臺州港黃礁港區懸沙輸移規律研究

何 杰 ，辛文杰

（1.南京水利科學研究院河流海岸研究所，南京210024；2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京210024）

規劃的臺州港黃礁港區位于浙江省東部沿海中部臺州市路橋區大港灣海域，北與椒江河口南翼毗鄰，東與臺州列島和上、下大陳島隔海相望，南與臺州溫嶺境內的積谷洋海灣峽道通連（圖1）。大港灣水域由黃礁山、白果山、道士冠、北江山等島群環抱，灣內水域寬闊且掩護條件較好，后方有大片灘涂，大港灣灣口距10 m等深線不到10 km，合理開發可形成一個優良的大型港灣。

大港灣水域具有潮差大、潮流中等偏弱、水體含沙量低的特點。海床床面主要由細顆粒泥沙組成，屬于淤泥質海岸，平常水情下床沙不易啟動、海床不易發生較大幅度的沖淤變化，是建港的有利條件。從大港灣所處的地理位置來看，造成灣內泥沙回淤的沙源主要分為前方和后方兩部分，前方泥沙通過口門輸送進入灣內，后方泥沙則為近岸的大片灘涂。大港灣港池開挖后，有必要研究港池的泥沙回淤狀況及港池回淤的泥沙來源。據文獻［1］調查，大港灣水域的泥沙輸移以懸沙為主。含沙水體隨潮流運動，摸清沙源位置和懸沙隨潮流的運動路徑，通過相應的整治工程，可有效減輕港池泥沙回淤［2］。本文采用平面二維潮流懸沙數學模型，在對海區實測水文資料驗證的基礎上，模擬了現狀海域的潮流泥沙運動特點。通過數學模型模擬港池水域的潮流泥沙運動過程，分析港池泥沙運動的特點，通過工程治理，達到了減輕港池泥沙回淤的目的。

圖1 大港灣示意圖Fig.1 Sketch of Dagangwan bay

1 平面二維潮流泥沙數學模型概況

1.1 潮流泥沙運動控制方程

大港灣水域水深較淺、水面較寬，可采用平面二維潮流泥沙數學模型進行潮流泥沙運動模擬，本文采用交通部技術規程所推薦的ADI法求解［3］。在笛卡爾直角坐標系下，根據靜壓和勢流假定，沿垂向平均的二維潮流基本方程可表述為

式中：u、v分別為垂線平均流速在x、y方向分量；U為流速的模；ζ為潮位；h為平均海平面以下水深；f為柯氏系數，f=2ωsinΦ，ω為地轉角速度，Φ為當地地理緯度；g為重力加速度；s為垂線平均含沙量；η為沖淤厚度；γ0為床面泥沙干容重；Fs為沖淤函數，可用下式表示

式中：α為泥沙的沉降機率；ω為泥沙沉速；s*為水流挾沙率；uc為泥沙起動流速；uf為泥沙懸浮流速。

ADI法求解平面二維潮流泥沙數學模型的具體方法和關鍵技術可見文獻［4］。

1.2 模型設計

根據大港灣所處的地理位置，模型計算域的北邊界設在瑯磯山以北5 km，南邊界至積谷洋以南的牛山島，南北方向長30 km，西邊界設在大港灣的灣頂，東邊界位于積谷山島以東-16 m水深處，模型東西方向長24 km、南北向長30 km，模型控制面積為720 km2。大港灣和積谷洋灣周圍眾多島嶼如黃礁島、北港山和南港山等均包括在計算域內。模型覆蓋范圍按邊長為50 m的正方形網格，剖分出288 000（480×600）個計算單元，其中有效計算單元（指水域部分）約占4/5。模型外海及大港灣水域的水深取自新版海圖，工程區域水深采用新測的1∶5 000水下地形資料。該模型曾對2008年的冬季大潮和2009年的夏季大潮過程分別進行了潮位、流速和水體含沙量過程的驗證，具體驗證情況可參見文獻［5］。

2 工程計算方案

大港灣水域波浪發生次數較多，已開展的波浪數學模型研究［6］表明，大港灣口門的防波堤可有效減小港池水域的波浪影響。根據大港灣所處的地理位置，形成灣內泥沙回淤的沙源主要來自前方和后方兩部分，前方泥沙通過東側口門輸送進入灣內，后方泥沙則為西側近岸的大片灘涂。擬建港池位于黃礁島一側，為了減少口門輸沙對港池的回淤，通過灣口東側的防波堤工程抵御外海輸沙的侵擾，這里簡稱防波堤方案（圖2）；港池西側淺灘的沙源通過圍堰工程進行攔截，這里簡稱圍堰方案（圖3）。根據工程建設后的潮流泥沙運動數學模擬以及港池回淤的計算結果，比較2個方案的優劣。

圖2 防波堤工程Fig.2 Breakwater project

圖3 圍堰工程Fig.3 Cofferdam project

3 水沙計算成果分析

3.1 水沙運動變化

圖4和圖5分別顯示了防波堤方案和圍堰方案實施后大港灣水域漲急時刻的平面流態，對比流態變化可知：港池水域開挖后流速有所減弱，防波堤口門處流速增加，最大流速達到1.8 m/s，南側防波堤后方有回流存在，漲潮期間大港灣后方淺灘完全被水淹沒；圍堰方案實施后，圍堰內包括港池開挖水域的潮流流速普遍減弱，平均流速在0.2 m/s左右，圍堰后方的淺灘水域流速呈增加趨勢，最大流速可達到1.5 m/s，這部分水流通過大港灣北側的黃礁門水道和南側的南港山水道進出。防波堤工程只改變了其附近水域的水動力條件，并未減小大港灣水域潮流流速。圍堰工程實施后，大港灣水域流速普遍減小。大港灣水域流速的減弱將會使該水域床面泥沙活動減弱，水體含沙量減小，港池泥沙回淤將會隨之減小。

圖4 防波堤工程水域漲急時刻平面流態Fig.4 Flow pattern in harbor for breakwater plan

圖5 圍堰工程水域漲急時刻平面流態Fig.5 Flow pattern in harbor for cofferdam plan

防波堤工程實施后，港池開挖水域的水體含沙量在漲急時刻為0.10 kg/m3（圖6），大港灣灣內以及灣西側的淺灘水域水體含沙量較大，最大含沙量超過0.30 kg/m3；圍堰方案形成后，大港灣大部分水域的水體含沙量在0.05 kg/m3以下（圖7），與防波堤工程相比，大港灣水域的含沙量已下降很多，港池水域水體含沙量的減小對減輕港池泥沙回淤將十分有利。

3.2 泥沙回淤計算

圖8和圖9分別顯示了2個工程方案實施后大港灣水域的海床沖淤分布，結合港池的淤厚統計（表1）可以看出：防波堤工程實施后，港池水域海床呈普遍淤積狀態，港池西部半年淤厚超過0.80 m，港池其他水域半年淤厚也都在0.50 m以上；大港灣灣頂水域淤積仍較大，灣內部分水域的海床呈略微沖刷狀態，大港灣周圍島嶼附近仍呈微淤狀態。圍堰工程實施后，大港灣內海床的泥沙淤積分布比較均勻，平均淤厚在0.30 m左右，港池開挖水域的淤厚并未顯著高于其他未開挖水域；圍堰附近淤積稍大一些，而圍堰后方即大港灣灣頂的淤積較大，冬季和夏季半年的淤厚均超過0.80 m/a。防波堤方案實施后，港池在冬季半年和夏季半年的淤厚分別為0.70 m和0.78 m，全年累計1.48 m。圍堰方案實施后，港池在冬季半年的淤厚僅為0.27 m、夏季半年為0.30 m，全年累計為0.57 m。圍堰工程實施后，港池的泥沙回淤僅為導堤方案的1/3，有效減輕了港池的泥沙回淤。究其原因，后方圍堰可以阻擋大港灣內與周圍水域的水沙交換，港池內潮流運動速度減弱，減緩了港池水域床面泥沙的搬運速率，尤其是擋住了大港灣西側淺灘泥沙進入港池的通道，有效減輕了港池開挖水域的泥沙回淤。

表1 港池泥沙回淤厚度統計Tab.1 Silting thickness in harbor basin m

圖6 防波堤工程水域漲急時刻水體含沙量分布Fig.6 Sediment distribution in harbor for breakwater plan

圖7 圍堰工程水域漲急時刻水體含沙量分布Fig.7 Sediment distribution in harbor for cofferdam plan

圖8 防波堤方案港池回淤分布Fig.8 Silting distribution in harbor for breakwater plan

圖9 圍堰方案港池回淤分布Fig.8 Silting distribution in harbor for cofferdam plan

4 結論

防波堤方案和圍堰方案實施前后的水沙運動變化和港池淤積的計算對比分析表明，防波堤工程僅改變了口門附近水域的潮流流態，大港灣大部分水域的潮流運動趨勢仍維持原狀。圍堰方案使得大港灣內潮流運動速度普遍減弱，灣內水體含沙量降低到0.05 kg/m3左右，港池泥沙淤強減小到0.57 m/a，約為防波堤方案的1/3。綜上可以看出，在口門布置雙導堤工程，有利于波浪掩護，但防淤減淤的效果卻不明顯；圍堰方案采取“固灘縮灣”的措施，一方面減輕了大港灣灣內床面的泥沙活動性，另一方面阻擋了近岸淺灘的床面泥沙進入港池的通道，從而有效減輕了港池的泥沙回淤。因此圍堰方案可作為黃礁港區規劃起步工程布置的基本方案。

［1］惲才興.浙江臺州港黃礁港區海岸動力地貌及岸灘穩定性分析［R］.上海：華東師范大學，2009.

［2］HE J，XIN W J.Study on the suspended sediment transport in Nansha harbor［C］//IAHR.Advances in Water Resources and Hydraulic Engineering.Nanjing：Hohai University，2008：1 283－1 287.

［3］JTJ/T233-98，海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程［S］.

［4］辛文杰.潮流、波浪綜合作用下河口二維懸沙數學模型［J］.海洋工程，1997（2）：30-47.XIN W J.Numerical model of 2-D estuarial suspended sediment motion under the interaction of tidal flow and waves［J］.The Ocean Engineering，1997（2）：30-47.

［5］辛文杰，何杰.臺州港黃礁港區波浪數學模型與泥沙數學模型研究［R］.南京：南京水利科學研究院，2009.

［6］王登婷.臺州港黃礁港區波浪數學模型研究［R］.南京：南京水利科學研究院，2009.