威海靖海湾港区张家埠新港建设对泥沙冲淤影响预测分析

(中国海洋大学 海洋地球科学学院,山东 青岛 266003)

山东威海文登市位于胶东半岛东部,其西阻于昆嵛山,与烟台市牟平区和乳山市相接,北连威海市环翠区,东邻荣成市,与日本、韩国隔海相望,南濒黄海。威海港张家埠老港区位于文登市境内的靖海湾内,虽然港内掩护条件较好,但航道口门即长会口处有拦门沙浅滩,使张家埠港区的功能逐渐衰退。为了促进文登市经济更好、更快地发展,有必要重新开辟新的港区。 通过对文登市岸线资源的综合分析,结合文登市城市的发展规划,在靖海湾内的前岛村处开辟新的港区。

本文主要研究张家埠新港建成后对海洋环境的影响,港区建设改变了原来的自然岸线和水域状态,使局部流场流速、流向也有所改变,海底泥沙将会重新分布。本文运用ECOMSED(水动力泥沙)三维模型模拟潮流、波浪(施加风)作用条件下工程周围海域海底地形的演化,对工程建成后的冲淤状况进行模拟,并对流场和浪场二者进行耦合,求得波浪和潮流共同作用下对海底的切应力,与沉积物临界起动剪切力比较,分析其冲淤变化。对于冲刷区域,选择适当的水深步长,迭代计算波流作用下的床面切应力,直到停止冲刷,预测冲淤平衡时的极限冲刷深度。

1 自然环境概况与工程概况

1.1 风、浪、流概况

研究区处于东亚季风区域,全年各向平均风速以NW～NNE向为最大(6.3～7.3 m/s),其中NNW向风速最大,为 7.3 m/s;S～WSW,WNW,NE向次之(5.0～6.3 m/s),其中SW向风速较大,为6.3 m/s;E、ESE向风速最小(3.6 m/s)。波浪以风浪为主,常浪向为 SSW 向,次常浪向是 SSE向,强浪向为 SSE向,次强浪向S向[1]。

本海区的潮流属于规则半日潮流,大潮期和小潮期平均流速相差不大,涨潮流速大于落潮流速,流速由表层至底层呈递减状态。最大流速不超过100cm/s,一般发生在表层,由表及底逐渐减小。余流较小,最大为5.1cm/s,最小仅为1.2cm/s,受岸边地形影响,近岸处为往复流;离岸较远处由于受岸边地形的影响较小,表现为旋转流的特征。

1.2 地形地貌特征

研究区位于靖海湾和五垒岛湾之间(图1),靖海湾为一浪控和潮控复合型海湾;五垒岛湾原为一干出海湾,高潮时海水漫淹,低潮时海底干出,全为滩地,由于近 30年来海水养殖的发展,海湾大部已被开辟为养殖池。里子岛以北海域地形比较复杂,特别牛心岛和近岸海底坡降较大,比降在 2‰～6‰之间,海底凸凹不平,常有暗礁突出海底;里子岛以东、牛心岛以南 3.0～5.0 m 等深线间比较平缓,比降为1.3‰;5.0～7.0 m之间比降为0.67‰。

本海域水下地貌并不复杂,大体分为 3个类型：(1)水下侵蚀台地及干出台地,主要为母猪石、长石栏及里子周围的岸岩干出礁及暗礁,是陆上残丘或台地向海延伸而突出海底部分,经长期海洋动力剥蚀而形成,其组成物质主要为变质岩或脉岩;(2)水下岸坡,主要分布靖海湾西侧和五垒岛湾南侧,地形近岸较陡,远岸较缓,主要组成物质为粉砂和砂质粉砂;(3)浅海平原,主要分布在7.0 m水深以深海域,由潮汐、潮流形成广阔平缓的堆积地形,组成物质以黏土质粉砂为主,是一种比较稳定的地貌单元。

图1 威海港张家埠新港区位置图Fig.1 The location of Zhangjiabu new port at Weihai

1.3 泥沙来源

工程所在区域为一半岛状基岩海岸,泥沙来源主要有3个方面：河流输沙、海岸侵蚀来沙、海底侵蚀来沙。其中以河流输沙为主。本海区的沉积物类型不多,主要为粉砂和砂质粉砂,沉积物中粉砂粒组占60%～80%。

1.4 工程概况

威海港张家埠新建港区位于靖海湾和五垒岛湾之间、前岛村处,行政区属泽库镇(图1)。

码头布置：自现前岛村端部建设宽 15 m,长5 750 m 的引堤(兼疏港道路,将来随着港口规模扩大,逐渐拓宽),考虑尽量减小对靖海湾和五垒岛湾水体交换的影响,在引堤1 879 m(自岸向海)开始采用透空式结构1 900 m,再向海仍采用斜坡实堤结构。

2 潮流场与地形地貌冲淤预测

新建港区建设改变了原来的自然岸线和水域状态。码头建设,引堤、围堰工程及航道疏浚工程的建设对局部流场流向有所改变[2]。新的岸线形成以后工程附近涨、落潮流向均有较小角度的变化。

2.1 潮流场变化预测

利用建立的研究区海域ECOMSED数值模型模拟新港建设前后典型时刻(涨急、落急)的流场。结果表明,现状岸线下涨急时流速在整体上流向表现为WNW向,流速在工程东侧的靖海附近海域较大,在0.8 m/s以上,在拟建新港北侧的靖海湾湾顶流速较小,流向近北向。落急时流速在外海上流向表现为ESE向,流速大小在0.6 m/s左右。泽库镇东侧的靖海湾顶的河口附近流速在0.8 m/s以上,流向为SSW;靖海角附近流速在0.8 m/s以上,流向近E向。流速在整体上表现为东部近岸海域流速大,西部近岸海域流速小。新港建设后,其附近海域流速变化较大,根据新港建设前后流场对比图(图2)可以看出,新的岸线形成以后工程附近涨、落潮流向均逆时针增加较小角度,流速依然较大,流速变化最大的地方位于防波堤和码头围填海位置处,最大改变约60cm/s。在引堤透空段,水动力条件增强,涨、落潮流速均增加约60cm/s。在码头南部外侧海域,由于岬角效应,涨、落潮流速均增加约50cm/s。在引堤实心段两侧和港池内部水域,由于非透水构筑物的阻挡,形成较弱的水动力环境,致使流速较工程前减小约30cm/s。

总体来说,新港建设仅对附近海区产生一定影响,在距其 1.5 km以外的海区水动力条件基本不变。

2.2 地形地貌冲淤数值模拟

研究利用沉积物取样分析、海流观测等方法,结合水深地形、工程地质、风速资料,运用ECOMSED三维模型模拟潮流、波浪(施加风)作用条件下工程周围海域海底地形的演化。

由于计算海域范围较大,水体中的泥沙很难在整体上达到平衡状态,为了研究拟建工程附近海区冲淤变化影响,将工程前后泥沙初始条件设为一致,并将工程前后的25 h地形变化进行比较,从而对工程区附近海域底形冲淤变化进行研究。模拟时选取了N,E,NE和NW风,风况为最大为8级风,大于6级风作用24 h情况下工程附近海域的蚀淤变化情况。

图2 新港建设前后计算潮流场差Fig.2 Current velocity variations before and after construction of the new port

根据模拟结果给出新港建设前后泥沙冲淤变化量(图3)。由图3可以看出,新港建成后其附近海区冲淤状况改变较大,其余海区改变较小,冲淤强度改变量值在-1.0～1.0 mm/d之间。冲刷加强的区域为引堤透空段和防波堤南侧区域,冲刷强度最大增加约1 mm/d;淤积加强的区域多集中在引堤实心段两侧,水动力条件减弱的区域。实堤段一(靠近陆地段)两侧淤积强度约增加 1 mm/d,实堤段二(离岸段)两侧淤积强度约增加 0.5 mm/d;其余海区冲淤改变量值较小,冲淤强度改变值在-0.2～0.2 mm/d之间。因模拟的是极端情况下的冲淤演变因此值较大,随着冲淤的进行会逐渐达到冲淤平衡,冲淤量会逐渐变小。

总体来说,新港建设主要影响附近的冲淤状况,对距其1.5 km以外的海区影响较小。

图3 泥沙冲淤变化图Fig.3 Changes of erosion and deposition

3 极限冲刷深度预测计算

3.1 计算原理

根据力学平衡原理,将波浪和潮流在海底产生的切应力耦合,与沉积物颗粒临界起动剪切力相比较,如果切应力大于临界起动剪切力,将继续冲刷,然后根据冲刷后的水深重新计算波浪要素,计算浪流切应力,不断重复上述计算过程,再次比较,直到切应力等于临界起动剪切力,停止计算,保留下此点的水深,即为极限冲刷深度。

在纯波浪时,最大底部剪切应力由下式[3]确定：

一个波周期内的波浪平均剪切应力是零,假定上式可适用于瞬时情况。则有

上式中,τwc为波流共存时的切应力;波流共存时的摩阻系数fwc已由fw代替;u为瞬时流速。据此可以计算出各网格点波流共同作用下的床面切应力。

曹祖德、唐士芳[4]利用波浪槽试验结果,推导出不同流态、泥沙粒径时的临界起动剪切力τb：

式中：ν为水体动黏滞系数;ρs为泥沙颗粒密度;ρ为水的密度;d为沉积物中值粒径。根据上述公式和沉积物分布中的中值粒径资料,计算出海域沉积物临界起动剪切力。

根据水深地形资料,首先利用数学模型计算出流场和浪场,再依次计算出各网格点波流共同作用时的床面切应力,与各点的沉积物临界起动剪切力比较,切应力大于临界起动剪切力就冲刷,反之则不冲。据此分别计算了25,50年一遇SSE,S,SSW向波浪和流共同作用下,新港建设后附近海域极限冲刷深度(图4)。

图4 SSE向波浪和潮流作用下冲刷等值线图Fig.4 The isocline of erosion imposed by SSE wave and current

3.2 极限冲刷深度预测结果

从图4中可以看出新港建成后,在透空段和防波堤南侧附近出现了几处冲刷区域,引堤实心段两侧,水动力条件减弱的区域发生淤积,与流速变化相对应。25年一遇波浪和潮流作用下,SSE向波浪作用下工程透空段冲刷深度为 2.1～0.1 m,防波堤南侧冲刷深度最大可达2.9 m,S向波浪和潮流作用下,工程透空段冲刷深度为2.1～0.1 m,防波堤南侧冲刷深度最大可达2.7 m,SSW向波浪和潮流作用下工程透空段冲刷深度为 2.0～0.1 m,防波堤南侧冲刷深度最大可达2.2 m;50年一遇波浪作用下,SSW向波浪作用下工程透空段冲刷深度为 2.1～0.1 m,防波堤外沿冲刷深度最大可达2.4 m,SSE向波浪和潮流作用下,工程透空段冲刷深度为 2.0～0.1 m,防波堤外沿冲刷深度最大可达3.5 m,S向波浪和潮流作用下,工程透空段冲刷深度为 2.0～0.1 m,防波堤外沿冲刷深度最大可达3.2 m。

4 结论与建议

1)威海港张家埠新港建设只对附近海域流场影响较大,导致局部流场发生改变。在引堤透空段,水动力条件增强,涨、落潮流速均增加约60cm/s。在防波堤南部外侧海域,由于岬角效应,涨、落潮流速均增加约50cm/s。在引堤实心段两侧和港池内部水域,由于非透水构筑物的阻挡,形成较弱的水动力环境,致使流速较工程前减小约 30cm/s。距其1.5 km以外的海区水动力条件基本不变。

2)威海港张家埠新港建成后周边海域冲淤状况改变较大,在其余海区改变较小,冲刷加强的区域为引堤透空段和防波堤南侧区域,冲刷强度最大增加约1 mm/d;淤积加强的区域集中在引堤实心段两侧和港池等水动力条件减弱的区域。但随着冲淤的进行会逐渐达到冲淤平衡,冲淤量会逐渐变小。

3)利用数值模型的潮流和波浪参数,预测拟建新港附近海域极限冲刷深度。计算发现,在引堤透空段和防波堤南侧附近出现了几个冲刷坑,预测最大冲刷深度发生在防波堤南侧,可达 3.5 m,发生在SSE向波浪和潮流作用下。此结果可以作为新港冲刷防护工程的设计依据。

[1]中国海湾志编纂委员会.中国海湾志,第三分册(山东半岛北部和东部海湾)[M].北京：海洋出版社,1991.

[2]常瑞芳.海岸工程环境[M].青岛：中国海洋大学出版社,1997.

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

[4]曹祖德,孔令双,焦桂英.波、流共同作用下的泥沙起动[J].海洋学报,2003,3：113-119.