舟山海域岛群间潮流模拟在围涂规划中的应用

卢继清，娄海峰，胡金春

(1.舟山市水利围垦局，浙江 舟山 316000;2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

舟山南部海域资源丰富，临港工业、港口物流、海洋运输、海洋旅游、海洋渔业的快速发展，经济建设规模越来越大，对建设用地的需求保持在高位。历史上，边滩围涂及连岛围涂是解决舟山地区建设用地供需矛盾的重要手段，如朱家尖岛原为毗邻的朱家尖、顺母、泗苏、糯米团4岛，后因泥沙淤积，岛间滩涂升高，清光绪十九年 (公元1883年)筑众香塘 (俗称老南塘)，连接朱家尖与糯米团，20世纪60年代末通过抛坝促淤方式连接其余2岛。马目岛与本岛的连接也是如此。但围涂工程必然对周边水流及海床产生影响，需在规划阶段通过数值模拟加以分析研究。二维潮流数值模拟已广泛应用于河口海岸的流场分析［1-3］，但在岛屿众多的海域中数值的研究应用还较有限，因而开展舟山南部海域潮流场的模拟在围涂规划中的应用具有重要的现实意义和学术价值。

本文采用丹麦水利研究所的MIKE 21数值模型，模拟的海域范围为东边界在朱家尖以东外海约20～30m等深线处，西边界设在镇海～大渔山一线，北边界至岱山，南边界到六横岛以南。计算域的横向宽约84km，纵向长度约63km(见图1)。在潮流准确模拟的基础上，对该海域的涨落潮特性作出系统的分析，并结合冲淤变化的经验公式，分析连岛围涂和边滩围涂对周边的水动力及泥沙冲淤的影响。

图1 计算区域图

2 潮流数值模拟

研究围涂工程引起的海床冲淤变化，关键之一就是水动力场的模拟。潮流是泥沙运动的载体，潮流的分布和变化是海域泥沙运动的主导因素，从而对地貌形态进行再塑造，因此潮流数学模型在泥沙数模占据相当重要的位置，所以需首先建立工程海域大范围的潮流数学模型。

2.1 平面二维潮流数值模型

2.1.1 控制方程

采用丹麦水力学研究所研制的平面二维数值模型(MIKE21，2004年)来研究舟山海域潮流变化过程。潮流模型包括一个连续性方程和二个动量方程:

上述方程组的初始条件:

边界条件:水边界，z(x，y，t)=z*(x，y，t)，“* ”表示已知值，该潮位由全球潮波模型TPXO.6(Egbert and Erofeeva，2002)［16］推算求得，其中包含8个主要分潮 (M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1)和2个长周期分潮 (Mf和Mm)，并通过已知潮位资料进行调节;陆边界，Qn=0，即法线方向流量为0。

有了上述定解条件，就可用一定的离散格式求出方程的解。MIKE 21软件采用交替方向隐格式 (ADI)求解二维浅水潮波方程，方程矩阵采用双消除法 (Double Sweep)算法求解，该格式具有二阶精度。计算域粗网格步长为180m×180m，舟山本岛、普陀山、朱家尖岛和桃花岛围成的海域网格局部加密至60m×60m，而在朱家尖和登步—蚂蚁的围涂区域以及沈家门渔港近旁进一步加密至20m×20m，网格布置见图2。

图2 测量点位图

2.2 模型验证

2.2.1 潮位与潮流过程验证

验证资料取用2005年1月的水文测量资料，测量点位见图2。潮水位过程无论是高、低水位值，还是高、低潮位出现的时间，计算与实测值均符合良好，绝大部分点位大、中、小潮高、低潮位最大计算误差小于0.10m，个别点位最大计算误差为0.15m，而所有点位高、低潮位平均计算误差仅为0.05m，其中六横和沈家门潮位过程列于图3;潮流流速计算值与实测值很接近，流速方向的模拟值与实测值极为一致，说明计算的流速位相与实测值吻合良好，其中ZS2501#～ZS2505#测点的大潮流速过程见图4。

图3 潮位过程验证图

图4 大潮潮流过程验证图

2.3 海域的流场特征

本区潮波以M2分潮为主，受东海前进潮波系统控制，浅海分潮影响明显，沈家门站潮波属于非正规半日浅海潮，而镇海、定海、岱山等站潮波属于不正规半日混合潮。潮波自东南朝西北方向穿越舟山群岛，自庙子湖到大渔山，位相差2h以上。潮差先减小后增大，定海平均潮差最小仅1.93m。各站同步期的平均海面，由西向东、由近岸至外海略有降低，如镇海 (外游山)为0.18m，庙子湖为0.08m，而定海、沈家门、郭巨和六横则基本一致，略呈北低南高的趋势。

东海潮波自东南向西北进入舟山海域后，一股潮流进入朱家尖与桃花岛之间的通道，遇登步岛阻挡分为南北2股，由于受峡道两侧岛屿的约束，南股潮流自西北向西偏转进入清滋门，其北支流经登步—蚂蚁岛围区;北股潮流向北偏转，流经福利门水道和朱家尖围区后，其南支向西偏转，北支出朱家尖与沈家门间的峡道后进入普沈水道。流经围区的南股潮流及北股潮流的南支与数股来自桃花岛以南水道的潮流汇拢后进入峙头洋，随后过螺头水道远离工程围区。落潮流方向基本与涨潮流方向相反，潮流自西北向东南退出工程海域。海域大面特征流场见图5。

图5 大面特征流场图 (左:涨急流场，右:落急流场)

工程区域内岛屿众多，流场极为复杂。图6显示了工程区域涨急、落急等特征时刻的小范围流场图，其中值得注意的是涨潮时，流经朱家尖围区的潮流由于受到登步岛、寨峰山、东闪岛等岛屿的局部作用，流经福利门水道的水流在紧靠寨峰山北部产生顺时针漩涡，漩涡尺度随时间变化，在涨憩时仍有存在，这也是该处实测流向以“落潮流”方向为主的原因 (流向120°左右)。

图6 规划围涂海域特征时刻局部流场图 (左:涨急，右下:落急)

3 工程应用

应用以上潮流模型分析朱家尖围涂 (含北部、南部)以及登步—蚂蚁岛围涂对海域的水环境的影响。计算的水动力条件取实测潮型，以岱山潮位站为衡量标准，相当于24.3%潮差保证率潮型，对应潮差为2.50m。计算组次包括朱家尖围涂工程、登步—蚂蚁岛围涂工程各自单独的影响及2处围涂工程共同的影响。

3.1 项目实施后的流场变化

3.1.1 对附近海域潮量的影响

由于工程建成后阻挡了涨、落潮水流，进出工程海域的涨落潮量发生变化，在工程海域附近布置L1～L7共个断面，断面位置见图7，各计算组次潮量统计结果见表1。

图7 围涂及断面位置图

表1 围涂工程实施后各断面进出潮量变化表

工程前，涨潮时，从朱家尖与桃花岛之间进入工程海域的潮量约为2200×106m3，其中约1/3过登步岛—桃花岛断面，约2/3过朱家尖—登步岛断面;过L3断面的潮量约占过L2断面潮量的3/4，其余过登步—蚂蚁岛间的通道;进入沈家门港 (L7断面)的涨潮量相对较少，约为L6断面涨潮量的6.3%。落潮潮量要小于涨潮潮量，过L2、L3、L4、L1的落潮量为涨潮量的75.0% ～84.0%，经过朱家尖—沈家门断面的落潮量不到涨潮量的30.0%，各断面间落潮量的相对比值与涨潮相比变化不大。

朱家尖围涂工程实施后，各断面潮量变化总体来说相对较小，L1和L4断面涨落潮量略有减少，减小幅度为0.4%～0.9%，L2和L3的涨落潮量基本无变化，L5～L7断面涨潮量有2.6%～6.0%的增加，而落潮量有0.1%～1.0%的减少，L5～L7断面涨潮流量增加是工程实施后朱家尖围区西侧海域南北向潮流略有加强所致。

登步—蚂蚁岛围涂工程实施后，由于蚂蚁与登步岛间的潮流通道被截断，L2断面的涨、落潮量有较大幅度的减少，幅度为8.6%～9.9%，同时，由于原通过蚂蚁与登步岛间的潮流并入L3断面，该断面涨落潮量有较大增长，幅度为16.9%～20.3%，L5和L6断面过潮量有一定的减少，幅度为4.9%～7.3%，而L7断面过潮量有2.8%～4.2%的增加，产生此现象是由于登步—蚂蚁岛围涂工程实施后，登步岛北部海域东西向潮流得到加强的缘故。

2处围涂均实施后，各断面潮量变化情况与登步—蚂蚁岛围涂工程实施后的情况基本一致。

3.1.2 对附近海域水流流场的影响

朱家尖围涂、登步—蚂蚁岛围涂实施后附近水域深长、落潮平均流速变化分布见图8～11。围涂实施后大面流场变化不大，工程堤线附近流向变化较大，原进入寨峰山与朱家尖之间的水流被挤入福利门水道，沿围堤线前行，原经蚂蚁—登步岛间的水流则绕过蚂蚁岛。

朱家尖围涂后，流速变化基本局限在围堤附近，涨潮时，围堤近旁平均流速可增大20.0%以上，与前述潮量变化一致，朱家尖围区西侧南北向潮流有所加强，平均流速增大2.0%等值线可到鲁家峙附近包括沈家门港海域和普沈水道;朱家尖围区西侧东西向潮流有所减弱，登步岛和东、西闪岛间海域平均流速可减小5.0%。落潮时，仅在围堤近旁流速有10.0%～20.0%的增加，朱家尖和沈家门间峡道上和沈家门港区内各点流速变化很小，幅度基本在0.5%以下。

登步—蚂蚁岛围涂工程实施后对周边水流的影响较大，以围区为界，清滋门西部水域涨、落潮平均流速增大幅度可达17.0%～21.0%，清滋门东部水域涨、落潮平均流速减小幅度可达8.0%～10.0%，蚂蚁岛和小干岛间峙头洋海域为主要流速减小水域，减小幅度可达10.0%左右，由于朱家尖以西登步岛以北海域东西向流速得到加强，该水域的涨、落平均流速也有2.0%～5.0%的增大，同时该水域南北向流速减弱，使朱家尖和沈家门间峡道上局部区域平均流速减小4.5% ～8.1%，沈家门港区内的PE1～PE3点流速略有增大，幅度为1.2%～3.9%。

从上述分析也可看出，朱家尖围涂使沈家门港内涨、落潮流速略有增加或基本不变，对沈家门港以西则无影响;登步—蚂蚁岛围涂使沈家门港内涨、落潮流速略有增加，但同时使沈家门港以西包括小干岛和舟山本岛之间的峡道水域流速有一定的减小。

图8 朱家尖边滩围涂后涨潮平均流速变化图

图9 朱家尖边滩围涂后落潮平均流速变化图

图10 登步—蚂蚁连岛围涂后涨潮平均流速变化图

图11 登步—蚂蚁连岛围涂后落潮平均流速变化图

3.1.3 冲淤变化的影响

工程后的海床地形预测选用半经验半理论的回淤强度公式估算:

式中:β=αωs/γz，K=V2/V1，V1、V2分别为工程前后的流速(m/s);h1、h2分别为工程前后的水深(m);s为工程区域沿垂线平均含沙量(kg/m3);ω为泥沙沉降速度(m/s)，在河口海岸地区应考虑絮凝的影响)。经推导可得:式中:当Δt→∞ 时，极限淤积厚度为:h1-h2=(1-K2)h1。

舟山海域抛坝连岛后海床变化的监测资料不多，仅仇家门一期抛坝促淤资料较为详细［4-5］。从抛坝产生影响开始 (1978年)，原高程分别-18.30m和-16.60m的2个测点，至1984年，分别淤厚16.50，14.80m，到1991年2处分别淤积17.30，15.60m。坝址近旁测点原来的高程为-19.53m，至1991年高程已在0.00m以上。

图12 淤积验证图

文献［6］曾用二维潮流数学模型对仇家门抛坝工程前后的流场进行了计算，并用抛坝前后的实测地形对公式(4)进行了验证，淤积计算公式中的系数采用:泥沙沉降几率α=0.35，沉降速度ω=0.0004m/s，泥沙干容重γ=650kg/m3。仇家门海区的年平均含沙量约为0.5kg/m3［4］。验证情况见图12。验证结果表明，利用公式(4)计算得到抛坝工程实施后围区3个测点的淤积过程与实测值比较吻合，该公式在本海域有较好的适用性。

依据以上经验公式，进行冲淤计算时工程前全年平均含沙量s取0.4kg/m3，其它参考以上的计算参数，并根据水深作相应调整。并对地形进行“反馈”计算，得出海域的冲淤变化分布见图13、14。

图13 朱家尖边滩围涂最终冲淤量图

图14 蚂蚁—登步连岛围涂最终冲淤量图

朱家尖围涂后，冲淤变化基本局限在围堤附近福利门水道北部和南部区域，福利门水道为主要冲刷区域，可能的冲刷深度超过5.00m，朱家尖和沈家门之间峡道上可能冲刷幅度小于1.00m，沈家门港区内微有冲刷，幅度在0.10m左右。另外，福利门水道南部有0.50～2.00m的淤积，而此处原平均水深在40.00～50.00m左右，最大水深可超过60.00m，故淤积量相对较小。

登步—蚂蚁岛围涂后，海域冲淤变化幅度较大，以围区为界，清滋门西部水域有5.00m左右的冲刷，清滋门东部水域有5.00～6.00m的淤积 (原水深30.00～45.00m);蚂蚁岛、小干岛和岙山之间峙头洋海域，包括马峙锚地为主要淤积区域，普遍淤积1.00～2.00m(原平均水深13.00m左右)，其中，岙山南部 (约20.00～60.00m深)局部淤积量可超过2.00m，紧靠蚂蚁岛北部小范围区域淤积量可达2.00～5.00m(原平均水深约12.00m);朱家尖以西登步岛以北海域和福利门水道为主要冲刷区域之一，水道中最大可能冲刷量可超过5.00m，朱家尖和沈家门间峡道也有1.00m左右的淤积量 (原水深约15.00～20.00m)，沈家门港区内则表现为微冲，幅度在0.30m左右。应当指出，海床的冲刷尚与底质条件有关，考虑到本海域水深较大，有可能下伏岩石或砾石等不易冲刷的物质，因此，实际的冲深要小得多。

4 结语

随着社会经济的发展，保持经济与环境的协调发展，合理开发利用滩涂资源，是当前面临的十分迫切的课题。舟山海域岛屿众多，流态复杂，围涂工程将改变周围的水动力条件，势必引起海域泥沙输移的变化，重新调整海床高程，使之与水流相适应。本文通过实测潮流的验证，准确地模拟了舟山南部岛群间的潮流。应用该模型分析朱家尖南部边滩围涂及蚂蚁岛与登步岛的连岛围涂建成后的流场变化，同时，结合冲淤变化的经验公式，分析2处围涂性质上的差异。边滩围涂虽然进出潮量略有变化，但使主流外移且平顺，加深了水道的冲刷，其影响仅限于工程附近局部区域。而连岛围涂是多汊道海域有效地围涂方式，截断了部分岛屿间的潮流通道，改变了汊道之间水流交换，较大幅度地改变了流态，将使海域海床发生大幅度调整，其影响较边滩围涂大。

［1］汤军健，温生辉，陈楚汉.海坛海峡二维潮流场数值模拟［J］.台湾海峡，2006，25(4):533-540.

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