温州浅滩二期促淤工程霓屿—小霓屿方案研究

孙决策，赵洪波，李孟国

（1.温州市瓯江口开发建设总指挥部，温州325027；2.交通部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

温州浅滩二期促淤工程霓屿—小霓屿方案研究

孙决策1，赵洪波2，李孟国2

（1.温州市瓯江口开发建设总指挥部，温州325027；2.交通部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

基于TK-2D软件建立了瓯江口海区波浪潮流泥沙数学模型，根据现场实测资料对模型进行了充分验证，对温州浅滩二期促淤工程中的霓屿与小霓屿之间不同的促淤方案进行了研究，并对促淤效果进行了比较。研究结果表明：小霓屿至霓屿间布设堤顶标高-7.0 m的潜堤与不布设潜堤相比，平均促淤厚度仅增加0.04 m，促淤量仅增加229万m3，促淤效果不明显。

潮流；泥沙；霓屿；促淤；瓯江口；温州浅滩

瓯江为山溪性河流，其出海口被灵昆岛分为南口和北口（图1）。瓯江口外岛屿林立，浅滩密布，滩槽交错，地形复杂。瓯江口外有温州浅滩、三角沙、中沙3大沙滩，有沙头水道、中水道、黄大岙水道、南水道、重山水道等几条水道，青山岛和状元岙之间存在一个深水区，龙湾和七里有温州港龙湾港区和七里港区；中水道—黄大岙水道是目前温州港的出海航道，在中水道和黄大岙水道之间有拦门沙浅滩。

温州浅滩是瓯江口外规模最大，发育最完善的拦门沙滩，位于灵昆岛与霓屿岛之间（图1）。温州浅滩围涂工程就是沿浅滩南北两侧建2条连接灵昆岛和霓屿的海上大堤（北堤顺浅滩0 m等深线，南堤为灵昆岛—小霓屿—霓屿堤），将浅滩人工围垦为陆地（图1），围垦面积达88 km2，目前14.5 km长的灵霓北堤和一期工程（21 km2）建设已经完成，二期围涂促淤处于科学论证阶段。

温州浅滩二期围涂区的滩面高程较低，霓屿—小霓屿之间是一个深槽，水深普遍在10 m以上，最深处接近25 m，因此二期围涂区开发成建设用地需要大量的土石方填筑。为减少回填工程量，节约建设成本，围涂开发需要采取必要的工程促淤措施，借助自然之力完成部分围涂。在二期围涂促淤研究中［1］已经论证灵霓南堤段（图1中的东南角至小霓屿）建成堤顶高程+0.2 m（85基面）是合适的，霓屿—小霓屿之间是否要建设潜堤是关键。

在河口海岸地区，引起泥沙运动的主要动力因素是潮流和波浪，“波浪掀沙、潮流输沙”被公认为是泥沙运动机制。目前考虑波浪潮流共同作用的泥沙数学模型被广泛采用［2-5］，通常的做法是通过波浪辐射应力、波流底切应力、波流挟沙力来考虑“波浪掀沙、潮流输沙”，因此该类泥沙模型涉及“四场”的计算，即波浪场、潮流场、悬沙场和底床冲淤场。本文建立了综合考虑多种因素的多向不规则波波浪场数学模型、考虑波浪作用的二维潮流场数学模型、二维悬沙场数学模型、悬沙底沙造成的底床冲淤数学模型，在充分验证的基础上，对温州浅滩二期围涂促淤工程中的霓屿—小霓屿之间促淤方案形式进行数值模拟研究。

1 基于TK-2D软件数学模型的建立

1.1 考虑波浪及其破碎作用的潮流数学模型

1.1.1基本方程及定解条件

连续方程

图1 瓯江口形势图Fig.1 Sketch of the Oujiang estuary

动量方程

式中：x、y为直角坐标系坐标；u、v分别为x、y方向的流速分量；g为重力加速度；ρ为海水密度；Nx、Ny分别为x、y方向的水平涡动粘性系数；t为时间；f为柯氏参数；ζ为相对xy平面的水面起伏；h为静水深；Sxx、Sxy、Syx、Syy为考虑波浪破碎的辐射应力张量的4个分量；Rxx、Rxy、Ryx和Ryy为破波波卷产生的切应力；τx和τy分别为波浪、潮流共同作用下的底部剪切应力矢量沿x、y方向的分量。

1.1.2 数值方法

在时间方向采用向前差分格式，空间偏导数采用不规则三角形网格有限差分格式离散［6］，即可得到显示格式差分方程。

1.2 二维泥沙数学模型

1.2.1 基本方程

式中：S为铅直方向积分的水体含沙浓度；Dx、Dy分别为x、y方向的泥沙扩散系数；FS为泥沙源汇函数或床面冲淤函数，按下面方法确定

式（5）中：S*为水体的挟沙力，一般采用根据现场资料的经验公式法或半理论方法确定；ω为泥沙沉降速度；α为泥沙沉降几率。本文采用经过现场实测资料得到的挟沙力公式［7］

式中：U为潮流流速；Uw为波浪水质点在床面的最大轨迹速度；g为重力加速度；ω为泥沙沉降速度；β为系

数，取0.4。

1.2.2 数值方法

时间偏导数用前差离散，空间偏导数用显式离散，对流项使用“迎风”格式离散［6］，即可得到显式差分方程。

1.3 底床冲淤数学模型

1.3.1 悬沙造成的底床冲淤基本方程

式中：ηs为悬沙引起的海底床面冲淤厚度；γ0为悬沙干容重。

1.3.2 底沙造成的底床冲淤基本方程

式中：ηb为海底床面底沙引起的冲淤厚度；γb为床面底沙干容重；qx和qy分别为单位时间内单宽底沙输移量qb沿x和y方向的分量，qb采用窦国仁公式。

用基于不规则三角形网格的有限差分方法显式离散式（7）和式（8），同时考虑悬沙和底沙的底床冲淤变化为ηs+ηb。

1.4 计算域的确定及网格剖分［1］

数学模型计算域西边界到瓯江的梅岙，北边界到乐清湾顶，南边界到北麂岛，东边界至121°30′经线，计算域的东西距离为90.4 km，南北距离85.7 km（图1）。用不规则三角形网格剖分计算域，考虑大小岛屿43个，最大空间步长（三角形网格最大边长）1138.97 m，最小空间步长（三角形网格最小边长）31.12 m，三角形网格节点73580个，三角形单元数142999个。数学模型的外海开边界由Chinatide软件计算提供［8］，波浪要素由波浪数学模型提供［9］。

1.5 模型验证［1］

采用2005年6月～7月的瓯江口内外大、中、小3个潮次的潮流测验资料对模型进行了潮流悬沙验证：潮位测站17个，大潮潮流悬沙测站19个（图1），中潮潮流悬沙测站16个，小潮潮流悬沙测站23个；使用2002年和2005年2次水深图的冲淤分析结果对温州浅滩冲淤和瓯江北口冲淤进行了验证。图2给出了部分测站的流速、流向和潮位过程的验证，图3给出了温州浅滩冲淤验证。各项验证均符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》［10］的要求。

2 霓岛—小霓屿不同工程方案潮流场及地形冲淤模拟计算

2.1 工程方案

图2 流速、流向和潮位验证Fig.2 Verification of flow velocity,flow direction and tidal level evolution

对霓岛—小霓屿2种工程方案进行了研究，即霓岛—小霓屿建设潜堤（堤顶高程-7.0 m，85基面）方案和不建设潜堤方案（现状），其与灵霓南堤段（图1中的东南角至小霓屿）建成堤顶高程+0.2 m（85基面）的潜堤组合成为二期促淤工程方案。

2.2 潮流泥沙模拟计算

采用上述经过验证的潮流泥沙数学模型对本工程方案进行模拟计算。计算考虑了瓯江口海区年均波浪影响、瓯江径流和输沙过程以及大、中、小潮不同潮型的组合情况。计算得出了方案实施后的潮流场和地形基本达到平衡时的冲淤变化结果。图4和图5分别给出了建设潜堤方案和不建设潜堤方案下的涨、落急潮流场，图6和图7分别给出了2种方案实施后的地形冲淤变化情况。

图3 地形冲淤验证（单位：m）Fig.3 Verification of deposition and erosion depths

2.3 潮流场变化分析

由图4和图5可知，总体上2个方案的涨落潮流场相差不大，但在小霓屿与霓屿间水域，建设潜堤方案的流速明显比不建设潜堤的方案大。这主要是因为前者在小霓屿与霓屿间布设了潜堤，使得进出围堤内的过水断面减小，增大了该处的流速。

2.4 地形冲淤变化及促淤效果比较

从图6和图7可知，灵霓大堤西侧潜堤建成后，2个方案

均具有一定的促淤效果。从淤积趋势看，2个方案在围堤内均形成了一定范围的淤积区，淤积分布为靠近潜堤水域大、向灵霓大堤方向渐小。该淤积分布除与潜堤阻水挡沙有关外，还与其所处位置的原始水深有关，即水深越大淤积也相应越大。

从促淤堤内的冲淤分布看，2个方案有所不同：（1）建设潜堤方案的淤积范围大于不建设潜堤方案；（2）建设潜堤方案在小霓屿与霓屿潜堤两侧形成了较大的冲刷，但促淤堤内的淤积范围大于不建设潜堤方案，前者中小霓屿与霓屿间受该处潜堤影响，产生了一定范围的冲刷（约2.0 m以上），后者基本没有冲刷产生。

从促淤效果看，根据计算统计出了2个方案至基本平衡后促淤堤内的平均淤积厚度，建设潜堤方案围堤范围内的平均淤厚为0.55 m，促淤量为3144万m3，不建设潜堤方案平均淤厚为0.51 m，促淤量为2915万m3。2个方案促淤量相差229万m3。

由此分析可知，建设潜堤方案促淤堤内淤积范围相对较大，但小霓屿与霓屿间的局部地形有所冲刷。不建设潜堤方案促淤堤内淤积范围略小，但内部基本没有冲刷影响。

图4 建设潜堤方案涨落潮流态图Fig.4 Flood and ebb flow vectors of the scheme with submerged dyke

图5 不建设潜堤方案涨落潮流态图Fig.5 Flood and ebb flow vectors of the scheme without submerged dyke

图6 潜堤工程方案冲淤变化量（“-”表示冲刷）Fig.6 Evolution of the scheme with submerged dyke

3 结论

采用潮流泥沙数学模型模拟计算手段，对温州浅滩二期促淤工程中霓屿—小霓屿建设潜堤方案与不建设潜堤方案的促淤效果进行了研究论证，得出以下结论：

（1）从水流角度来看，2个方案主要差异在小霓屿与霓屿间水域，建设潜堤方案的流速明显比不建设潜堤方案大，其原因是前者在小霓屿与霓屿间布设了潜堤，使得进出围堤内的过水断面减小，增大了该处的流速。

（2）2个方案均具有一定的促淤效果。从淤积趋势看，2个方案在围堤内均形成了一定范围的淤积区，淤积呈靠近潜堤水域大、向灵霓大堤方向渐小的分布。

（3）建设潜堤方案在小霓屿与霓屿潜堤两侧形成了较大的冲刷（最大可在2.0 m以上），不建潜堤方案中基本没有冲刷产生。建设潜堤方案在促淤堤内的淤积范围大于不建设潜堤方案。

（4）从促淤效果看，工程实施至基本平衡后，建设潜堤方案围堤范围内的平均淤厚为0.55 m，促淤量为3144万m3，不建设潜堤方案平均淤厚为0.51 m，促淤量为2915万m3。2方案促淤量仅相差229万m3，平均促淤厚度仅相差0.04 m。

参考文献：

［1］赵洪波，许婷，麦苗.温州浅滩二期促淤堤工程潮流泥沙盐度数学模型研究［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2010.

［2］李孟国.温州浅滩围涂促淤积工程泥沙数值模拟研究［J］.泥沙研究，2005（5）：5-12. LI M G.Numerical study on deposit-promoting schemes in the reclamation project of Wenzhou Shoal［J］.Journal of Sediment Research，2005（5）：5-12.

［3］李孟国.海岸河口泥沙数学模型研究进展［J］.海洋工程，2006，24（1）：139-154. LI M G.A review on mathematical models of sediment in coastal and estuarine waters［J］.The Ocean Engineering，2006，24（1）：139-154.

［4］李孟国，李文丹，时钟，等.田湾核电站海域潮流泥沙数值模拟研究［J］.泥沙研究，2008（4）：16-23. LI M G，LI W D，SHI Z，et al.Numerical modeling of tidal current and sediment movement in the coastal area near Tianwan Nuclear Power Station［J］.Journal of Sediment Research，2008（4）：16-23.

［5］郑敬云，李孟国，麦苗，等.温州状元岙化工码头工程潮流泥沙数模研究［J］.水道港口，2008，29（4）：259-261. ZHENG J Y，LI M G，MAI M，et al.Mathematical modeling of tidal current and sediment on the chemical dock project of Zhuangyuan′ao Harbor of Wenzhou Port［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008，29（4）：259-261.

［6］李孟国.三角形网格在水动力水环境数学模型中的应用［J］.水利水运工程学报，2001（3）：59-64. LI M G.Application of triangular mesh in mathematical models of hydrodynamics and hydro-environment field［J］.Hydro-Science and Engineering，2001（3）：59-64.

［7］郑敬云，李孟国，麦苗，等.瓯江口水文泥沙特征分析［J］.水道港口，2008，29（1）：1-7. ZHENG J Y，LI M G，MAI M，et al.Hydrographic and sediment analyses of the Oujiang estuary［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008，29（1）：1-7.

［8］李孟国，郑敬云.中国海域潮汐预报软件Chinatide的应用［J］.水道港口，2007，28（1）：65-68. LI M G，ZHENG J Y.Introduction to Chinatide software for tide prediction in China seas［J］.Journal of Waterway and Harbor，2007，28（1）：65-68.

［9］李孟国，刘百桥.瓯江口海区波浪数学模型研究［J］.水道港口，2001，22（1）：1-8. LI M G，LIU B Q.Numerical study on the wave field in Oujiang Estuary［J］.Journal of Waterway and Harbor，2001，22（1）：1-8.

［10］JTJ/T233-98，海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程［S］.

Study on schemes between Niyu and Xiaoniyu in phase II deposit-promoting project of Wenzhou Shoal

SUN Jue-ce1，ZHAO Hong-bo2，LI Meng-guo2
（1.General Headquarters for Exploitation&Construction of Oujiang Estuary in Wenzhou，Wenzhou 325027，China；2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment of Ministry of Communications，Tianjin 300456，China）

In this paper，tidal current and sediment mathematical models of the Oujiang estuary were developed based on TK-2D software.On the basis of sufficient verification against in situ data，studies were carried out on different schemes between Niyu and Xiaoniyu in phase II deposit-promoting project of Wenzhou Shoal，and comparisons were also made from the point of view of deposit-promoting effect.The study results show that，according to the comparison of the schemes with and without submerged dyke between Niyu and Xiaoniyu，the deposit-promoting effect is not obvious with only 0.04 m increase in thickness and only 2.29×106m3in sediment quantity.

tidal current；sediment；deposit-promoting；the Oujiang estuary；Wenzhou Shoal；Niyu

TV 148+.1；O 242.1

A

1005-8443（2010）05-0438-06

孙决策（1977-），男，工程师，硕士，从事水环境与水生态研究及水利工程建设管理工作。

Biography：SUN Jue-ce（1977-），male，engineer.