大连长兴岛北港区自然条件分析与泥沙淤积计算

麦 苗，郝青玲，李孟国，李文丹

（1.交通运输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；2.海军南海工程设计院，湛江524003）

大连长兴岛港区位于辽东半岛大连市渤海一侧海岸线的中段，属瓦房店市辖境，规划区域包括长兴岛、西中岛、凤鸣岛等3个岛屿或半岛，其中长兴岛为长江以北最大岛屿，工程位置如图1所示。其中北港区码头主要位于长兴岛西北岸的高脑子角和马家咀子之间，沿岸水深在-10～-20 m，为开敞水域。该港区主要服务对象是其后方的冶金及石化临港工业区，港区由东、西防波堤环抱形成单口门港池，港池水域面积约为430万m2。根据功能不同，港区总体分南北两区，港区南部马家咀子岸线布置为大宗散货和通用泊位区，北部岸线布置为油品码头区。通过针对长兴岛北港区自然条件与冲淤演变分析，为北港区规划方案的整体布局及后续原油和矿石码头的设计提供基础依据，优化港区规划方案［1-11］。

图1 工程位置示意图Fig.1 Sketch of engineering position

1 自然条件概况

（1）气温。据2004年12月～2007年11月海洋站气温资料统计，该区域全年平均气温为10.9°C，最高气温平均为13.9°C，最低气温平均为8.2°C。月平均气温12月至翌年2月较低，6月～8月较高。全年极端最高、最低气温分别为30°C和-15.6°C。

（2）风。工程海域常风向及强风向为NNE—ENE向，次常风向和强风向为S—WSW向，其频率分别占33%～34%和 26%～38%，最大风速分别为 32 m/s、24 m/s。

（3）热带气旋、温带气旋与寒潮。据1884年～1986年资料统计，影响渤海湾海域的热带气旋共发生93次，平均每年约有1次。多年来热带气旋主要发生在7月～8月。其中7月达42次，8月达36次，分别占发生频率的45%、39%，6月、9月发生较少。

影响工程海域的主要灾害性天气是12月至翌年3月发生的寒潮和温带气旋，温带气旋最大风速可达20 m/s以上。

（4）波浪。工程海域常波向为NE向，频率22.3%，次常波向SW向，频率13.5%，强浪向为N—NNE向。全年波向主要集中于NNE—NE向和S—WSW向，分别占频率33.8%、32.8%。实测最大波高为5.4 m（NNE向）、4.2 m（NE向），海域H1/10波高≥2.6 m出现的频率仅占0.7%。

（5）潮汐与潮流。该工程海域潮汐为不正规半日潮，相邻二次高潮和二次低潮潮高不等现象严重，该海域平均潮差为1.03 m，最大潮差为2.58 m，属于潮汐动力较弱的海区，该工程海域潮流属不规则半日浅海潮流，涨、落潮流为往复流性质。

该工程海域是辽东湾东侧岸海域涨潮流由南向北和向复州湾水域运动，以及落潮流由北向南、复州湾落潮水体下的海域，由于马家咀～高脑子角两岬角挑流，遮挡、掩护等作用，使其邻近水域涨落潮水流、泥沙运动变得复杂，其中，未受岬角掩护区域呈现涨潮流速大于落潮流速，大潮时平均涨落潮流速分别为0.67～0.85 m/s、0.46～0.75 m/s，垂线最大流速分别为 1.13～1.58 m/s、0.95～1.35 m/s，除岬角处外基本为落潮平均历时大于涨潮平均历时。受岬角掩护和影响区域呈现落潮流大于涨潮流的变化规律，涨落潮流除个别站外分别为0.36～0.53 m/s、0.37～0.62 m/s，垂线最大流速分别为 0.58～1.08 m/s、0.64～1.19 m/s，并且靠湾内岸侧流速稍小，同时落潮流平均历时大于涨潮平均历时。

（6）含沙量。该海域总体上含沙量不大，据2004年冬季和2005年夏季水文全潮的泥沙观测：大潮时涨落潮平均含沙量冬季分别为0.090 kg/m3、0.084 kg/m3，夏季均为0.004 kg/m3。2008年8月分别0.025 kg/m3、0.021 kg/m3。垂线平均最大含沙量冬季分别为 0.169 kg/m3、0.179 kg/m3，夏季分别为 0.007 kg/m3、0.005 kg/m3。2008 年 8 月分别达到 0.132～0.247 kg/m3、0.112～0.134 kg/m3。

（7）悬沙粒径及底质。海域悬沙d50平均为0.013 mm，为粘土质粉砂物质。该工程区域底质以砾石、粗砂、中砂、细砂、粉砂等物质组成。其中马家咀、高脑子角岬角附近为砾石、粗砂，两岬角间为中砂，靠岸侧多为粗沙、中砂，粒径相对较粗。高脑子角东侧底质主要为细砂、粉砂等物质，泥沙粒径相对较细。

2 岸滩演变与淤积计算

2.1 泥沙来源

（1）河道径流及输沙。进入工程区附近水域的河流主要为复州河，原称沙河，源自普兰店市同益镇北部铧尖以东，入海口位于瓦房店市三台满族乡西蓝旗、海岛、娘娘宫3个自然村的交界处。该河全长134 km，流域面积为1 638 km2，吴家屯水文站距河口21 km，控制流域面积1 071 km2，据该站1956年～1979年统计，多年平均径流量为2.63亿m3，最大年径流量为5.92亿m3（1964年），最小年径流量为0.48亿m3（1972年），最大与最小径流量之比可达12.3倍。径流年内分配不均，主要集中于6月～9月，汛期径流量占年径流量的70%～80%。由于该河短、坡降大、水量集中，其流域侵蚀的泥沙随径流下泄主要集中于河口附近，近些年由于其上游有松树水库、河口封堵进入复州湾的水道，使得湾内泥沙来源骤减。对工程水域泥沙淤积影响甚小。

（2）海域来沙。在正常的状况下，海域夏季潮流主要为北黄海潮波传入，该工程区水域水体含沙量仅在0.004 kg/m3左右，而冬季辽东湾内由于风浪作用，加强了泥沙搬运强度，其实测垂线最大含沙量仅在0.18 kg/m3以内，潮段平均含量仅为0.115 kg/m3以内。因此，泥沙搬运非常有限。

（3）海岸侵蚀和局部泥沙的搬运。海岸沿岸泥沙常年在风浪、潮流作用下侵蚀和邻近水域岸滩在波、潮作用下的搬运，是工程区域主要的泥沙来源，由于工程区邻近深水区，且岸线曲折，岬角与海湾相间，地形使波浪无法形成沿岸输沙的能力，因此由波浪掀沙带来的泥沙沙源有限，其主要来源应是岸滩泥沙在潮流运动携带下进入平静的港区淤积。

（4）岸滩水域海冰挟沙的搬运。冬季岸滩浅滩水域海水结冰，将其底面泥沙挟在其中，待其冰冻融化时，该结冰块随潮运动，其冰冻挟沙混入海水中沉积，造成淤积。

2.2 冲淤演变分析

马家咀——高脑子角工程海域水深图甚少，目前仅有航保部出版的1959年～1960年、1972年、1998年测量的水深图和天津海测大队2005年4月施测的水深图。仅对这几张海图水深等深线平面位置进行多年变化的比较，年度间季节变化尚缺资料还无法进行。历年间各时期水深-2 m、-5 m、-10 m、-20 m等深线变化见图2。

图2 工程海域岸滩历年等深线变化图Fig.2 Comparison diagram of water depth contour at engineering sea areas

由图2可以看到：

（1）工程水域水深-20 m、-10 m、-5 m等深线1960年～2005年间基本重合。其中1960年～1972年间似乎有冲刷的趋势，但从各等深线变化趋势看基本相同，且离岸愈远其变化的距离就愈大。考虑到多年来测量水深和定位技术的发展和精度的提高，等深线位置略有变化应认为该海床是基本不变的；

（2）长兴岛马家咀—高脑子角间水深地形局部呈现有冲有淤的变化，但总体维持在一定的活动范围。这反映了该凹岸段水深有一定的冲淤变化，但量有限，并极力维持这种稳定；

（3）马家咀和高脑子角附近底质有砾石（漂砾）存在，这种砾石的存在是山体突咀遭侵蚀或人为活动的结果。使得马家咀附近涨潮流方向上形成长条形水深小于-2 m的浅滩，该浅滩两侧坡陡，即使这样多年来其范围及形状都未发生改变，充分反映了其海床的稳定性。同样高脑子角北东向地形的变化也充分反映了其地形的稳定。

综上所述，该工程海域海床总体是稳定的，局部有冲淤变化，但仍维持其稳定状况。

2.3 港区淤积计算

采用考虑波浪作用的二维潮流泥沙数学模型TK-2D软件进行计算。模型计算范围，西边界至120°56′E，北边界至39°45′N，南边界至39°24′N，东边界至岸边，在葫芦山湾窄口处也设成开边界。计算域的东西距离为50.4 km，南北距离39.8 km，西边界至马家咀头部23.2 km。用不规则三角形网格剖分计算域，可较好地概括岸线和地形特征，并在工程海区的高脑子角与马家咀之间进行网格加密。模型的验证采用2004年冬季大潮、2005年夏季大潮和2008年夏季大、小潮4个潮过程，均对潮位、流速、流向过程进行了验证。同时，采用2008年夏季大、小潮2个潮过程对模型进行了含沙量过程验证。验证结果表明，潮位吻合很好，误差小于0.1 m；流速、流向在位相和数值上也吻合较好；含沙量值接近、位相基本相符；整个验证符合规范要求。

2.3.1 现状下的潮流泥沙场特征

在此基础上进行工程前计算，得到结果如下：

（1）流态：工程海区（高脑子角与马家咀之间）潮流场基本为顺着岛岸线的往复流，涨潮近东北方向，落潮近西南方向。涨潮时，涨潮水流受马家咀挑流作用后跨越马家浅滩到达岸边，然后顺岸边北上；落潮时，落潮水流顺着岸边流动经过马家咀离开工程区。受突出海岸的马家咀影响，涨落潮时均可形成局部回流，并受挑流的影响，落潮流速较大，形成局部强流区；（2）流速：大潮涨潮平均流速为0.25～0.85 m/s，最大流速为0.48～1.58 m/s；大潮落潮平均流速为0.37～0.75 m/s，最大流速为0.48～1.58 m/s；小潮涨潮平均流速为0.16～0.63 m/s，最大流速为 0.33～1.11 m/s；小潮落潮平均流速为0.32～0.60 m/s，最大流速为 0.56～1.04 m/s；（3）工程海区的含沙量很小，涨落潮平均含沙量小于0.03 kg/m3；（4）含沙量分布有从岸向外海逐渐减小的规律；（5）马家浅滩滩顶含沙量略高。

2.3.2 方案实施后潮流泥沙场变化

利用已经验证好的潮流泥沙场模型即可模拟各种工程方案实施后的潮流场和泥沙淤积，通过工程前后潮流场的计算结果比较，可以了解工程实施后的潮流场变化，从而对方案进行评价。图3、图4分别为各方案工程实施后的涨落潮潮流场。

图3 总体规划方案1实施后大潮涨、落急流态Fig.3 Flow field at max flood and ebb tide of general plan 1

图4 总体规划方案2实施后大潮涨、落急流态Fig.4 Flow field at max flood and ebb tide of general plan 2

由平面二维潮流泥沙数学模型计算可知，工程海区（高脑子角与马家咀之间）潮流场基本为顺着岛岸线的往复流，涨潮近东北方向，落潮近西南方向。受突出海岸的马家咀影响，涨潮时在马家咀北侧形成一个顺时针的回流区，使得在马家咀北侧附近的涨潮流为落潮方向，落潮时，受马家咀挑流的影响，落潮流速较大，是本工程海区落潮流速最大地区。同时，由于工程海区的2008年夏季含沙量很小，涨落潮平均含沙量小于0.03 kg/m3，含沙量分布有从岸向外海逐渐减小的规律。

表1 各方案实施后港池泥沙平均淤强与淤积量Tab.1 Average deposition thickness and amount of sedimentation in harbor basin 1

总体规划方案实施后，工程海区的总体潮流场仍为绕岛顺岛岸线流动的往复流；由于马家咀挑流作用不再明显，马家咀北侧不再存在环流现象；工程方案的东防波堤和马家咀起到挑流作用，主流线被挑离到了30万t级油码头和矿石码头的调头圆和航道区，使码头泊位区流速减小。东西防波堤之间的内港池流速明显减小，内港池内涨潮存在环流现象。

总体规划的各部位泥沙年淤积强度在0.20 m以内；全港淤积量约80万m3/a，全港平均淤强0.10 m/a。

同时，还采用经验公式对港池的淤积量和淤强进行计算，经验公式如下

式中：M 为年淤积量，m3/a；A0为港池纳潮面积，m3；n 为一年的潮数，n=706；Δh 为平均潮差，m；Sy为年平均含沙量，kg/m3；α为泥沙沉降几率，取0.45；P为年平均淤强，m。

工程海域年平均水体含沙量，在缺少现场资料的情况下可按《海港水文规范》中的公式计算

式中：S1为平均含沙量，kg/m3；γS为泥沙颗粒的密度，kg/m3；为波浪水质点的平均水平速度，m/s；为潮流的时段平均流速，m/s；为风吹流的时段平均流速，m/s；为时段平均风速，m/s；H 为波高，m；C 为波速，m/s。

计算结果表明，内港池口门处年均含沙量为0.08 kg/m3，计算的港池平均淤强为0.04 m/a。由于港区内有回流现象存在，根据经验，实际淤积量应为没有回流现象的2倍左右，即港区平均淤强为0.08 m/a,与数学模型计算结果的0.11 m/a接近，与数学模型计算结果吻合。

经过比较，从潮流泥沙角度考虑，对比各规划方案以方案2为最佳。

2.4 骤淤分析

骤淤是海岸工程中人们较为关注的问题，是指短时间内，在特殊恶劣的大风浪天气下产生的淤积。由于底质泥沙在较强水流动力下容易起动、运移、淤积，因此较强的动力条件（如大风浪、台风等）是近岸工程可能发生骤淤的前提条件。

由于本区实测资料不足，尤其缺少大风天的实测含沙量资料，所以采《海港水文规范》（JTJ213-98）推荐的公式进行推算。采用工程海域50 a一遇波浪要素代入计算，对应各方案港池航道的24 h骤淤厚度均小于1 cm，表明本工程没有骤淤问题。

3 结论

在对工程海区自然条件分析的基础上，运用考虑波浪作用的潮流泥沙模型，对工程造成的流场变化和泥沙淤积进行数值模拟研究。工程海域水深地形长期以来处于基本稳定状态，总体规划方案实施后，码头泊位区流速减小，东西防波堤之间的内港池流速明显减小；内港池内涨潮存在环流现象。各区域泥沙年淤积强度在0.25 m/a以内；全港淤积量80万m3/a，全港平均淤强0.10 m/a，没有泥沙骤淤问题。

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