电厂取排水工程对淤泥质海床演变的影响研究

陆 琴，邓安军，王崇浩

（中国水利水电科学研究院，北京100048）

拟建的某电厂循环水系统采用海水一次循环，直流供水，单机取水流量为62.7 m3/s。海域工程包括循环水系统的进水渠构筑物、排水构筑物、防波堤、护岸以及核电站专用装卸码头、港池等。电厂取排水工程的建设，将影响工程海域附近的潮流流态和海床演变。文中通过对某电厂的实测资料进行分析以及模型试验，研究了天然条件下淤泥质海床的演变及电厂取排水后工程海域的海床演变趋势。

1 海域和工程情况

1.1 海域动力条件

工程海区总体上呈不规则半日潮，一日内出现2次高潮和2次低潮，资料统计分析表明，潮位（当地基面）特征值为：历史最高潮位3.19 m，历史最低潮位-2.27 m；平均高潮位0.52 m；平均低潮位-1.02 m；最大潮差4.36 m；平均潮差1.54 m，平均涨潮历时5 h 50 min，平均落潮历时6 h 35 min。本海域潮流为往复流，NW向涨潮流最大流速在0.43～0.58 m/s，SE向落潮流最大流速为0.116～0.166 m/s［1-3］。

波浪以混合浪为主，且涌浪成份较多。年出现频率最多的波向为SE（21.9%），次之为SSE（18.4%），SWNNW各方位的波浪出现的频率较少，其总出现频率不足8%；海域H1/10波高介于0.5～1.4 m较多，H1/10的年平均值约0.6 m。

1.2 海域泥沙条件

工程海域海水含沙量较小，悬沙主要由粉砂质粘土和粘土质粉砂组成，海床主要为淤泥［2］。通过分析海域14个连续测站冬、夏季的大、中、小潮期调查资料，悬沙含沙量有如下特点［4-5］：（1）夏季含沙量小于冬季含沙量，冬季波浪掀沙作用明显，悬移质泥沙较粗，而夏季主要受珠江口下泄径流的影响，悬移质泥沙较细。夏季大、中、小潮测站的平均中值粒径为0.006 8 mm，而冬季为0.011 1 mm，且冬季大、中、小潮悬沙中值粒径变幅较小，中值粒径在0.01 mm左右，而夏季中值粒径变幅较大，中值粒径在0.005～0.01 mm。（2）大潮的平均含沙量远大于中潮和小潮的平均含沙量，而中、小潮期平均含沙量相差不多，冬季大潮含沙量平均值为0.015 6 kg/m3，中、小潮含沙量平均值分别为0.007 7 kg/m3、0.007 1 kg/m3；夏季大潮含沙量平均值为0.011 4 kg/m3，中、小潮含沙量平均值分别为 0.009 4 kg/m3、0.007 5 kg/m3。

厂区表层底质主要为粉细砂和中粗砂。附近海域地貌上属于滨海相沉积地貌，海床地形平缓。泥沙垂线平均级配曲线相差不大，中值粒径一般在0.032 mm附近，平均中值粒径为0.032 mm［1］。

2 天然海域海床的演变

本文所用资料为2006年出版的工程海域海图（实际测量年份为1964年）和1997年实测海床地形图。由于海图数据较少，插值误差较大，所以将海图上有高程标注的点摘出来，并根据坐标在1997年实测地形上查找相应的海床高程，对比分析1964年与1997年海床的冲淤演变情况。分析结果见图1，图1为北京坐标系，数字表示淤积厚度。从图1可以看出各测点海床均发生泥沙淤积，淤积厚度在0.13～0.78 m，多数测点的淤积厚度在0.4 m左右，所有测点平均淤积厚度为0.31 m，年均淤积厚度约0.009 m，所以长期来看，海域海床处于微淤状态［1］。

3 修建港池等海域工程后海床的演变

3.1 工程布置

海域工程总体布置为西侧取水，东侧排水，取排水口相距约2 km，平面布置见图2。港池由东、南、西防波堤等围成，港池口门朝西，口门宽约300 m，池底部高程为-9 m。

电厂排水隧洞共6条，隧洞总体布置形式为一机一洞，均为有压隧洞，内径5.6 m，洞底高程均为-8.0 m，1#和2#，3#和4#，5#和6#隧洞都为平行布置，相距约20 m。

3.2 修建港池等海域工程后海床的演变

图3为工程前后海域的冲淤演变情况，图中黑色表示淤积，颜色越深，淤积厚度越大；白色表示冲刷，但不能表达冲刷深度。总体来讲，由于防波堤的修建，使得港池以内海域水流流速减小，港池发生淤积，港池以外海域水流更为集中，海域附近发生较大的冲刷，并且受防波堤影响越大的区域，冲刷强度越大，受防波堤影响越小的区域，冲刷强度越小，甚至发生淤积。具体来讲：（1）在修建防波堤后港池内呈淤积状态；（2）在港池口门以外的区域（Ⅰ区域），也发生了少量淤积，除了在南防波堤下方，由于堆积造成大量淤积外，其他区域淤积厚度一般在0.5 m以内，平均约为0.2 m；（3）在东、南防波堤附近，防波堤的修建使水流更为集中，所以发生了明显的冲刷，离防波堤较近的Ⅱ区，冲刷强度最大，冲深一般在0.6～1.0 m，在离防波堤较远的Ⅲ区，冲刷深度减小，为0.2～0.6 m，在离防波堤较远的Ⅴ区，受防波堤束水导流作用已很小，冲刷深度一般在0.2 m以下，一些区域还发生微淤，平均淤积厚度不到0.1 m，在Ⅴ区以东，距东南防波堤更远，防波堤影响已很小，在Ⅵ区，海床有冲有淤，总体表现为微淤，平均淤积厚度约为0.04 m；（4）防波堤的影响主要在东南区域，而对西侧及西南区域影响较小，在Ⅶ区海床一般都发生不同程度的淤积，淤积厚度一般在0.1 m左右，最大淤积厚度约为0.4 m，平均淤积厚度约为0.15 m，这主要是由于在防波堤附近的冲刷使得带往防波堤西南海域的泥沙增多，导致泥沙淤积增加。

为了进一步分析工程海域的海床演变，将工程前后地形等深线套汇进行比较（图4），图4中黑边框为测图边界（或者海床水边界），从北向南分别表示为8 m、9 m、10 m及11 m等深线，其中实线为工程后海床等深线，虚线为工程前海床等深线。从图4上可以看出，总体来说，在防波堤以东海域，等深线内移（向海岸一侧移动），即海床发生冲刷，并且8 m、9 m等深线内移距离较大，10 m等深线稍有内移，而11 m等深线变化不大；在防波堤以西海域，等深线主要表现为外移（向深海一侧移动），即海床发生淤积，变化幅度与以东区域等深线外移幅度相反，即8 m等深线变化不大，9 m等深线外移距离较大，而10 m、11 m等深线外移距离最大。

综上所述，修建防波堤等工程后，由于防波堤的束水导流和导沙作用，使得海域防波堤东南侧发生明显冲刷，冲刷起来的泥沙被涨潮流带向西南侧海域，并且这时水流扩散，挟沙能力下降，泥沙发生淤积，所以港池外西南侧附近海域仍发生淤积。

根据波浪潮汐模型试验理论［7-8］进行了模型试验研究，模型试验［1］表明，淤泥质海床在修建防波堤等工程后，海床变化速度较快，而在工程修建后地形的基础上进行试验，海床继续发生冲刷，但冲刷速度较慢，研究范围内年平均冲刷深度在0.02～0.04 m。

4 电厂取排水后海床的演变

6台机取水后，取排水流量为376.2 m3/s，由于工程尚未运行，没有取排水后海域的海床资料，本文通过物理模型试验［1］研究了取排水后海床的演变情况。试验的初始地形是工程后海域实测地形，试验水沙条件采用实测半月潮，试验时间为1 a。

试验表明，由于排水口排水出流及东、南防波堤的束水导流作用，排水口附近和东、南防波堤外侧附近海床发生不同程度的冲刷，而港池的西南侧海床变化不大。具体来讲：（1）在排水口附近发生较大冲刷，形成明显的冲刷坑（图5），图5中颜色越深，表示冲刷越多，在1～6#排水口前都分别形成1个冲刷坑，并且相互联结，6个冲刷坑形状相似，都呈椭圆形，冲刷坑最大深度约2.5 m，冲刷坑长度约100 m。冲刷深度在0.2 m以上的区域也呈椭圆形，长轴约600 m，短轴约130 m，面积约55 000 m2。而在椭圆以外的区域冲刷深度一般小于0.2 m，一般距排水口距离越大，冲刷深度越小。（2）除了排水口附近发生较大局部冲刷外，港池以外其他区域海床总体来说仍发生冲刷，但最大冲刷深度一般不超过0.2 m。通过一些断面地形比较，在排水口附近的一些断面，电厂取排水后冲刷幅度较不取水时大，且越靠近排水口，冲刷越多，在港池口门西侧，取水和不取水时海床冲淤变化基本一致。

5 结论

对于淤泥质海床，天然条件下，海域处于微淤状态，年平均淤积厚度约0.009 m；修建防波堤等港池工程后，防波堤的束水导流和导沙作用使得海域防波堤东南侧发生明显冲刷，最大冲刷深度一般在0.6～1.0 m，且距防波堤越远，冲刷深度越小，冲刷起来的泥沙被涨潮流带向工程西南侧，并在工程西南侧附近海域发生淤积。电厂取排水后，主要在排水口前发生较大冲刷，分别形成1个冲刷坑，6个冲刷坑都呈椭圆形，冲刷坑最大深度都在2.5 m左右，长度约100 m，取排水对外海其他区域影响较小。

［1］邓安军，陈建国.阳江核电站泥沙运移、海床演变物理模型试验研究［R］.北京：中国水利水电科学研究院，2009.

［2］杨景飞.广东阳江核电站1989～1990年观测资料海流分析成果报告［R］.天津：国家海洋信息中心，1998.

［3］徐锡祯.阳江核电站海域海流、水温、盐度和泥沙分析报告［R］.广州：中国科学院南海海洋研究所，1998.

［4］JTJ213-98，海港水文规范［S］.

［5］中国水利学会泥沙专业委员会.泥沙手册［M］.北京：中国环境科学出版社，1989.

［6］钱宁，万兆惠.泥沙运动力学［M］.北京：科学出版社，1983.

［7］窦国仁.河口海岸全沙模型相似理论［C］//窦国仁.窦国仁论文集.北京：中国水利水电出版社，2003.

［8］SL155-1995，水工（常规）模型试验规程［S］.