渤海湾围填海对三河口海域水动力及含沙量的影响

张鹏程，孙林云，诸裕良

（1.河海大学港口、海岸及近海工程学院，江苏 南京 210029；2.南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210024）

0 引言

海河流域三河流——永定新河、海河与独流减河于渤海湾西部及西北部入海，河口区水沙条件复杂，岸滩冲淤易变，泥沙问题一直是三河口研究的热点问题。本世纪以来，三河口两侧滩地被开发利用，一定程度改变了原有河口的自然状态，形成防潮闸和闸下通道的行洪系统，围填海工程的陆续兴建，对行洪通道内及邻近海域地形地貌、水动力场（潮流、波浪等）及泥沙运动会产生一定的影响。赵鑫[1]等发现围填海工程后渤海湾三大港邻近海域波浪动力呈减小趋势，孙连成[2]、刘仲军[3]等发现海河口南段、南港工业区海域工程的建设会使海域潮流动力减弱，以往对围填海工程前后海域水动力的研究大多着重于工程局部海域的精细模拟，整体变化研究较少；对三河口附近含沙量研究以潮流泥沙计算及卫片反演[4]居多，波浪动力的选择较为单一，由于工程建设的岸线变化，研究具有阶段性与时效性。对近阶段不同特征动力条件下三河口海域围填海工程前后水动力及含沙量进行分析，有利于推进河口行洪通道及邻近海域水沙特性的研究，对三河口行洪排涝能力论证及港池航道回淤计算有参考价值。

本次研究通过对渤海湾长期波浪资料的分级分向概化分析，应用MIKE21数值模拟软件分析海河流域三河口水动力环境的变化，并选用代表性经验公式，分别对围填海工程前后三河口海域含沙量的局部变化及渤海湾含沙量分布的整体变化进行探索分析，比较各公式计算值的同异性。

1 围填海工程前后水动力环境变化分析

1.1 模型准备

本次研究采用大小模型嵌套技术，大模型范围为大连—烟台一线以西整个渤海区域，小模型范围包括渤海湾及渤海中部海域。工程前后年限选取1997年与2013年，16年内海河口、独流减河口附近扩建了大沽沙港区、东疆港区、大港港区等码头工程，永定新河口北侧也新建了天津滨海旅游区、北疆电厂等填海工程。随着老航道航道等级的提高与新航道的开挖，港池航道配套设施例如防波堤、挡沙堤等也随之延伸，三河口附近地形地貌、岸线发生了较大变化，地形参见1.2节图1（基面为平均海平面）。

1.2 潮流动力变化分析

用于计算含沙量的代表水动力包括潮流动力与波浪动力，建立二维潮流数学模型计算渤海湾潮流动力要素，采用2013年10月大小潮水文实测资料进行验证，验证良好。潮流呈现往复流性质，工程前永定新河口海域平均流速约为0.20m/s，河口区流速分布呈现“通道高两侧低”的规律；海河口海域已受到天津港影响，平均流速约为0.18 m/s，流速分布呈现“北高南低”的规律；独流减河口海域平均流速约为0.25 m/s，流速梯度最高。工程后三河口通道区边界固化，在永定新河口东疆港区与滨海旅游区之间形成行洪通道，口门处潮流流向顺时针发生偏转且流速增大明显；天津港与南港之间近岸海域流速减小约0.05 m/s左右，南港南侧海域流速减小0.05～0.1 m/s，且涨潮流速减幅大于落潮。图1表示工程前后秋季大潮涨落急流场，工程后湾内纳潮面积缩小，工程附近潮差略升，近海海域流速略降，这与众多前人研究成果接近[2-3]，但同单个建筑物相比影响范围更大。

图1 工程前后渤海湾流场变化图Fig.1 Flow field variation in BohaiBay before and after reclamation

1.3 波浪动力变化分析

潮流动力的变化影响泥沙的输移净量与方向，而波浪携带的泥沙是造床泥沙的主要来源。采用Steijin提出的多个代表波法（MRW）[5-6]结合孙林云等提出的概化方法[7]分别对渤海湾两长期波浪观测站（7号平台、新港灯船站）波浪要素进行概化，分别概化为东北—东—东南三个方向向岸代表波，能够合理反映渤海湾四季的常浪向方向的变化，其中略去H1/10＜0.5 m的波浪。考虑到两站点的位置及三河口的波况略有差异，东北和东向的波浪要素以7号平台代表波、东南向的波浪要素以新港灯船站代表波为主分别进行模型率定与验证，见表1，此外，对渤海湾50 a一遇的风浪要素进行推算。

表1 三方向概化波要素Table1 Generalized wave factorsof three direction

建立二维风浪谱模型，采用输入风速风向的方式率定代表波，波浪底摩阻采用粒径场定义的摩阻因子，由于大范围建筑物的存在使岸线外推，波浪计算时考虑建筑物前的波浪反射作用。渤海湾风浪场总体趋势，自湾口向西逐渐减小形成“舌”状分布；工程后曹妃甸的突出甸头的遮挡效应使永定新河口海域在平常浪时波高减小，独流减河口海域建筑物较少，且地形变化缓和，波浪变化不明显；大浪况（H1/10＞1.5m）下防波堤、挡沙堤等建筑物前产生入、反射波叠加，建筑物前波高增幅普遍高于15%，但受建筑物掩护的地区例如海河口高沙岭港区防波堤波影区波高减小70%左右；极端浪况（50 a一遇）下湾口处受到一定影响。波浪动力较强时，东向波浪对三河口邻近海域影响最大且变化最明显，波浪动力较弱时，东南向波浪作用最为突出。图2反映大浪况下围填海工程对渤海湾地区波浪动力的影响，可明显发现波浪动力在建筑物前有所增强。

图2 渤海湾工程前后东向代表波波浪场变化Fig.2 East representativewave field variation in BohaiBay beforeand after reclamation

水动力条件的组合是含沙量分析的基础，根据潮流动力的大小与波浪动力的等级将相应的水动力要素组合分为常动力条件（大潮叠加H1/10＞0.5 m平常浪况）、强动力条件（大潮叠加H1/10＞1.5 m大浪况）、极端动力条件（风暴潮下大潮叠加50 a一遇浪况），其中，极端动力条件下潮汐潮流特性变化包括流速的陡增与风暴增水现象，风暴潮潮流动力要素参考1997年风暴潮潮型的数模计算结果[8]。

2 围填海工程前后三河口海域含沙量变化分析

2.1 挟沙力含沙量公式的选取

关于含沙量的计算，常规的方法包括现场测量、数值模拟、经验公式计算等。计算采用经验公式法，在渤海湾具有代表性的挟沙力含沙量经验公式有：刘家驹公式[9]、窦国仁公式[10]、孙林云公式[11]等，见表2，在动力条件匹配的情况，这些公式在淤泥质海岸的含沙量分析上均取得过良好的效果。

表2 淤泥质海岸典型含沙量经验公式Table 2 Typical SSC empirical formulasalongmud coast

2.2 三河口海域含沙量变化分析

三河口邻近滩地开发程度、建筑物布置形式不同，不同方向波浪动力对含沙量变化的敏感性也不同，由于东北向代表波对三河口海域含沙量影响较小，因此对局部海域动力及含沙量变化响应主要在东向与东南向代表波况下分析。三河口海域含沙量计算值均为不同动力条件下的特征含沙量，反映的是某一动力等级下的含沙量特征值，并非年含沙量概念；在极端动力条件下，刘家驹公式中的波流速采用对应的破波流速进行计算。

1） 永定新河口

永定新河口位于天津新港北侧，该地区存在大面积浅滩，且易形成浮泥，最大厚度超过2 m，风浪对永定新河口含沙量影响较大。表3反映永定新河口局部海域含沙量计算值（采用刘家驹公式），取样点在-2～-8m等深线处，其中工程后-2 m等深线（以下基面均为当地理论基面）已处于行洪通道掩护区域内，-4 m等深线位于行洪通道口。波浪等级相同时，东南向浪对永定新河口海域含沙量的影响最大，工程前在东南向浪作用下两侧滩地易形成高含沙量区域，河口含沙量梯度变化较为均匀。工程后渤海湾西北湾大部分海域的含沙量略微降低，永定新河口-2 m等深线内含沙量大大削弱，-2 m等深线外含沙量梯度上升，原高含沙量区向通道出口处移动。通道内含沙量沿轴线出现不对称分布，通道南侧含沙量大于北侧。北部滩地被沿岸工程占用，局部口门处由于水流流速增大而出现含沙量增大的现象。极端动力条件下，通道口门处含沙量增加较为明显，最大值达到1.5倍以上。

2） 海河口

表4反映海河口局部海域含沙量计算值（采用刘家驹公式），其中-6 m等深线接近防波堤。波浪等级相同时，东南向浪对海河口海域含沙量影响最明显，工程前由于北侧防波堤的存在，海河口含沙量呈现“北低南高”的趋势，工程后，海河口行洪通道位于大沽沙港区内，含沙量低于0.1 kg/m3；常动力条件下，防波堤外侧海域潮流、波浪动力均减弱，低含沙量等值线从深水处一直延伸至防波堤附近。

表3 永定新河口局部海域含沙量计算Table 3 SSC calculation in localarea around Yongding Estuary

表4 海河口局部海域含沙量计算Table 4 SSC calculation in localarea around Haihe Estuary

3） 独流减河口

表5反映独流减河口局部海域含沙量计算值（采用刘家驹公式）。波浪等级相同时，东向波浪对独流减河口海域含沙量影响最大，工程前由于河口浅滩的浅水效应及较弱的波高衰减在东向浪作用下河口易形成高含沙量区域；工程后，南港将渤海湾西部海域一分为二，河口附近高含沙量区消失，其北部狭小半封闭海湾受掩护含沙量降低；南部海湾沿岸建筑较少，含沙量变化不明显；防波堤前含沙量呈现弱动力减小，强动力增大的趋势。

三河口相邻较近，其地形地貌与动力环境都存在密切的联系，因而工程前三河口局部海域含沙量分布相似，-4 m等深线以外量值上基本接近。东向代表浪况下，独流减河口海域特征含沙量最高，永定新河口海域最低；东南向代表浪况下，永定新河口、海河口海域特征含沙量均处于较高水平。比较相同动力等级时三河口海域的最大含沙量情况，永定新河口含沙量最大，但含沙量梯度最小；独流减河口由于正对湾口，波浪动力强劲，浅水区含沙量也处于较高水平。

表5 独流减河口局部海域含沙量计算Table 5 SSC calculation in localarea around Duliujian Estuary

工程后，三河口浅水区建筑物布置复杂，其海域含沙量分布差别较大；在常动力条件下，永定新河口海域含沙量高于其它两河口，防波堤的阻水效应使得海河口-6 m等深线处、独流减河口-4 m等深线处含沙量明显减小；动力增强时，独流减河口防波堤外波浪壅高作用更强，其含沙量增幅高于海河口防波堤外。

不同公式及公式中参数的选择会影响含沙量的计算结果。工程后于永定新河口海域-2～-16 m等深线进行采样分析，图3反映了不同动力下不同公式的计算值（2013年，东向波浪，平均海平面）。比较三公式不同水深含沙量计算结果，含沙量均呈现从近岸向外海递减的趋势。常动力条件下，-6m等深线外三公式计算值较为接近，均在0.2 kg/m3以下；近岸处计算值差别较大，-1 m等深线附近刘家驹公式、窦国仁公式、孙林云公式计算值分别为 0.5 kg/m3、0.25 kg/m3、1 kg/m3。动力增强时，三公式计算值存在较大量值上的差别，孙林云公式计算值受水动力改变影响最明显，但三公式-14 m等深线附近计算值已较为接近。极端动力条件下，近岸区由于增水水位抬升，三公式近岸含沙量增幅较小，其中刘家驹公式、孙林云公式的计算结果反映出西北部湾-4m等深线附近出现的高含沙量带。

图3 基于不同公式计算含沙量对比Fig.3 Comparison of SSC calculation based on different formulas

2.3 渤海湾含沙量分布变化

单个或相邻建筑物对三河口海域含沙量影响的同时，近岸连片围填海建筑物在渤海湾近岸形成“刚性”边界，渤海湾的潮流动力、波浪动力及含沙量场有整体性的变化，这种变化主要体现在近岸海域、建筑物前海域及外海三个区域。图4为不同动力条件下渤海湾工程后刘家驹公式计算大潮代表含沙量场。

图4 工程后渤海湾大潮代表含沙量场Fig.4 Representative SSC fieldsat spring tideafter reclamation in BohaiBay

渤海湾含沙量梯度与岸线基本垂直，与地形等深线梯度基本一致，由湾口至近岸逐渐升高，其中东北浪况下渤海湾平均含沙量最大。常动力条件下大面积海域含沙量值均较低；近岸含沙量随动力的增强显著增大，但外海变化极小；极端动力条件下，外海含沙量升高明显，离岸20 km附近出现高含沙量带。

围填海工程建成后，弱动力条件下，由于沿岸连片建筑物对潮流流速及小波浪动力削弱，大部分海域出现含沙量略微降低的趋势；当动力增强时，近岸浅滩大多受工程掩护，含沙量呈减小趋势，建筑物前潮流流速虽减小，但入、反射波叠加，含沙量略高于工程前，而外海变化甚微；极端动力条件下，原高含沙量带向近岸扩张。

3 结语

1）本文建立数学模型，为含沙量经验公式提供水动力要素，进而分析特征动力条件下三河口海域围填海工程前后含沙量的变化响应，并对渤海湾含沙量分布变化进行了初步探索。

2）工程后，三河口附近海域潮差略微增大，潮流流速在工程区附近略微减小；考虑到波浪反射作用，平常浪况下三河口大部分海域波高略降，大风浪时建筑物前入、反射波叠加波高增大。

3）运用三种经验公式计算含沙量变化趋势一致，工程后，永定新河口、独流减河口高含沙量区消失，东向浪况下三河口中独流减河口含沙量最大，东南向浪况下永定新河口与海河口含沙量均较高。整体来看，常动力条件下渤海湾大部分海域含沙量有降低的趋势；动力增强时，近岸海域受工程掩护含沙量有所降低，建筑物前海域受波浪反射影响含沙量有所增大，外海变化甚微。

4）长远来看，围填海工程的建设对于渤海湾岸滩冲淤变化起到减缓的作用，工程后三河口通道内含沙量有降低的趋势，有助于防淤减淤，对提高河口行洪排涝能力有利。

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