòng)區(qū)域主要分布在10 m等深線以淺水域，泥沙以橫向輸運(yùn)為主[14]，縱向輸沙率很小。

(4)套子灣是典型的弧形海岸。套子灣岸線在自然狀態(tài)下處于微侵蝕狀態(tài)，由于近些年來(lái)在人為干預(yù)下大部分岸線已成為人工岸線。通過(guò)對(duì)不同時(shí)期海域等深線對(duì)比分析，套子灣岸灘和海域的水下地形變化總體上處于微沖刷穩(wěn)定狀態(tài)，表明套子灣基本上不存在大量泥沙遷移運(yùn)動(dòng)和岸線侵蝕或堆積作用。

根據(jù)套子灣的水動(dòng)力泥沙條件進(jìn)行初步分析判斷，套子灣內(nèi)具有建設(shè)人工島的可能性。首先，套子灣弧形海岸岸線和岸灘床面穩(wěn)定，基本上不存在大量泥沙遷移運(yùn)動(dòng)和岸線侵蝕或堆積作用，為人工島建設(shè)提供了基本條件；其次，套子灣潮流動(dòng)力弱，不是造床動(dòng)力因素，泥沙來(lái)源少，含沙量低，人工島的建設(shè)對(duì)潮動(dòng)力影響小，不可能造成岸灘大沖大淤，也不可能使金沙灘泥化；另外，由于泥沙運(yùn)動(dòng)以波浪作用下橫向輸運(yùn)為主，且岸灘海床處于微沖狀態(tài)，所以人工島具有減弱波浪輸沙的護(hù)灘作用，金沙灘不會(huì)被淘刷，岸灘侵蝕作用減弱。

2 波浪潮流泥沙物理模型設(shè)計(jì)

根據(jù)套子灣的水動(dòng)力泥沙條件，本海區(qū)潮流動(dòng)力較弱，近岸泥沙粒徑相對(duì)較大，潮流對(duì)泥沙的運(yùn)動(dòng)作用很小，主要是波浪作用下的底沙輸移，因此本模型主要考慮波浪作用下的地形變化，不考慮懸沙對(duì)造床影響。因此，本模型應(yīng)在滿足潮流運(yùn)動(dòng)相似的基礎(chǔ)上，按照波浪作用下的底沙輸移來(lái)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)[15]。

2.1 相似準(zhǔn)則

潮流和波浪底沙物理模型的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足幾何相似、水流運(yùn)動(dòng)相似、波浪運(yùn)動(dòng)相似和泥沙運(yùn)動(dòng)相似。水流運(yùn)動(dòng)相似包括重力相似、阻力相似及垂直比尺限制條件。波浪運(yùn)動(dòng)相似包括波浪折射、波浪繞射、波浪反射、波浪陡度、波浪傳播速度相似、破碎水深和破碎波高相似、破波類型相似和沿岸流相似。泥沙運(yùn)動(dòng)相似包括泥沙起動(dòng)相似、泥沙沉降相似、破波區(qū)岸灘剖面相似、沿岸輸沙量相似和泥沙床面變形相似。各相應(yīng)比尺之間的關(guān)系式參見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。

2.2 模型范圍與比尺

為了保證灣內(nèi)水流的分布，模型范圍東西向需涵蓋東島咀～芝罘島套子灣全部，北側(cè)至套子灣北側(cè)外沿線，即模型東西向長(zhǎng)約18 km，南北向?qū)捈s12 km。模型試驗(yàn)廳試驗(yàn)段范圍為61 m×40 m，因此，確定模型平面比尺為1∶300。模型布置如圖2所示。在潮流模型中，在滿足重力、阻力相似要求的同時(shí)，對(duì)模型的垂直比尺也有所限制，模型中水流應(yīng)處于阻力平方區(qū)內(nèi)，模型水流雷諾數(shù)應(yīng)大于1 000。本模型為波浪作用下的底沙輸移模型，因此模型設(shè)計(jì)必須滿足潮流相似條件和波浪相似限制條件外，模型設(shè)計(jì)還要兼顧：(1)試驗(yàn)區(qū)域范圍及試驗(yàn)場(chǎng)地的大小、試驗(yàn)設(shè)備供給能力及測(cè)量精度；(2)模型水流應(yīng)滿足流態(tài)相似，研究區(qū)域內(nèi)的水深不宜小于3 cm；(3)模型應(yīng)滿足阻力相似，并同時(shí)考慮摩阻損失不能太大；(4)有能滿足泥沙起動(dòng)相似要求的模型沙。經(jīng)多因素的對(duì)比分析，確定本模型垂直比尺為1∶100。其它各項(xiàng)模型比尺見(jiàn)表1。

圖2 物理模型平面布置

表1 模型比尺匯總

2.3 波浪邊界

研究表明[13]，一般天氣情況下，波浪作用下5 m以淺水域的床面泥沙能發(fā)生運(yùn)動(dòng)，大浪情況下10 m以淺水域泥沙能發(fā)生運(yùn)動(dòng)。因此，波浪作用下套子灣床面泥沙運(yùn)動(dòng)區(qū)域主要分布在10 m等深線以淺水域。物理模型試驗(yàn)主要研究波浪作用下套子灣10 m等深線以里的海床泥沙沖淤變化情況，物理模型中的浪向選擇原則是對(duì)岸灘泥沙起動(dòng)能起到較大作用的波向，根據(jù)套子灣的朝向，對(duì)工程區(qū)影響較大的波向?yàn)槠玁向浪～偏NE向浪，通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，偏N向代表波向?yàn)?.3°，偏NE向代表波向44.2°，因此模型選取N和NE為模型代表波向。模型的波浪邊界采用規(guī)則波造波機(jī)生波，造波機(jī)布置在深水區(qū)(圖2)。

根據(jù)分析，本海域5 m水深處滿足泥沙起動(dòng)的波高約為0.7 m。因此，僅按照波高大于等于0.7 m的波浪進(jìn)行頻率加權(quán)統(tǒng)計(jì)。在水深5 m處，N向特征(控制)波高約為1.59 m，周期5 s，年發(fā)生頻率17%，NE向特征(控制)波高約為1.57 m，周期5 s，年發(fā)生頻率6%。

2.4 動(dòng)床范圍及模型沙選擇

2.4.1 動(dòng)床范圍

物理模型試驗(yàn)主要研究波浪作用下套子灣10 m等深線以里的海床泥沙沖淤變化情況，因此模型局部動(dòng)床范圍由岸線向北至10 m等深線，東西向以擬建菩葉島為中，兩側(cè)各5 km，共約10 km的范圍(圖2)。動(dòng)床區(qū)模型沙厚度約10 cm，相當(dāng)于原型10 m。

2.4.2 模型沙選擇

套子灣海域床面沉積物以粉砂質(zhì)砂分布為主，動(dòng)床范圍內(nèi)的近岸水域床面平均中值粒徑約為0.09 mm，通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)，靜水沉速約為0.5 cm/s，平均水深在5 m左右的泥沙起動(dòng)流速約為0.56 m/s，起動(dòng)波高約為0.7 m。

模型計(jì)算泥沙沉降比尺為3.33，起動(dòng)比尺為10，滿足水流沉降和起動(dòng)的模型沙靜水沉速和起動(dòng)流速分別應(yīng)為0.166 cm/s和5.6 cm/s，滿足波浪起動(dòng)的波高應(yīng)大于0.7 cm。

采用比重為1.25 t/m3、中值粒徑為0.1 mm左右的褐煤顆粒作為模型沙，其靜水沉速約為0.143 cm/s，沉速比尺為3.49，偏差為5%左右，可滿足泥沙沉降相似的要求。在水深5 cm的條件下，該模型沙起動(dòng)流速約為5.0 cm/s，起動(dòng)比尺為11.2，偏差為12%，基本可滿足泥沙起動(dòng)相似的要求。根據(jù)模型沙波浪起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，該種模型沙在水深5 cm的條件下，起動(dòng)波高約為1.2 cm。

模型N向和NE向特征波高分別為1.59 cm和1.57 cm，可滿足模型沙波浪起動(dòng)的要求。

2.5 儀器設(shè)備

本模型為三面開(kāi)邊界模型，潮汐控制采用可逆泵生潮系統(tǒng)完成，分別在模型的東側(cè)、西側(cè)共布置6套可逆泵生潮設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備功率7.5 kw，供水能力1 100 m3/h，可滿足模型最大供水量的要求。水位測(cè)量采用超聲波水位儀進(jìn)行，特征點(diǎn)流速、流向采用多普勒流速儀進(jìn)行測(cè)量，流場(chǎng)則采用照片的形式提供。本模型波浪主要考慮N和NE浪向的作用，在模型中布置兩臺(tái)造波機(jī)模擬波浪動(dòng)力，長(zhǎng)度分別為12 m，波高采集與控制采用自行設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)來(lái)完成。泥沙模型試驗(yàn)中沿岸輸沙補(bǔ)充等采用自行設(shè)計(jì)的自控(調(diào))式模型加沙測(cè)量系統(tǒng)完成，地形測(cè)量采用自行研制的超聲波地形自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，輸沙量的測(cè)量則采用集沙盒的方法。

3 模型驗(yàn)證

3.1 潮動(dòng)力驗(yàn)證

采用2010年9月25日10：00—9月26日13：00和10月1日08：00—10月2日11：00同步大、小潮水文全潮實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了潮位、流速、流向驗(yàn)證，其中潮流測(cè)站為1～5#、7#、8#共7個(gè)，潮位測(cè)站為H1和H2兩個(gè)站，站位位置見(jiàn)圖2。大潮潮位驗(yàn)證見(jiàn)圖3，大潮4個(gè)站的流速流向驗(yàn)證見(jiàn)圖4。驗(yàn)證結(jié)果表明，無(wú)論是潮位，還是流速流向，其過(guò)程線均與原型吻合良好，其中高、低潮位差值基本在0.05 m左右，流速流向測(cè)站的潮段平均流速與原型的差值小于2 cm/s，平均流向差值小于10°，符合文獻(xiàn)[16]的規(guī)定，說(shuō)明模型潮位、潮流的驗(yàn)證是成功的，模型邊界的設(shè)置是合理的，模型滿足了與原型潮流相似的要求。

圖3 大潮潮位驗(yàn)證曲線

圖4 大潮流速流向驗(yàn)證曲線

3.2 沿岸輸沙驗(yàn)證

套子灣沿岸輸沙量沒(méi)有實(shí)測(cè)資料，采用計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果表明[13]，套子灣弧形岸線中間斷面(菩葉島中心向岸線的垂直線)沿岸輸沙量不大，向東輸沙量1.68萬(wàn)m3/a，向西輸沙量1.98萬(wàn)m3/a，凈輸沙方向向西，凈輸沙量0.3萬(wàn)m3/a，總輸沙量3.66萬(wàn)m3/a。

選取動(dòng)床區(qū)的相應(yīng)斷面，在斷面上安放集沙盒，通過(guò)測(cè)量試驗(yàn)后集沙盒內(nèi)模型沙量來(lái)計(jì)算模型輸沙率。造波機(jī)造波控制水深5 m處，N向波高1.59 m，周期5 s，年發(fā)生頻率17%，NE向波高1.57 m，周期5 s。通過(guò)3次6—12 h分時(shí)段重復(fù)試驗(yàn)，在模型中8 h左右試驗(yàn)，輸沙量達(dá)到與天然輸沙量基本一致，試驗(yàn)值與計(jì)算值偏差10%以內(nèi)，符合文獻(xiàn)[16]的規(guī)定。

集沙盒的集沙分布表明，輸沙量主要集中在2 m等深線以里，5 m等深線以外的水域基本不存在沿岸輸沙現(xiàn)象。

3.3 海床沖淤驗(yàn)證

為了進(jìn)行海床沖淤驗(yàn)證，在動(dòng)床區(qū)設(shè)置26個(gè)斷面(圖2)，斷面間距300 m，斷面長(zhǎng)度介于1 400～2 200 m，斷面編號(hào)D01—D26。斷面D01—D09稱為西部區(qū)域，斷面D10—D18稱為中部區(qū)域，斷面D19—D26稱為東部區(qū)域。動(dòng)床物理模型驗(yàn)證試驗(yàn)以2010年地形為基礎(chǔ)進(jìn)行了一年的沖淤試驗(yàn)，對(duì)26個(gè)斷面的沖淤結(jié)果進(jìn)行了測(cè)量和統(tǒng)計(jì)。根據(jù)2004～2010年6年間水深變化分析的年沖淤變化量與試驗(yàn)?zāi)隂_淤變化量的對(duì)比見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，海床沖淤驗(yàn)證符合文獻(xiàn)[16]的規(guī)定。

表2 實(shí)測(cè)與試驗(yàn)沖淤對(duì)比

2004—2010年6年間水深變化對(duì)比結(jié)果表明，套子灣岸灘整體處于微沖刷狀態(tài)，2 m等深線以里的海域，年均沖刷在4 cm左右，2～5 m等深線之間的海域年均沖刷在2 cm以下，5 m等深線以外的海床年沖刷強(qiáng)度不足1 cm，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

動(dòng)床物理模型驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，工程區(qū)近岸海域地形變化情況與天然變化規(guī)律基本一致，即在2 m等深線以里的區(qū)域總體呈現(xiàn)為沖刷的狀態(tài)，年均沖刷強(qiáng)度約為4 cm。在2～5 m等深線之間呈現(xiàn)為有沖有淤，總體為略有沖刷的狀態(tài)，年均沖刷強(qiáng)度約為1 cm；在5 m等深線以外的水域，呈現(xiàn)為有沖有淤，沖淤基本平衡的狀態(tài)，平均水深變化不足1 cm。

4 試驗(yàn)成果與分析

4.1 菩葉島工程對(duì)潮流動(dòng)力的影響

在擬建菩葉島周圍若干個(gè)流速采樣數(shù)據(jù)分析表明，現(xiàn)狀下工程區(qū)附近流速較弱，大潮漲潮平均流速0.06～0.16 m/s，落潮平均流速0.05～0.16 m/s，金沙灘的平均流速小于0.05 m/s,潮流基本呈現(xiàn)為順著岸線的近東西向的往復(fù)流。

菩葉島方案實(shí)施后，菩葉島起到了分流和挑流的作用，南北兩側(cè)水流流跡線基本平行于菩葉島外沿線，東西兩側(cè)呈現(xiàn)環(huán)流區(qū)和緩流區(qū)，在其南北兩側(cè)流速有所增大，東西兩側(cè)流速有所減小。工程后菩葉島周邊的大潮漲、落潮流速變化分別見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出，菩葉島對(duì)東西兩側(cè)流速的影響主要集中在東西兩側(cè)各1.5 km范圍內(nèi)，對(duì)南北兩側(cè)的潮流影響主要集中在南北各2 km范圍,對(duì)菩葉島正南方的影響可達(dá)2 m等深線，對(duì)2 m等深線以內(nèi)的沙灘區(qū)域而言，流場(chǎng)基本不受菩葉島的影響，即金沙灘及附近的流速不變。

圖5 菩葉島工程方案實(shí)施后平均流速變化(m/s)

4.2 菩葉島工程對(duì)岸灘穩(wěn)定性的影響

在波浪潮流動(dòng)床物理模型驗(yàn)證試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了菩葉島實(shí)施后的沖淤試驗(yàn)，工程前后的沖淤結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 菩葉島工程前后沖淤對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明，菩葉島方案實(shí)施后，床面地形的變化規(guī)律與天然狀態(tài)下的變化規(guī)律基本一致，依然呈現(xiàn)為微沖的狀態(tài)。菩葉島建成后，對(duì)外海波浪起到一定的阻擋作用，削弱了波浪對(duì)岸灘泥沙的掀動(dòng)能力，菩葉島南側(cè)的岸灘受到一定程度的保護(hù)，在菩葉島至岸邊的水域，雖然還呈現(xiàn)為微沖的趨勢(shì)，但沖刷強(qiáng)度有所減弱，2 m等深線以外的海域則由微沖的狀態(tài)變化為有沖有淤、沖淤基本平衡的狀態(tài)；還有，工程后沿岸輸沙量有2%的減弱[15]，說(shuō)明菩葉島的實(shí)施對(duì)菩葉島南側(cè)的岸灘及金沙灘的穩(wěn)定起到了一定的保護(hù)作用。

4.3 金沙灘淘刷和泥化的可能性分析

波浪潮流動(dòng)床物理模型試驗(yàn)結(jié)果表明[15]，菩葉島工程方案實(shí)施后，菩葉島南側(cè)的岸灘沖刷強(qiáng)度及沿岸輸沙呈減弱趨勢(shì)，即菩葉島工程對(duì)其南側(cè)的岸灘及金沙灘的穩(wěn)定起到了一定的保護(hù)作用，因此，金沙灘不存在淘刷消失的可能性。

沙灘泥化就是被粘性細(xì)顆粒泥沙泥質(zhì)化。其原因有幾個(gè)：(1)有豐富的粘性細(xì)顆粒泥沙來(lái)源，水體含沙量高。(2)水流動(dòng)力條件減弱，水體挾沙力降低造成懸沙落淤。(3)波浪動(dòng)力明顯減弱，落淤下的細(xì)顆粒泥沙難再被掀起帶走。

套子灣泥沙來(lái)源很少，粘性細(xì)顆粒泥沙來(lái)源更少，套子灣床面泥沙顆粒較粗，一般很難懸揚(yáng)并隨水流輸移，水體含沙量很低，長(zhǎng)期以來(lái)水體中的有限的細(xì)顆粒懸沙并未對(duì)海床底質(zhì)產(chǎn)生影響，而是在潮流和波浪作用下長(zhǎng)期懸浮于水體中難以落淤，因此，沒(méi)有足夠的粘性細(xì)顆粒沙源使金沙灘泥化。

菩葉島工程實(shí)施后，金沙灘潮動(dòng)力不受影響，菩葉島與金沙灘之間的水域流速增加，因此，水流挾沙力不會(huì)降低，不會(huì)因此造成金沙灘懸沙落淤增加。

菩葉島工程離岸線2.5 km，距離金沙灘較遠(yuǎn)，金沙灘處的波浪衰減幅度比較小，對(duì)沿岸輸沙影響較小，即波浪動(dòng)力沒(méi)有明顯減弱，落淤在金沙灘上的細(xì)顆粒泥沙仍然可以被掀起帶走[15]。

綜上分析，金沙灘不會(huì)因?yàn)槠腥~島的建設(shè)發(fā)生泥化現(xiàn)象。

4.4 菩葉島工程形成連島沙壩可能性分析

連島沙壩是連接陸地與離岸島嶼之間的沙壩，是海岸受島嶼岬角保護(hù)而形成的海岸堆積地貌。連島沙壩形成需要滿足兩個(gè)條件，一是要有豐富的較粗顆粒泥沙來(lái)源，二是要有適合泥沙堆積的沉積動(dòng)力環(huán)境。前面的分析和試驗(yàn)研究結(jié)果表明，套子灣是典型的弧形海岸，泥沙來(lái)源很少，天然情況下沿岸輸沙量非常有限，菩葉島工程對(duì)其南側(cè)的岸灘及金沙灘穩(wěn)定性和沿岸輸沙影響很小，向東和向西的沿岸輸沙動(dòng)力條件都還存在。菩葉島工程本身沒(méi)有形成連島沙壩的泥沙和動(dòng)力條件，因此，菩葉島工程不會(huì)形成連島沙壩。

連島沙壩能否形成還可以根據(jù)人工島距岸邊的距離及自身尺度等進(jìn)行簡(jiǎn)單判斷。人工島形成連島沙壩的條件[17]如下：

式中，xb為島的尺度(或直徑)；yb為人工島離岸距離；ω為泥沙沉速；H0和T分別代表深水平均波高和平均周期。

菩葉島面積6 km2,其直徑xb=2.765 km，離岸距離yb=2.5 km；泥沙中值粒徑為0.09 mm；泥沙沉速ω=0.005 m/s；深水平均波高H0=1.5 m；平均周期T=5.0 s；代入式(1)有：

因此，菩葉島工程不能形成連島沙壩。

4.5 菩葉島工程內(nèi)部水體交換能力分析

菩葉島工程實(shí)施后[15]，菩葉島通道內(nèi)的流速較小，各通道內(nèi)平均流速介于0.06～0.11 m/s之間，菩葉島北側(cè)的通道流速較大，南側(cè)通道流速次之，中部通道流速最小。受通道內(nèi)曲折邊界的影響，會(huì)有小范圍的環(huán)流存在，但強(qiáng)度和范圍均很小，基本不影響通道內(nèi)的流場(chǎng)暢通。

試驗(yàn)結(jié)果表明[15]，北側(cè)通道在一個(gè)漲潮或落潮周期(6 h左右)內(nèi)即可完成一次循環(huán)，其它各通道也可在2～3個(gè)漲落潮周期(1～2 d)完成一次循環(huán)。

5 結(jié)論

在套子灣建設(shè)人工島會(huì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)煙臺(tái)套子灣金沙灘的旅游資源，提升旅游檔次，促進(jìn)煙臺(tái)市旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本文根據(jù)套子灣的水動(dòng)力泥沙條件分析并建立波浪潮流泥沙物理模型試驗(yàn)對(duì)套子灣菩葉島人工島工程建設(shè)對(duì)水沙環(huán)境影響進(jìn)行了研究，從自然條件，人工島對(duì)潮流動(dòng)力、金沙灘和海床穩(wěn)定性的影響及島內(nèi)水體交換條件角度論證了其建設(shè)的可行性，主要結(jié)論如下：

(1)套子灣為典型的弧形海岸，岸灘及岸線多年來(lái)保持微沖刷的基本穩(wěn)定狀態(tài)，泥沙來(lái)源少，正常天氣條件下含沙量很低，潮流動(dòng)力弱，波浪作用下縱向泥沙運(yùn)動(dòng)少，泥沙運(yùn)動(dòng)總體較弱，在灣內(nèi)建設(shè)人工島是可行的。

(2)菩葉島工程實(shí)施后，對(duì)潮動(dòng)力的影響主要集中在菩葉島南北側(cè)各2 km、東西側(cè)各1.5 km的范圍內(nèi)，對(duì)金沙灘潮動(dòng)力沒(méi)有影響。菩葉島建成后，對(duì)外海波浪起到一定的阻擋作用，在菩葉島至岸邊的水域，雖然還呈現(xiàn)為微沖的趨勢(shì)，但沖刷強(qiáng)度有所減弱，即菩葉島的實(shí)施對(duì)菩葉島南側(cè)的岸灘及金沙灘的穩(wěn)定起到了一定的保護(hù)作用。

(3)金沙灘不會(huì)因?yàn)槠腥~島工程而發(fā)生淘刷和泥化現(xiàn)象。

(4)菩葉島工程不會(huì)形成連島沙壩。

(5)菩葉島實(shí)施后，島內(nèi)的水體在1～2 d內(nèi)可以完成一次交換。

綜上，從套子灣的自然條件及從對(duì)潮流動(dòng)力、金沙灘、海床穩(wěn)定性的影響及島內(nèi)水體交換能力角度看，套子灣內(nèi)菩葉島工程的建設(shè)方案是可行的。