台州港黄礁港区悬沙输移规律研究

何 杰 ，辛文杰

（1.南京水利科学研究院河流海岸研究所，南京210024；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京210024）

规划的台州港黄礁港区位于浙江省东部沿海中部台州市路桥区大港湾海域，北与椒江河口南翼毗邻，东与台州列岛和上、下大陈岛隔海相望，南与台州温岭境内的积谷洋海湾峡道通连（图1）。大港湾水域由黄礁山、白果山、道士冠、北江山等岛群环抱，湾内水域宽阔且掩护条件较好，后方有大片滩涂，大港湾湾口距10 m等深线不到10 km，合理开发可形成一个优良的大型港湾。

大港湾水域具有潮差大、潮流中等偏弱、水体含沙量低的特点。海床床面主要由细颗粒泥沙组成，属于淤泥质海岸，平常水情下床沙不易启动、海床不易发生较大幅度的冲淤变化，是建港的有利条件。从大港湾所处的地理位置来看，造成湾内泥沙回淤的沙源主要分为前方和后方两部分，前方泥沙通过口门输送进入湾内，后方泥沙则为近岸的大片滩涂。大港湾港池开挖后，有必要研究港池的泥沙回淤状况及港池回淤的泥沙来源。据文献［1］调查，大港湾水域的泥沙输移以悬沙为主。含沙水体随潮流运动，摸清沙源位置和悬沙随潮流的运动路径，通过相应的整治工程，可有效减轻港池泥沙回淤［2］。本文采用平面二维潮流悬沙数学模型，在对海区实测水文资料验证的基础上，模拟了现状海域的潮流泥沙运动特点。通过数学模型模拟港池水域的潮流泥沙运动过程，分析港池泥沙运动的特点，通过工程治理，达到了减轻港池泥沙回淤的目的。

图1 大港湾示意图Fig.1 Sketch of Dagangwan bay

1 平面二维潮流泥沙数学模型概况

1.1 潮流泥沙运动控制方程

大港湾水域水深较浅、水面较宽，可采用平面二维潮流泥沙数学模型进行潮流泥沙运动模拟，本文采用交通部技术规程所推荐的ADI法求解［3］。在笛卡尔直角坐标系下，根据静压和势流假定，沿垂向平均的二维潮流基本方程可表述为

式中：u、v分别为垂线平均流速在x、y方向分量；U为流速的模；ζ为潮位；h为平均海平面以下水深；f为柯氏系数，f=2ωsinΦ，ω为地转角速度，Φ为当地地理纬度；g为重力加速度；s为垂线平均含沙量；η为冲淤厚度；γ0为床面泥沙干容重；Fs为冲淤函数，可用下式表示

式中：α为泥沙的沉降机率；ω为泥沙沉速；s*为水流挟沙率；uc为泥沙起动流速；uf为泥沙悬浮流速。

ADI法求解平面二维潮流泥沙数学模型的具体方法和关键技术可见文献［4］。

1.2 模型设计

根据大港湾所处的地理位置，模型计算域的北边界设在琅矶山以北5 km，南边界至积谷洋以南的牛山岛，南北方向长30 km，西边界设在大港湾的湾顶，东边界位于积谷山岛以东-16 m水深处，模型东西方向长24 km、南北向长30 km，模型控制面积为720 km2。大港湾和积谷洋湾周围众多岛屿如黄礁岛、北港山和南港山等均包括在计算域内。模型覆盖范围按边长为50 m的正方形网格，剖分出288 000（480×600）个计算单元，其中有效计算单元（指水域部分）约占4/5。模型外海及大港湾水域的水深取自新版海图，工程区域水深采用新测的1∶5 000水下地形资料。该模型曾对2008年的冬季大潮和2009年的夏季大潮过程分别进行了潮位、流速和水体含沙量过程的验证，具体验证情况可参见文献［5］。

2 工程计算方案

大港湾水域波浪发生次数较多，已开展的波浪数学模型研究［6］表明，大港湾口门的防波堤可有效减小港池水域的波浪影响。根据大港湾所处的地理位置，形成湾内泥沙回淤的沙源主要来自前方和后方两部分，前方泥沙通过东侧口门输送进入湾内，后方泥沙则为西侧近岸的大片滩涂。拟建港池位于黄礁岛一侧，为了减少口门输沙对港池的回淤，通过湾口东侧的防波堤工程抵御外海输沙的侵扰，这里简称防波堤方案（图2）；港池西侧浅滩的沙源通过围堰工程进行拦截，这里简称围堰方案（图3）。根据工程建设后的潮流泥沙运动数学模拟以及港池回淤的计算结果，比较2个方案的优劣。

图2 防波堤工程Fig.2 Breakwater project

图3 围堰工程Fig.3 Cofferdam project

3 水沙计算成果分析

3.1 水沙运动变化

图4和图5分别显示了防波堤方案和围堰方案实施后大港湾水域涨急时刻的平面流态，对比流态变化可知：港池水域开挖后流速有所减弱，防波堤口门处流速增加，最大流速达到1.8 m/s，南侧防波堤后方有回流存在，涨潮期间大港湾后方浅滩完全被水淹没；围堰方案实施后，围堰内包括港池开挖水域的潮流流速普遍减弱，平均流速在0.2 m/s左右，围堰后方的浅滩水域流速呈增加趋势，最大流速可达到1.5 m/s，这部分水流通过大港湾北侧的黄礁门水道和南侧的南港山水道进出。防波堤工程只改变了其附近水域的水动力条件，并未减小大港湾水域潮流流速。围堰工程实施后，大港湾水域流速普遍减小。大港湾水域流速的减弱将会使该水域床面泥沙活动减弱，水体含沙量减小，港池泥沙回淤将会随之减小。

图4 防波堤工程水域涨急时刻平面流态Fig.4 Flow pattern in harbor for breakwater plan

图5 围堰工程水域涨急时刻平面流态Fig.5 Flow pattern in harbor for cofferdam plan

防波堤工程实施后，港池开挖水域的水体含沙量在涨急时刻为0.10 kg/m3（图6），大港湾湾内以及湾西侧的浅滩水域水体含沙量较大，最大含沙量超过0.30 kg/m3；围堰方案形成后，大港湾大部分水域的水体含沙量在0.05 kg/m3以下（图7），与防波堤工程相比，大港湾水域的含沙量已下降很多，港池水域水体含沙量的减小对减轻港池泥沙回淤将十分有利。

3.2 泥沙回淤计算

图8和图9分别显示了2个工程方案实施后大港湾水域的海床冲淤分布，结合港池的淤厚统计（表1）可以看出：防波堤工程实施后，港池水域海床呈普遍淤积状态，港池西部半年淤厚超过0.80 m，港池其他水域半年淤厚也都在0.50 m以上；大港湾湾顶水域淤积仍较大，湾内部分水域的海床呈略微冲刷状态，大港湾周围岛屿附近仍呈微淤状态。围堰工程实施后，大港湾内海床的泥沙淤积分布比较均匀，平均淤厚在0.30 m左右，港池开挖水域的淤厚并未显著高于其他未开挖水域；围堰附近淤积稍大一些，而围堰后方即大港湾湾顶的淤积较大，冬季和夏季半年的淤厚均超过0.80 m/a。防波堤方案实施后，港池在冬季半年和夏季半年的淤厚分别为0.70 m和0.78 m，全年累计1.48 m。围堰方案实施后，港池在冬季半年的淤厚仅为0.27 m、夏季半年为0.30 m，全年累计为0.57 m。围堰工程实施后，港池的泥沙回淤仅为导堤方案的1/3，有效减轻了港池的泥沙回淤。究其原因，后方围堰可以阻挡大港湾内与周围水域的水沙交换，港池内潮流运动速度减弱，减缓了港池水域床面泥沙的搬运速率，尤其是挡住了大港湾西侧浅滩泥沙进入港池的通道，有效减轻了港池开挖水域的泥沙回淤。

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

图6 防波堤工程水域涨急时刻水体含沙量分布Fig.6 Sediment distribution in harbor for breakwater plan

图7 围堰工程水域涨急时刻水体含沙量分布Fig.7 Sediment distribution in harbor for cofferdam plan

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

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

4 结论

防波堤方案和围堰方案实施前后的水沙运动变化和港池淤积的计算对比分析表明，防波堤工程仅改变了口门附近水域的潮流流态，大港湾大部分水域的潮流运动趋势仍维持原状。围堰方案使得大港湾内潮流运动速度普遍减弱，湾内水体含沙量降低到0.05 kg/m3左右，港池泥沙淤强减小到0.57 m/a，约为防波堤方案的1/3。综上可以看出，在口门布置双导堤工程，有利于波浪掩护，但防淤减淤的效果却不明显；围堰方案采取“固滩缩湾”的措施，一方面减轻了大港湾湾内床面的泥沙活动性，另一方面阻挡了近岸浅滩的床面泥沙进入港池的通道，从而有效减轻了港池的泥沙回淤。因此围堰方案可作为黄礁港区规划起步工程布置的基本方案。

［1］恽才兴.浙江台州港黄礁港区海岸动力地貌及岸滩稳定性分析［R］.上海：华东师范大学，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，海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程［S］.

［4］辛文杰.潮流、波浪综合作用下河口二维悬沙数学模型［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.台州港黄礁港区波浪数学模型与泥沙数学模型研究［R］.南京：南京水利科学研究院，2009.

［6］王登婷.台州港黄礁港区波浪数学模型研究［R］.南京：南京水利科学研究院，2009.