威海靖海灣港區張家埠新港建設對泥沙沖淤影響預測分析

(中國海洋大學 海洋地球科學學院,山東 青島 266003)

山東威海文登市位于膠東半島東部,其西阻于昆崳山,與煙臺市牟平區和乳山市相接,北連威海市環翠區,東鄰榮成市,與日本、韓國隔海相望,南瀕黃海。威海港張家埠老港區位于文登市境內的靖海灣內,雖然港內掩護條件較好,但航道口門即長會口處有攔門沙淺灘,使張家埠港區的功能逐漸衰退。為了促進文登市經濟更好、更快地發展,有必要重新開辟新的港區。 通過對文登市岸線資源的綜合分析,結合文登市城市的發展規劃,在靖海灣內的前島村處開辟新的港區。

本文主要研究張家埠新港建成后對海洋環境的影響,港區建設改變了原來的自然岸線和水域狀態,使局部流場流速、流向也有所改變,海底泥沙將會重新分布。本文運用ECOMSED(水動力泥沙)三維模型模擬潮流、波浪(施加風)作用條件下工程周圍海域海底地形的演化,對工程建成后的沖淤狀況進行模擬,并對流場和浪場二者進行耦合,求得波浪和潮流共同作用下對海底的切應力,與沉積物臨界起動剪切力比較,分析其沖淤變化。對于沖刷區域,選擇適當的水深步長,迭代計算波流作用下的床面切應力,直到停止沖刷,預測沖淤平衡時的極限沖刷深度。

1 自然環境概況與工程概況

1.1 風、浪、流概況

研究區處于東亞季風區域,全年各向平均風速以NW～NNE向為最大(6.3～7.3 m/s),其中NNW向風速最大,為 7.3 m/s;S～WSW,WNW,NE向次之(5.0～6.3 m/s),其中SW向風速較大,為6.3 m/s;E、ESE向風速最小(3.6 m/s)。波浪以風浪為主,常浪向為 SSW 向,次常浪向是 SSE向,強浪向為 SSE向,次強浪向S向[1]。

本海區的潮流屬于規則半日潮流,大潮期和小潮期平均流速相差不大,漲潮流速大于落潮流速,流速由表層至底層呈遞減狀態。最大流速不超過100cm/s,一般發生在表層,由表及底逐漸減小。余流較小,最大為5.1cm/s,最小僅為1.2cm/s,受岸邊地形影響,近岸處為往復流;離岸較遠處由于受岸邊地形的影響較小,表現為旋轉流的特征。

1.2 地形地貌特征

研究區位于靖海灣和五壘島灣之間(圖1),靖海灣為一浪控和潮控復合型海灣;五壘島灣原為一干出海灣,高潮時海水漫淹,低潮時海底干出,全為灘地,由于近 30年來海水養殖的發展,海灣大部已被開辟為養殖池。里子島以北海域地形比較復雜,特別牛心島和近岸海底坡降較大,比降在 2‰～6‰之間,海底凸凹不平,常有暗礁突出海底;里子島以東、牛心島以南 3.0～5.0 m 等深線間比較平緩,比降為1.3‰;5.0～7.0 m之間比降為0.67‰。

本海域水下地貌并不復雜,大體分為 3個類型：(1)水下侵蝕臺地及干出臺地,主要為母豬石、長石欄及里子周圍的岸巖干出礁及暗礁,是陸上殘丘或臺地向海延伸而突出海底部分,經長期海洋動力剝蝕而形成,其組成物質主要為變質巖或脈巖;(2)水下岸坡,主要分布靖海灣西側和五壘島灣南側,地形近岸較陡,遠岸較緩,主要組成物質為粉砂和砂質粉砂;(3)淺海平原,主要分布在7.0 m水深以深海域,由潮汐、潮流形成廣闊平緩的堆積地形,組成物質以黏土質粉砂為主,是一種比較穩定的地貌單元。

圖1 威海港張家埠新港區位置圖Fig.1 The location of Zhangjiabu new port at Weihai

1.3 泥沙來源

工程所在區域為一半島狀基巖海岸,泥沙來源主要有3個方面：河流輸沙、海岸侵蝕來沙、海底侵蝕來沙。其中以河流輸沙為主。本海區的沉積物類型不多,主要為粉砂和砂質粉砂,沉積物中粉砂粒組占60%～80%。

1.4 工程概況

威海港張家埠新建港區位于靖海灣和五壘島灣之間、前島村處,行政區屬澤庫鎮(圖1)。

碼頭布置：自現前島村端部建設寬 15 m,長5 750 m 的引堤(兼疏港道路,將來隨著港口規模擴大,逐漸拓寬),考慮盡量減小對靖海灣和五壘島灣水體交換的影響,在引堤1 879 m(自岸向海)開始采用透空式結構1 900 m,再向海仍采用斜坡實堤結構。

2 潮流場與地形地貌沖淤預測

新建港區建設改變了原來的自然岸線和水域狀態。碼頭建設,引堤、圍堰工程及航道疏浚工程的建設對局部流場流向有所改變[2]。新的岸線形成以后工程附近漲、落潮流向均有較小角度的變化。

2.1 潮流場變化預測

利用建立的研究區海域ECOMSED數值模型模擬新港建設前后典型時刻(漲急、落急)的流場。結果表明,現狀岸線下漲急時流速在整體上流向表現為WNW向,流速在工程東側的靖海附近海域較大,在0.8 m/s以上,在擬建新港北側的靖海灣灣頂流速較小,流向近北向。落急時流速在外海上流向表現為ESE向,流速大小在0.6 m/s左右。澤庫鎮東側的靖海灣頂的河口附近流速在0.8 m/s以上,流向為SSW;靖海角附近流速在0.8 m/s以上,流向近E向。流速在整體上表現為東部近岸海域流速大,西部近岸海域流速小。新港建設后,其附近海域流速變化較大,根據新港建設前后流場對比圖(圖2)可以看出,新的岸線形成以后工程附近漲、落潮流向均逆時針增加較小角度,流速依然較大,流速變化最大的地方位于防波堤和碼頭圍填海位置處,最大改變約60cm/s。在引堤透空段,水動力條件增強,漲、落潮流速均增加約60cm/s。在碼頭南部外側海域,由于岬角效應,漲、落潮流速均增加約50cm/s。在引堤實心段兩側和港池內部水域,由于非透水構筑物的阻擋,形成較弱的水動力環境,致使流速較工程前減小約30cm/s。

總體來說,新港建設僅對附近海區產生一定影響,在距其 1.5 km以外的海區水動力條件基本不變。

2.2 地形地貌沖淤數值模擬

研究利用沉積物取樣分析、海流觀測等方法,結合水深地形、工程地質、風速資料,運用ECOMSED三維模型模擬潮流、波浪(施加風)作用條件下工程周圍海域海底地形的演化。

由于計算海域范圍較大,水體中的泥沙很難在整體上達到平衡狀態,為了研究擬建工程附近海區沖淤變化影響,將工程前后泥沙初始條件設為一致,并將工程前后的25 h地形變化進行比較,從而對工程區附近海域底形沖淤變化進行研究。模擬時選取了N,E,NE和NW風,風況為最大為8級風,大于6級風作用24 h情況下工程附近海域的蝕淤變化情況。

圖2 新港建設前后計算潮流場差Fig.2 Current velocity variations before and after construction of the new port

根據模擬結果給出新港建設前后泥沙沖淤變化量(圖3)。由圖3可以看出,新港建成后其附近海區沖淤狀況改變較大,其余海區改變較小,沖淤強度改變量值在-1.0～1.0 mm/d之間。沖刷加強的區域為引堤透空段和防波堤南側區域,沖刷強度最大增加約1 mm/d;淤積加強的區域多集中在引堤實心段兩側,水動力條件減弱的區域。實堤段一(靠近陸地段)兩側淤積強度約增加 1 mm/d,實堤段二(離岸段)兩側淤積強度約增加 0.5 mm/d;其余海區沖淤改變量值較小,沖淤強度改變值在-0.2～0.2 mm/d之間。因模擬的是極端情況下的沖淤演變因此值較大,隨著沖淤的進行會逐漸達到沖淤平衡,沖淤量會逐漸變小。

總體來說,新港建設主要影響附近的沖淤狀況,對距其1.5 km以外的海區影響較小。

圖3 泥沙沖淤變化圖Fig.3 Changes of erosion and deposition

3 極限沖刷深度預測計算

3.1 計算原理

根據力學平衡原理,將波浪和潮流在海底產生的切應力耦合,與沉積物顆粒臨界起動剪切力相比較,如果切應力大于臨界起動剪切力,將繼續沖刷,然后根據沖刷后的水深重新計算波浪要素,計算浪流切應力,不斷重復上述計算過程,再次比較,直到切應力等于臨界起動剪切力,停止計算,保留下此點的水深,即為極限沖刷深度。

在純波浪時,最大底部剪切應力由下式[3]確定：

一個波周期內的波浪平均剪切應力是零,假定上式可適用于瞬時情況。則有

上式中,τwc為波流共存時的切應力;波流共存時的摩阻系數fwc已由fw代替;u為瞬時流速。據此可以計算出各網格點波流共同作用下的床面切應力。

曹祖德、唐士芳[4]利用波浪槽試驗結果,推導出不同流態、泥沙粒徑時的臨界起動剪切力τb：

式中：ν為水體動黏滯系數;ρs為泥沙顆粒密度;ρ為水的密度;d為沉積物中值粒徑。根據上述公式和沉積物分布中的中值粒徑資料,計算出海域沉積物臨界起動剪切力。

根據水深地形資料,首先利用數學模型計算出流場和浪場,再依次計算出各網格點波流共同作用時的床面切應力,與各點的沉積物臨界起動剪切力比較,切應力大于臨界起動剪切力就沖刷,反之則不沖。據此分別計算了25,50年一遇SSE,S,SSW向波浪和流共同作用下,新港建設后附近海域極限沖刷深度(圖4)。

圖4 SSE向波浪和潮流作用下沖刷等值線圖Fig.4 The isocline of erosion imposed by SSE wave and current

3.2 極限沖刷深度預測結果

從圖4中可以看出新港建成后,在透空段和防波堤南側附近出現了幾處沖刷區域,引堤實心段兩側,水動力條件減弱的區域發生淤積,與流速變化相對應。25年一遇波浪和潮流作用下,SSE向波浪作用下工程透空段沖刷深度為 2.1～0.1 m,防波堤南側沖刷深度最大可達2.9 m,S向波浪和潮流作用下,工程透空段沖刷深度為2.1～0.1 m,防波堤南側沖刷深度最大可達2.7 m,SSW向波浪和潮流作用下工程透空段沖刷深度為 2.0～0.1 m,防波堤南側沖刷深度最大可達2.2 m;50年一遇波浪作用下,SSW向波浪作用下工程透空段沖刷深度為 2.1～0.1 m,防波堤外沿沖刷深度最大可達2.4 m,SSE向波浪和潮流作用下,工程透空段沖刷深度為 2.0～0.1 m,防波堤外沿沖刷深度最大可達3.5 m,S向波浪和潮流作用下,工程透空段沖刷深度為 2.0～0.1 m,防波堤外沿沖刷深度最大可達3.2 m。

4 結論與建議

1)威海港張家埠新港建設只對附近海域流場影響較大,導致局部流場發生改變。在引堤透空段,水動力條件增強,漲、落潮流速均增加約60cm/s。在防波堤南部外側海域,由于岬角效應,漲、落潮流速均增加約50cm/s。在引堤實心段兩側和港池內部水域,由于非透水構筑物的阻擋,形成較弱的水動力環境,致使流速較工程前減小約 30cm/s。距其1.5 km以外的海區水動力條件基本不變。

2)威海港張家埠新港建成后周邊海域沖淤狀況改變較大,在其余海區改變較小,沖刷加強的區域為引堤透空段和防波堤南側區域,沖刷強度最大增加約1 mm/d;淤積加強的區域集中在引堤實心段兩側和港池等水動力條件減弱的區域。但隨著沖淤的進行會逐漸達到沖淤平衡,沖淤量會逐漸變小。

3)利用數值模型的潮流和波浪參數,預測擬建新港附近海域極限沖刷深度。計算發現,在引堤透空段和防波堤南側附近出現了幾個沖刷坑,預測最大沖刷深度發生在防波堤南側,可達 3.5 m,發生在SSE向波浪和潮流作用下。此結果可以作為新港沖刷防護工程的設計依據。

[1]中國海灣志編纂委員會.中國海灣志,第三分冊(山東半島北部和東部海灣)[M].北京：海洋出版社,1991.

[2]常瑞芳.海岸工程環境[M].青島：中國海洋大學出版社,1997.

[3]曹祖德,唐士芳.波、流共存時的床面剪切力[J].水道港口,2001,2：56-60.

[4]曹祖德,孔令雙,焦桂英.波、流共同作用下的泥沙起動[J].海洋學報,2003,3：113-119.