杭州灣灘涂回淤數(shù)值模擬預(yù)測研究

摘要：針對杭州灣灘涂區(qū)域的促淤和回淤問題，構(gòu)建寧波灣南岸區(qū)域的水動力及沖淤數(shù)值計算模型，結(jié)合現(xiàn)場實測沖淤數(shù)據(jù)驗證短期沖淤數(shù)值計算模型可靠性，得到該區(qū)域未來較長時間尺度下的自然回淤狀況，同時對比人工筑堤擇優(yōu)選取促淤方案。研究結(jié)果表明，開挖導(dǎo)流作用下的自然淤積灘涂恢復(fù)效果顯著，而隔堤的修建對于溝槽的泥沙滯留淤積作用顯著，修筑-2.2 2m高程隔堤后原本低洼的區(qū)域平均促淤厚度達(dá)0.2 2m，低洼區(qū)域內(nèi)部海床高程可以達(dá)到2.5m左右，因而采取以導(dǎo)流自然淤積為主輔以隔堤的灘涂促淤恢復(fù)手段，對于高含沙量海域低洼區(qū)域的泥沙淤積效果尤為顯著。

關(guān)鍵詞：杭州灣；人工促淤；沖淤計算；數(shù)值模擬

中圖分類號： TV 8； P 7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 4） 0 6-0 1 5 1-1 1

基金項目：國家重點(diǎn)研發(fā)專項（ 2 0 1 8 Y F B 1 5 0 1 9 0 1） ；浙江省自然科學(xué)基金項目（ L O 2 0 D 0 6 0 0 0 3）.

S t u d yo nN u m e r i c a l S i m u l a t i o na n dP r e d i c t i o no fS i l t R e t u r n i nH a n g z h o uB a yB e a c h

L IR a n1，GON G M i n g1，XUX u e f e n g1， 2，S ON GZ e k u n1， YAN G W a n k a n g1，KA IL i q i o n g1

（ 1. O c e a nE n g i n e e r i n gS u r v e ya n dD e s i g nR e s e a r c hI n s t i t u t e，S e c o n dI n s t i t u t eo fO c e a n o g r a p h yo fMN R， H a n g z h o u3 1 0 0 1 2，C h i n a；2. K e yL a b o r a t o r yo fM a r i n eS p a c eR e s o u r c e sM a n a g e m e n t， M i n i s t r yo fN a t u r a lR e s o u r c e s，H a n g z h o u3 1 0 0 1 2，C h i n a）

A b s t r a c t：A i m i n ga t t h ep r o b l e m so f s i l t a t i o np r o m o t i o na n ds i l t a t i o nr e t u r n i n t h eb e a c ha r e ao f H a n g z h o uB a y，an u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm o d e lo fh y d r o d y n a m i ca n ds c o u ra n ds i l t a t i o ni nt h e s o u t hb a n ko fN i n g b oB a yw a sc o n s t r u c t e d，a n dt h er e l i a b i l i t yo f t h es h o r t - t e r ms c o u ra n ds i l t -a t i o nn u m e r i c a l c a l c u l a t i o nm o d e lw a sv e r i f i e db yc o m b i n i n gw i t ht h ef i e l dm e a s u r e ds c o u ra n d s i l t a t i o nd a t a，s oa s t oo b t a i n t h en a t u r a l s i l t a t i o ns i t u a t i o n i n t h i s a r e au n d e r a l o n g e r t i m e s c a l e i nt h e f u t u r e . M e a n w h i l e，t h e s i l t a t i o np r o m o t i o ns c h e m ew a s s e l e c t e db yc o m p a r i n gw i t ha r t i f i -c i a l e m b a n k m e n t c o n s t r u c t i o n . T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h er e s t o r a t i o ne f f e c to fn a t u r a l s i l tb e a c hu n d e r t h e a c t i o no f e x c a v a t i o nd i v e r s i o n i s r e m a r k a b l e，a n d t h e c o n s t r u c t i o no f b a r r i e r h a sas i g n i f i c a n t e f f e c to nt h er e t e n t i o na n ds e d i m e n t a t i o no fs e d i m e n t i nt h et r e n c h. A f t e rt h e c o n s t r u c t i o no f t h eb a r r i e rw i t hah e i g h t o f - 2.2 2 m，t h e a v e r a g e t h i c k n e s s o f s e d i m e n t p r o m o t i o n i nt h e l o w - l y i n ga r e ar e a c h e s0.2 2 m，a n dt h ee l e v a t i o no f s e a b e d i nt h e l o w - l y i n ga r e ac a nr e a c h a b o u t 2.5 m. T h e r e f o r e，i t i sp a r t i c u l a r l ye f f e c t i v e f o r t h es e d i m e n td e p o s i t i o n i n l o w - l y i n ga r e a s i nt h eh i g hs e d i m e n tc o n t e n ts e aa r e at oa d o p tt h em e t h o do fn a t u r a ld i v e r s i o na n ds e p a r a t i o n e m b a n k m e n t .

K e y w o r d s：H a n g z h o uB a y，A r t i f i c i a ls i l t i n gp r o m o t i o n，S c o u r i n ga n ds i l t i n gc a l c u l a t i o n，N u -m e r i c a l s i m u l a t i o n

0 引言

近年來我國海岸工程建設(shè)不斷為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展增添活力，而與此同時沿海灘涂的開發(fā)帶來的一系列問題也需要開展生態(tài)修復(fù)[ 1-2]。灘涂地形的變化對水動力條件和泥沙沖淤條件變化起到了重要作用[ 3-4]，因而對其進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測研究在此背景下就顯得尤為重要。

河口海灣地區(qū)是河流上游攜帶泥沙與外海泥沙所匯集的區(qū)域，泥沙的匯集對于船舶的航行安全[ 5]、港口的運(yùn)營維護(hù)[ 6]以及岸灘的淤積疏浚[ 7]起到重要的影響，因而該區(qū)域的泥沙輸運(yùn)研究一直以來都是相關(guān)專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)。近年相關(guān)學(xué)者開展了大量對杭州灣區(qū)域的潮汐潮流、含沙量特征以及灘涂演變研究，為后期杭州灣數(shù)值模擬研究工作的開展積累了寶貴的經(jīng)驗。潘存鴻等[ 8]結(jié)合杭州灣區(qū)域長系列實測潮位、海平面變化以及河口圍涂資料，探討杭州灣潮汐變化及其原因，指出當(dāng)?shù)睾袜徑Ｓ虻纳婧９こ淌窃斐稍搮^(qū)域潮汐變化主要原因之一。陳登俊等[ 9]從流速、流向和歷時方面分析了杭州灣潮流特征，闡述了杭州灣水深條件良好，但灣口島嶼眾多，水道縱橫且灣內(nèi)水深急速變淺，因而形成明顯的潮大、流急和潮流三維特征。堵盤軍[ 1 0]建立杭州灣泥沙數(shù)值模型并結(jié)合眾多科研項目數(shù)據(jù)進(jìn)行率定驗證，分析得到杭州灣懸沙濃度平面分布表現(xiàn)為西高東低，大潮小潮周期變化顯著，潮周期內(nèi)懸沙濃度也隨時間而呈明顯的周期變化。胡成飛等[ 1 1]基于杭州灣近6 0年的水文地形監(jiān)測資料，分析杭州灣南岸灘涂發(fā)育的動力機(jī)制、水沙變化以及促淤圍涂工程對灘涂演變的影響。目前國內(nèi)涉海工程的泥沙沖淤模擬研究中，對圍墾工程實施的泥沙數(shù)值模擬研究較多，同時也積累了一定的經(jīng)驗，如宋澤坤[ 1 2]利用M I K E 2 1F M構(gòu)建長江口—杭州灣二維垂向平均潮流、懸浮泥沙運(yùn)動和地貌演變數(shù)學(xué)模型，研究圍墾工程對于水動力、泥沙及河床演變沖淤的影響。但由于灘涂低洼區(qū)域的導(dǎo)流促淤工程情況特殊，對這種特殊涉海工程進(jìn)行泥沙沖淤數(shù)值模擬研究的重要性也就更為顯著。

國內(nèi)外在該項研究中大多選取二維潮流泥沙數(shù)值模型進(jìn)行模擬預(yù)測[ 1 3-1 4]，D e l f t 3 D、E C OM、MOH I D、M I K E 2 1等均為沖淤模擬常用的二維泥沙數(shù)值模型軟件[ 1 5]。本文基于寧波杭州灣南岸實測地形與水文數(shù)據(jù)，采用M I K E 2 1構(gòu)建杭州灣大范圍水域水動力模型并進(jìn)行驗證，使用M I K E 2 1 MT模塊結(jié)合短期現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證沖淤模型進(jìn)行率定，分別對自然回淤與人工筑堤兩種情況進(jìn)行長時間尺度的泥沙數(shù)值模擬預(yù)測，為低洼區(qū)域促淤方案選取提供參考。

1 背景概述

1.1 工程區(qū)域潮汐情況

結(jié)合所研究的低洼區(qū)域附近臨時潮位站T 1（圖1） 1個月實測潮位資料分析，該潮位站最高、最低潮位分別為4.3 2m和-3.0 3m，平均高、低潮位分別為2.9 7m和-2.1 9m；最大潮差為7.2 2m，平均潮差為5.1 7m；總體上表現(xiàn)為平均落潮歷時長于平均漲潮歷時，平均落潮歷時比平均漲潮歷時長約8 0分鐘。工程區(qū)域潮汐特征具有相當(dāng)明顯的變化規(guī)律，在1個月中潮汐出現(xiàn)2次大潮和2次小潮；而潮位在1日中也規(guī)則地出現(xiàn)2次高潮、2次低潮，但潮汐的日不等現(xiàn)象較為明顯。

1.2 工程基本情況

開挖導(dǎo)流工程位于杭州灣南岸灘涂（圖2） ，所處的海床高程基本高于大潮的高潮位，雖然灘涂低洼區(qū)域內(nèi)部最大深度有1 0m左右，但是灘涂低洼區(qū)域的外圍仍然維持高灘，一般情況下潮水無法越過外圍的高灘進(jìn)入低洼區(qū)域的內(nèi)部，這就導(dǎo)致洼地內(nèi)部與外側(cè)杭州灣的潮流完全隔絕。因此在開挖導(dǎo)流溝工程之前潮水無法涌入其中，洼地內(nèi)部基本沒有潮流的運(yùn)動。

在此背景下，于2 0 2 1年7月將該低洼區(qū)域與西北側(cè)潮溝之間開挖長度約7 5m，寬度約9 0m，深度約3m的導(dǎo)流溝，研究區(qū)域地形以及洼地與潮溝之間的導(dǎo)流溝如圖3所示。導(dǎo)流溝的開挖使得洼地內(nèi)部與外海聯(lián)結(jié)，杭州灣潮水?dāng)y帶泥沙涌入低洼區(qū)域中，低洼區(qū)域內(nèi)因而產(chǎn)生潮流運(yùn)動，為該區(qū)域泥沙自然回淤創(chuàng)造基礎(chǔ)條件。

2 模型構(gòu)建

M I K E系列軟件目前是國際聞名的水動力模擬系統(tǒng)，我國七大流域相關(guān)機(jī)構(gòu)以及環(huán)境設(shè)計與研究機(jī)構(gòu)均有采用，M I K E 2 1作為該系列軟件中平面二維自由表面流模型，能夠有效模擬水域中的水動力、水質(zhì)、沖淤、溢油擴(kuò)散狀況等，擁有強(qiáng)大的前后處理功能[ 1 6]。M I K E 2 1FM對區(qū)域水動力的數(shù)值模擬能夠為M I K E 2 1 MT的泥沙輸運(yùn)模塊的研究計算提供了驅(qū)動力條件和理論基礎(chǔ)支撐[ 1 7]。

2.1 M I K E 2 1F M水動力模型控制方程

2.3 模型區(qū)域概化

模型計算域如圖4所示，涵蓋了整個杭州灣、曹娥江、甬江、舟山群島。計算域大范圍水深由海軍航保部海圖數(shù)字化后獲得，研究區(qū)域附近海域地形由2 0 2 1年1 1月至2 0 2 2年6月期間對研究所在的區(qū)域進(jìn)行1∶2 0 0 0基礎(chǔ)地形測量及高程測量的實測數(shù)據(jù)修正，研究區(qū)域岸線根據(jù)最新的衛(wèi)片提取獲得。研究區(qū)域局部地形如圖5。

在研究區(qū)域局部海域采用局部加密的非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對計算域進(jìn)行劃分。外海區(qū)域空間步長較大，在開邊界約為30 0 0m。低洼區(qū)域局部及水道內(nèi)網(wǎng)格較小，為1 0～2 0m。工程前計算域共計生成計算節(jié)點(diǎn)3 03 3 0個，網(wǎng)格5 83 3 5個。局部網(wǎng)格見圖6。

2.4 參數(shù)選取

3.1 模型驗證

采用研究水域的潮位和潮流的實測觀測資料，對模型進(jìn)行驗證，從而評估模型的可靠性。驗證資料選擇2 0 2 2年7月1日8： 0 0至2 0 2 2年7月2日1 0： 0 0（大潮）以及2 0 2 2年6月2 2日1 2： 0 0至2 0 2 2年6月2 3日1 4： 0 0（小潮）期間，自然資源部第二海洋研究所最新水文測驗期間獲取的包括1個測站潮位資料及5個潮流測站完整的包括大、小潮周期的流速、流向野外觀測資料進(jìn)行驗證，水文測站位置圖1已給出。

3.1.1 潮位驗證

潮位站潮位驗證結(jié)果如圖7，大潮和中潮期間模擬計算潮位與實測潮位擬合得較好，最高、最低潮位誤差較小；相對而言小潮的模擬潮位與實測潮位之間誤差較大，但總體上模擬潮位能夠反映實際潮位變化。

3.1.2 潮流驗證

從漲落急時段的流向變化來看，往復(fù)流特征明顯，各點(diǎn)流向的變化趨勢上擬合較好，表明模擬結(jié)果反映了研究區(qū)域及周邊真實潮流運(yùn)動特征，基本上滿足對沖淤數(shù)值模擬及預(yù)測研究的開展。潮流驗證結(jié)果選擇潮灘內(nèi)C 1測站與潮灘海域C 4測站進(jìn)行展示，如圖8、圖9所示。

3.1.3 含沙量驗證

在大部分時刻，各測點(diǎn)的含沙量特征值和時間過程與實測值較為接近，泥沙數(shù)學(xué)模型能夠基本反映研究區(qū)域含沙量隨水動力條件的變化情況。含沙量驗證結(jié)果同樣選擇潮灘內(nèi)C 1測站與潮灘海域C 4測站進(jìn)行展示，如圖1 0、圖1 1所示。

3.2 短期實測沖淤驗證

圖1 2、1 3為灘涂低洼區(qū)域?qū)Я鳒祥_挖后開始自然回淤的2 0 2 2年4月實測水深圖（距導(dǎo)流溝開挖8個月）及模型預(yù)測得到的導(dǎo)流溝開挖8個月后水深圖和高程圖。從圖中可以看出，預(yù)測得到的沖淤結(jié)果與實測的沖淤地形較為符合，表明本模型較好地復(fù)演了導(dǎo)流溝開挖后低洼區(qū)域內(nèi)部的地形沖淤變化，沖淤模型可以用于后期的地形沖淤變化預(yù)測等各項工作。

3.3 設(shè)計工況及預(yù)測結(jié)果

設(shè)計3種工況如表1所示，涵蓋自然回淤及人工筑堤促淤的情況，修筑隔堤位置如圖1 4。

自然回淤情況下導(dǎo)流后洼地內(nèi)部整體呈現(xiàn)出淤積的狀態(tài)，在漲潮過程中，隨著水位升高外海高含沙量水體可以通過開挖的導(dǎo)流溝進(jìn)入到洼地區(qū)域內(nèi)，由于該低洼區(qū)域?qū)儆诎敕忾]狀態(tài)，水動力較弱，水體中泥沙迅速落淤至海床床面。水體含沙量減小后在落潮時刻又隨落潮退出至外海，因而自然回淤一定程度上促進(jìn)了灘涂海床沖淤環(huán)境的恢復(fù)。通過沖淤數(shù)值模擬（圖1 5）顯示最大淤積厚度可以達(dá)到7.8m，中心主通道內(nèi)最終淤積效果較差，研究區(qū)域內(nèi)部中心通道最大水深在-1 m左右，難以達(dá)到周邊灘涂區(qū)域的灘面高度。

人工修筑隔堤后，使得水體在落潮過程中緩慢流出低洼區(qū)域，這就使得水體中的懸浮泥沙有更長的時間可以沉降至海床，此外隔堤可以降低低洼區(qū)域內(nèi)部尤其是中心主通道內(nèi)的流速，避免已沉降至海床的泥沙再懸浮，提高淤積效率同時盡可能避免中心沖刷溝的形成。設(shè)計的兩個隔堤工況低洼區(qū)域內(nèi)中心沖刷溝基本消失，洼地內(nèi)部海床抬升形成高灘，洼地內(nèi)的海床沖淤回淤效果均較為明顯，如圖1 6和1 7所示。修筑高程+1m的隔堤，最終原本的低洼區(qū)域內(nèi)平均淤積厚度0.4 5m，最終區(qū)域內(nèi)部海床高程基本可以達(dá)到2.7m左右。修筑高程為平均低潮位-2.2 2m的隔堤，最終原本的低洼區(qū)域內(nèi)平均淤積厚度0.2 2m，最終區(qū)域內(nèi)部海床高程基本可以達(dá)到2.5m左右。

4 結(jié)論

利用實測數(shù)據(jù)采用M I K E 2 1FM模型建立杭州灣地區(qū)水動力模型，能夠客觀而準(zhǔn)確地反映杭州灣海域流場特征，與最新的現(xiàn)場實測資料進(jìn)行潮位、流速、流向及含沙量的驗證，并構(gòu)建該區(qū)域數(shù)值計算模型進(jìn)行短期實測沖淤驗證，使用驗證后的模型預(yù)測自然回淤與人工筑堤促淤情況下寧波杭州灣南岸低洼區(qū)域沖淤情況，同時繪制沖淤平衡后的海床高程圖，最終對得到的數(shù)值模擬結(jié)果分析得到：

（ 1）灘涂低洼區(qū)域以開挖導(dǎo)流溝的方式和洼地區(qū)域內(nèi)部貫通后，來自杭州灣高含沙量水體可以進(jìn)入到低洼區(qū)域內(nèi)，水體中泥沙迅速落淤至海床床面，洼地內(nèi)部整體呈現(xiàn)淤積，因而導(dǎo)流措施下海床環(huán)境自然泥沙回淤效果顯著。原本的低洼區(qū)域邊緣區(qū)域淤積厚度較為明顯，最大淤積厚度可以達(dá)到7.8m，中心主通道內(nèi)最終淤積效果略差，最終區(qū)域內(nèi)平均淤積厚度4. 2 1m。灘涂低洼區(qū)域?qū)Я鞴こ毯笤镜牡屯輩^(qū)域內(nèi)部回淤效果明顯，除溝槽外基本淤積至區(qū)域周邊灘涂區(qū)域的海床高度，因而自然泥沙淤積后在研究區(qū)域內(nèi)部可能在居中位置存在明顯的潮溝。

（ 2）采取人工筑堤促淤措施后，中心主通道內(nèi)水域淤積厚度均較為明顯。兩個隔堤方案達(dá)到?jīng)_淤平衡后原本的低洼區(qū)域中心沖刷溝基本消失，洼地內(nèi)部海床抬升形成高灘，能夠?qū)ν莸刂心嗌郴赜傩纬傻某睖蠀^(qū)域抬升起到顯著效果。

（ 3）從隔堤環(huán)境影響來看，平均低潮位-2.2 2m隔堤方案為透水結(jié)構(gòu)，而高程+1m隔堤方案為非透水結(jié)構(gòu)，而兩個方案最終海床平均淤積高度僅相差0.3 m，淤積效果卻相差不大。因此選擇修筑-2.2 2m隔堤對于洼地區(qū)域灘涂恢復(fù)效果最佳。

（ 4）綜合來看，采用以導(dǎo)流自然淤積為主，以修筑人工隔堤為輔的灘涂恢復(fù)手段，對于高含沙量海域低洼區(qū)域的泥沙淤積效果甚佳。

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