枸杞岛防波堤工程数值模拟及泥沙回淤研究

柯杰，陶爱峰，李瑞杰，宋晓波，肖千璐

（1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京210098；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；3.河海大学环境海洋实验室，南京210098）

枸杞岛防波堤工程数值模拟及泥沙回淤研究

柯杰1，3，陶爱峰1，2，李瑞杰1，3，宋晓波1，3，肖千璐1，3

（1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京210098；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；3.河海大学环境海洋实验室，南京210098）

岛屿附近海域水动力和泥沙运动规律以及工程实施后引起的变化都具有复杂性和独特性。文章通过建立多重嵌套式二维潮流泥沙数学模型，对枸杞岛拟建防波堤工程所引起的潮流场、含沙量场以及海床冲淤变化进行了分析和预测。研究表明，拟建工程没有改变大范围海区的水沙环境，仅会引起岛屿周边水动力的减弱，海床演变以淤积作用为主，淤积强度在0.1～0.3 m/a。

防波堤；潮流泥沙；数学模型；冲淤强度

舟山群岛，是中国沿海最大的群岛，有大小岛屿1 390个。枸杞岛位于舟山嵊泗列岛东部，长江与钱塘江入海口交汇处外围，距菜园镇30.6 km，陆地面积5.6 km2。地处于亚热带边缘海区，气候温和湿润，有明显的季节性变化，枸杞岛海域是嵊山渔场的一部分，岛周围浅海养殖条件优越，水深质清，潮流畅通［1-5］。现鉴于改善枸杞岛车渡码头的泊稳条件，拟在枸杞岛与西马鞍岛之间建设防波堤一座，以阻断外海波浪冲击力，维持水面平稳，保护码头免受坏天气影响。

防波堤工程可能会明显改变枸杞岛海域的水沙环境，给周边养殖生态环境带来不同程度的影响，可见研究防波堤工程对水沙动力环境的影响，具有重要意义。对于浙江嵊泗县岛屿海岸工程引起的水沙环境变化，前人做过不少研究。王义刚［6］等建立了基湖沙滩附近水域的潮流场和波浪场的数值模型，并研究了嵊泗县小金鸡防波堤工程和围海造地工程的实施对基湖沙滩所产生的影响。季荣耀［7］等在对嵊泗中心渔港海区已建工程影响下的水沙动力过程变化深入分析的基础上，利用波浪和潮流共同作用下的二维泥沙数学模型，对拟建工程引起的潮流场、含沙量场以及海床冲淤变化进行了分析和预测。

但此前研究区域主要集中在嵊泗本岛附近海域，对于马鞍列岛海域工程建设所带来的水沙环境影响研究不多。本文主要通过建立枸杞岛近岸海域的潮流泥沙数值模型，比较防波堤工程前后的水沙环境的变化，并计算泥沙的冲淤情况，从而分析枸杞岛防波堤工程对枸杞岛海域的水沙环境的影响。

图1 工程研究区示意图Fig.1 Schematic diagram of engineering research area

1 工程海区水沙运动特征

枸杞岛海区潮波运动是以M2分潮为主的东海前进波系统控制，潮振动主要是由太平洋潮波引起的协振动形成。西北太平洋的半日潮波以东南—西北向传入嵊泗列岛附近海域，进入研究海区。工程海域属于不规则半日潮浅海潮流类型，潮流较弱，流速较小。涨潮最大流速出现在高潮前约2 h，落潮最大流速出现在低潮前约2 h，本海区潮波接近前进波。流向受本区域众多岛屿的制约，流态较为复杂，海域3个测站的海流是以往复流为主并伴有旋转性质的混合流态。

根据资料，工程海域垂线平均含沙量介于0.037～0.096 kg/m3，且落潮含沙量大于涨潮含沙量。含沙量在潮时上的分布情况一般为，大潮的含沙量最高，中潮次之，小潮的最小。从各站底质泥样的颗粒组成情况显示，各站点的沉积物有粘土质粉砂、粉砂质粘土两种类型。悬沙与底沙粒径属于同一量级，反映本海区的淤积主要是悬沙淤积。

图2 大、中、小范围计算区域Fig.2 Large，middle and small computational scope

2 二维潮流泥沙数学模型及验证

2.1 网格与模型参数

首先建立大范围模型（图2），计算区域包括长江口海域、杭州湾海域以及舟山列岛海域，用嵊山站绿华山站、大戟山站、杭州湾口站4个潮位站的实测资料进行潮位验证。中范围模型计算范围为嵊泗列岛海域，验证潮位采用3个实测站位（W1、W2、W3）的潮位观测资料和绿华山、嵊山2个海洋站的连续潮位资料。

小范围模型（图3）北起马鞍列岛中部海域，南至黄泽洋北部海域，西邻嵊泗列岛以东大部海域，东边界包含枸杞岛全部及嵊山岛西部，涵盖嵊山锚地所处海域，与南北两侧开边界相交。计算区域中包含海域面积约为359.59 km2。模型坐标系采用当地坐标。以三角形网格剖分计算区域，对工程区进行了局部加密，计算空间步长5～1 000 m，网格单元13 393个，网格节点7 007个。动边界处理采用“干湿”网格点法，用临界水深0.05 m作为“干湿”的判断标准。

2.2 模型的验证

模型起算时间为2013年4月13日00：00时，时间步长取为600 s，总计算时间为360 h。模型验证利用2013年的大、中、小潮实测水文泥沙资料。潮位测站（2个）、潮流测站（5个）如图1所示，潮流测站包含流速、流向、垂向含沙量，覆盖整个工程海域，适合本模型验证。受篇幅限制，此处仅给出W1潮位站和S1、S3、S5潮流测站的验证结果，如图3、图4所示。图5为工程海域工程前的冲淤验证结果，枸杞岛海域基本处于冲淤平衡，西马鞍岛北部海域处于轻微冲刷状态，与实测资料相吻合。计算值与实测值相差较小，过程吻合较好，表明模型能较好地模拟工程区附近海域潮流泥沙运动过程。

图3W1测站潮位验证图Fig.3 Verification of surface elevation process of W1 station

图4S1、S3、S5测站大潮流速、流向、含沙量验证图Fig.4 Verification of flow velocity，direction and sediment concentration of S1，S3，S5 station

3 拟建工程影响下水沙动力过程分析

3.1 潮流场变化分析

本研究给出了工程区附近海域的流场图，图6是工程区现状涨急和落急时刻流场图，图7是防波堤建成后涨急和落急时刻流场图。对比工程前后的潮流场可知，除工程区附近，防波堤对大范围海区的整体流态，并没有产生明显的影响和变化。

工程实施前，研究区涨急时刻的潮流主要是由SE向NW流动，潮流一部分通过枸杞岛和西马鞍岛之间的潮流通道，流速可达0.6～1.2 m/s，另外一部分通过西马鞍岛西边海域，流速在0.6～0.9 m/s，潮流在黄石洞岛附近，流速增大至1.2 m/s。落急时刻的潮流流向与涨急时刻潮流流向大致相反，呈往复流特征，落潮流速略小于涨潮流速。

图5 工程前冲淤强度验证图Fig.5 Verification diagram of erosion and deposition intensity before the reclamation project

图6 防波堤工程前涨急与落急流场图Fig.6 Flow field at flood and ebb strength of spring tide before the breakwaters project

防波堤工程建成后，涨急时刻潮流进入枸杞岛附近海域时，受到防波堤的阻挡，潮流直接进入西马鞍岛西边海域，使得流速明显增大，较现状最大增加0.1～0.15 m/s。而在防波堤北侧，由于防波堤的阻挡作用，潮流无法通过，流速减小为0.1 m/s左右。落急时刻，在西马鞍岛和黄石洞岛的北部海域，潮流流速有所增大，增值为0.07～0.12 m/s；潮流通过西马鞍岛西边海域，在防波堤南侧海域形成一个不太明显的逆时针旋转的小环流。

图7 防波堤工程后涨急与落急流场图Fig.7 Flow field at flood and ebb strength of spring tide after the breakwaters project

3.2 含沙量变化分析

由于枸杞岛防波堤工程实施后，改变了工程海区的潮流环境，含沙量也出现了相应的变化，但并未严重影响枸杞岛大范围海域的悬沙场。拟建防波堤工程实施后，含沙量的变化与流速的变化趋势基本一致：流速减小，水流的挟沙能力减弱，含沙量变小；流速增大，水流的挟沙能力增强，含沙量变大。黄石洞岛附近海域流速有小幅增加，泥沙含量也略微有所增加，增值为0.008 kg/m3左右；在靠近防波堤内外两侧的水域，流速减小，挟沙能力减小，含沙量降低，南北防波堤之间的减小值为0.04～0.06 kg/m3，含沙量浓度为0.01～0.03 kg/m3，而在防波堤外侧的减小值在0.01 kg/m3左右；在距工程较远的外海区，含沙量场工程前、后基本保持一致，维持在0.07 kg/m3左右。

3.3 海床冲淤变形分析

合理考虑不同波向代表波浪与潮流的联合作用，计算工程海域泥沙运动和年冲淤强度。防波堤建设引起的周边水动力条件和含沙量的变化，会对枸杞岛附近海域的海床冲淤产生一定的影响（图8）。研究表明，枸杞岛防波堤工程使得工程海区的水动力条件减弱，海床以淤积作用为主。工程实施1 a后普遍淤厚0.1～0.3 m；在两座拟建防波堤外侧和口门海区淤厚0.1 m左右，两侧部分海区淤厚较大，达0.3 m；南北防波堤之间的海区淤积强度较小，年淤积仅0.03 m左右；而在西马鞍岛北部海区，由于流速增加而呈现冲刷作用，年冲刷厚度0.3～0.5 m；黄石洞岛北部海区海床也处于略微冲刷状态，年冲刷厚度为0.1～0.3 m。

图8 工程后冲淤强度分布图（“-”为冲刷）Fig.8 Distribution diagram of erosion and deposition intensity after the breakwaters project

4 结语

针对嵊泗枸杞岛海岸防波堤工程，建立了多重嵌套式二维模型，对枸杞岛拟建防波堤工程所引起的潮流场、含沙量场以及海床冲淤变化进行了分析和预测。研究表明，枸杞岛防波堤的建设，对大范围海区的整体流态并没有明显影响，仅在一定程度上改变了工程海域周边的水沙环境。

拟建防波堤工程实施后，防波堤两侧水动力条件减弱，含沙量减少，泥沙落淤。工程实施一年后，防波堤区域海床普遍淤厚0.1～0.3 m，各种变化仅局限于防波堤工程附近海区，对外海养殖区影响较小。而靠近黄石岛附近海域，流速增大，海床局部出现冲刷。

鉴于岛屿海岸的水动力和泥沙运动规律极其复杂，建议进一步收集基础资料，尤其是波浪资料、台风暴潮作用下的含沙量资料等，以便于对岛屿海岸工程的持续深化研究。

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Numerical simulation of Gouqi island breakwater project and sediment siltation research

KE Jie1,3,TAO Ai⁃feng1,2,LI Rui⁃jie1,3,SONG Xiao⁃bo1,3,XIAO Qian⁃lu1,3
（1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098, China；2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China；3. Environment Marine Laboratory,Hohai University,Nanjing 210098,China）

The hydrodynamic and sediment transports around island coasts and the changes caused by coastal structures have their own complexity and uniqueness.On the basis of the multinest two⁃dimensional mathematical model for tidal currents and sediment transport,the changes of tidal current field,sediment concentration field and the seabed erosion and deposition caused by the Gouqi breakwaters were analyzed and predicted.Research results show that the hydrodynamic and sediment environment of large area has not been greatly affected after the imple⁃mentation of the proposed breakwaters,only the hydrodynamic conditions around the island changed obviously,and the seabed is deposited with a rate of 0.1～0.3 m/a.

breakwater;tidal current and sediment;mathematical simulation;erosion and deposition intensity

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2015）02-0121-05

2014-04-16；

2014-08-19

国家科技支撑计划项目（2009BAB47B08）；国家自然科学基金（41276017）；国家海洋局公益项目（201205005-2）

柯杰（1989-），男，湖北省黄冈人，硕士研究生，主要从事河口海岸泥沙研究。

Biography：KE Jie（1989⁃），male，master student.