圍海工程對海底泥沙淤積影響分析

□ 韓永林（浙江省水利水電建筑監理公司）

0 引言

新泓口圍堤方案為北直堤長1.70km，南直堤長1.10km，順堤（東直堤）長3.60km，圍海面積537hm2。二期管道鎮海登陸點位于順堤北部，距離北直堤約300m。圍海工程于2008年至2009年建成，其建設對海堤附近的海底地形產生了影響。文章根據實測的地形和水文泥沙資料，分析該工程海域的水文泥沙和地形特征；采用潮流數學模型，結合泥沙沖淤半理論半經驗公式，計算分析該工程建設對潮流和泥沙淤積的影響。

1 潮流數學模型

二維潮流的基本方程包括水連續性方程和動量守恒方程，即

式中:t為計算時間；x、y為計算區域坐標；H為海面到海底的距離；Zb為海底高程；U、V分別為垂線平均流速在x、y方向的分量；f為地轉參數，g為重力加速度；τsx、τsy為海面風應力分量；τbx、τby為海底摩阻分量，ρ為海水密度；ve為水平渦動粘性系數。上述參數具體計算見文獻[1]。

上述方程式是一個初邊值問題，求解需要適當的初始條件和邊界條件。

計算邊界分為兩類，一類是岸邊界，另一類是水邊界。初始條件與潮位和流速的初始分布有關。采用有限差分法離散基本方程。通過離散得到的線性代數方程組，用高斯消去法求解。

2 泥沙淤積計算

根據潮汐水流中的懸沙運動方程，可得海岸工程引起的床面沖淤強度，即

式中:p為年沖淤強度，m/a；α為沉降機率；ω為泥沙沉速，m/s；γd為泥沙干容重，kg/m3；t為一年中的沖淤歷時，s；S1、S2為工程前、后的水流挾沙力，kg/m3。其中計算參考文獻[3]和文獻[4]

3 數值模擬分析

3.1 工程簡介

本路由總體上呈NE－SW穿越杭州灣口灰鱉洋海域，路由海域的海底地形特征為西南部高，平緩東傾，東北部低且起伏。可以分成兩大主要地貌單元:西部淺灘；東部潮流沖刷槽。KP4以西為海岸邊灘，海底地形呈平坦水平狀，水深約5m；KP4以東為外側緩坡，海底向東傾斜，水深逐漸增大，向東進入潮流沖刷槽區。數值模擬過程中取路由海域為研究對象，計算區域采用四節點網格剖分，網格尺寸為20m×20m。模型的水邊界采用潮位控制，潮位過程由東中國海潮波數學模型提供。對于隨潮位變化的淺灘動邊界，采用網格干、濕判斷法進行處理。

3.2 模型驗證

模型驗證路由海域4個站的準同步連續周日海流，比較這些站點的計算值與實測值后表明，無論是潮位還是潮流速，計算值與實測值相差很小，過程吻合較好（限于篇幅，這里只給出典型站點的對比值）。

3.3 結果分析

根據潮流數值模擬結果，采用泥沙沖淤半理論半經驗公式計算新泓口圍堤工程實施前后的水下地形沖淤變化，繪制沖淤變化如圖1:

表1 實測最大流速及其流向表單位:流速（cm/s），流向（°）

圖1 路由沿程沖淤變化圖

在北直堤堤角處工程修建后年淤積強度最大，為1.10～1.20m/a，總淤積量4m以上；由堤角沿岸向北年淤積強度逐漸減小，在離北直堤堤角1.70～2.00km外年淤積強度減至0.30m/a左右，總淤積量1.20～1.50m。

在順堤南、北兩端外側工程修建后將形成明顯沖刷，順堤北端外側工程后年沖刷強度為0.60m/a左右，總沖刷量為2.50～3.00m；順堤中部北側年沖刷強度0.30～0.40m/a，總沖刷量1.50～2.00m；順堤南端外側年沖刷強度為0.40～0.50m/a，總沖刷量2.00～2.50m。

KP20.50以西為基本穩定至微淤積區，其中KP2.60～5.75為淤積最多區，厚度0～0.70m，呈透鏡狀，年均0～11.60cm；KP0.70～1.10沖刷相對較明顯，厚度0～0.55m，年均0～9.20cm。KP20.50以東主要為沖刷區，其中西堠門潮流沖刷槽內沖刷厚度最大。

4 結論

文章通過采用數值模擬法，對比圍海工程的修建前后對海底地形影響發現南、北兩端外側工程將形成明顯沖刷，以便為同類工程提供理論依據。

[1]WANGZhen，WEIYouxing，ZHANGChangkuan.Amethodtocalculatedesigntidelevelsonthebasisofnumericalmodeloftidalcurrentanditsapplication［J］.ActaOceanol.Sin.，2012，31（4）:24-30.

[2]王義剛，林祥，吳中.河口邊灘圍墾后淤積計算方法研究［J］.海洋工程，2000，18（3）:67-70.

[3]羅肇森.河口航道開挖后的回淤計算［J］.泥沙研究，1987（2）:13-20.

[4]黃建維.粘性泥沙在靜水中沉降特性的試驗研究［J］.泥沙研究，1981（2）:30-40.