石浦港水动力泥沙问题研究

李孟国，麦 苗，李文丹，张义丰

(交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456)

石浦港水动力泥沙问题研究

李孟国，麦 苗，李文丹，张义丰

(交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456)

石浦港是一个具有五个口门的狭长港湾。作为一个港口，现有航道的通航能力明显不足，亟需升级现有航道至五万吨级航道以适应发展需要。另外，近年来石浦港大部存在泥沙淤积明显加重的趋势。本文通过地貌特征分析、遥感分析、现场实测水文泥沙资料分析、数学模型试验和物理模型试验对石浦港的潮流泥沙特征、泥沙淤积原因、石浦港航道开挖及下湾门炸礁通航等水动力泥沙问题进行了研究。研究结果表明：(1)石浦港是三门湾的外海通道之一，潮流是维持水道水深的主要动力；(2)石浦港及附近海域属于淤泥质海岸，含沙量较大；(3)五个口门中，三门和下湾门潮量较大，是主要口门；(4)从水动力泥沙角度考虑，石浦港五万吨级航道开挖及下湾门炸礁通航是可行的；(5)下洋涂围垦造成了石浦港潮动力减弱，是石浦港西、中部泥沙淤积加重的主要原因。

石浦港；石浦水道；潮汐汊道；水动力；泥沙；三门湾；数学模型；物理模型

1 研究背景

图1 石浦水道形势图Fig.1 Sketch of Shipu Waterway

石浦港位于浙江中部沿海的石浦水道内，是典型的多口门狭长潮汐汊道型港湾(图1)，其是由东门岛、对面山、南田岛、高塘岛、坦塘岛围列而成的“月牙”状封闭型港湾，有铜瓦门、东门、下湾门、蜊门及三门共五个口门与外海相通，湾内分布着打鼓峙、中界山、汏网屿、饭甑山、庵山等岛屿及深槽和浅滩、中心线全长约20 km，宽0.4～3 km，面积约27 km2。石浦港水深4～61 m(理论基面，下同)，大部分水深在10 m以上，可泊万艘渔船，可行数千吨级海轮；港内风轻浪平，可避10级以上大风，是东南沿海著名的避风良港。目前石浦港的五个口门均具备一定的通航能力，船舶通行以下湾门、东门及铜瓦门为主，大型船舶通航以下湾门为主，最大通航能力5 000 t[1-2]。

目前石浦港遇到两个问题：其一是近几年来石浦港淤积有明显加重的趋势，原因不明；其二是提高通航能力问题：随着临港工业发展，现有千吨级航道的通航能力明显不足，亟需升级现有航道，建设万吨级航道以适应发展需要。建设万吨级航道除了在石浦港内进行局部航道段浚深外，还要在五个口门中选择出海口。在五个口门中，下湾门适合开发万吨级出海航道[1-2]。下湾门水道全长近3 km，宽0.4～0.8 km，水深20 m以上，口门处水深可达80 m左右，万吨级航道无需开挖，但在口门附近存在金龙礁和石栏礁等礁石群(图2)，需要炸礁通航。航道建设的浚深和炸礁对具有多口门的石浦港水沙环境有何影响是让人关心和需要论证的。

本文通过地貌特征分析、悬沙分布遥感分析、现场实测水文泥沙资料分析、波浪潮流数学模型和波浪潮流泥沙物理模型对石浦港的潮流泥沙特征、泥沙淤积原因、五万吨级航道开挖及下湾门炸礁通航(图2)的水动力泥沙问题进行研究。

图2 石浦港航道轴线示意图Fig.2 Sketch of navigational channel axis in Shipu Harbor

2 地貌特征

从地貌上看，石浦水道是三门湾的一部分(图1)。三门湾是浙江省主要海湾之一，海域面积775 km2，猫头水道、满山水道、珠门港水道及石浦水道是其四个口门段汊道(潮汐汊道)，其中石浦水道与珠门港水道一起控制着三门湾北部的白礁水道、下洋涂东部潮滩区域[3]。从地貌学角度看，四个口门段水道既是三门湾纳潮水体的进出通道，又要靠三门湾的纳潮来维持其水道水深。

3 水动力泥沙特征

3.1潮汐与潮流[4-8]

2011年7月24～25日和7月31日～8月1日在石浦港内外进行了6个潮位测站、13条水文垂线的大、小潮全潮同步观测(站位见图1，H6潮位站位于下洋涂西侧的鹁鸪头渔村，图1中未能显示)，根据实测资料，石浦港的潮汐和潮流特征如下：

(1)各站潮汐类型(HK1+HO1)HM2的值均小于0.5，表明潮汐属正规半日潮型，潮汐涨潮平均历时略短于落潮平均历时。

(2)水文全潮测验期间H1、H2 、H3站的最大潮差分别为5.90 m、5.61 m和5.21 m，最小潮差分别为1.43 m、1.36 m和1.27 m，平均潮差分别为3.21 m、3.05 m和2.83 m。石浦港从西向东潮差逐渐减小。

(3)各测站潮流类型F=(WK1+WO1)WM2介于0.08～0.26之间，平均为0.16，表明潮流类型属于规则半日潮流性质，潮流基本上沿岸线或者深槽呈往复运动。

(4)总体上讲，石浦港涨潮时潮流从东、南四个口门(蜊门、下湾门、东门和铜瓦门)流入，从西部三门流出，落潮则相反(与文献[9]报道结论一致)，但除三门和下湾门涨落潮流无位相差外，其与其它各口门有1～2 h的位相差。

(5)根据V3和V5站资料，石浦港内大潮涨落潮平均流速介于0.66～0.71 ms之间，最大流速介于1.14～1.27 ms之间；三门口(V2站)大潮涨落潮平均流速分别为0.50 ms和0.56 ms，最大涨落潮平均流速分别为0.84 ms和1.15 ms；蜊门(V4站)大潮涨落潮平均流速分别为0.69 ms和0.53 ms，最大涨落潮平均流速分别为1.16 ms和0.87 ms；铜瓦门(V6站)大潮涨落潮平均流速分别为0.22 ms和0.62 ms，最大涨落潮平均流速分别为0.42 ms和1.20 ms；东门(V7站)大潮涨落潮平均流速分别为0.54ms和0.58 ms，最大涨落潮平均流速分别为0.85 ms和0.92 ms；下湾门(V8站)大潮涨落潮平均流速分别为0.74 ms和0.61 ms，最大涨落潮流速分别为1.29 ms和1.12 ms。

(6)在五个口门中，只有蜊门和下湾门的涨潮流速大于落潮流速(其他三个口门则反之)，只有下湾门大潮涨落潮流速均大于1.0 ms。

3.2波浪

由于受四周岛屿掩护，外海波浪对石浦港影响很小。港内波浪主要是风成浪(本海区春夏季盛行SW风，夏末至秋冬盛行偏N风，常风向为SW和N向；强风向为NE向，全年>8级以上的大风日数为98.9 d，大风主要由台风侵袭形成)，波高一般小于0.8 m，即使台风过境时，最大波高仅为1.5 m左右[4,7]。

3.3含沙量与悬沙粒径

根据2011年7～8月大、小潮水文全潮测验资料分析，大潮含沙量相对较大，各测站大潮涨落潮平均含沙量分别介于0.135～0.343 kgm3和0.190～0.393 kgm3之间，大潮涨落潮最大含沙量分别介于0.272～0.605 kgm3和0.257～0.596 kgm3之间；小潮含沙量明显小于大潮，除个别点外，涨落潮平均含沙量和最大含沙量一般均小于0.1 kgm3。

含沙量遥感分析表明[4]：(1)石浦港及附近海域表层含沙量基本介于0.1～0.3 kgm3之间(石浦港内含沙量略高)，属于含沙量相对较大的海域，含沙量大致呈现从近岸至外海递减趋势；(2)冬季含沙量大，夏季含沙量小，冬季含沙量是夏季含沙量的2～3倍，与文献[3]结论一致；(3)含沙量随潮差大小而变化，潮差大则含沙量大，潮差小则含沙量小，与实测资料结果一致；(4)近岸水体含沙量受风影响较大，大风浪天水体含沙量相对增高；(5)综合以上4点，从遥感反演结果看，泥沙来源主要为近岸浅滩泥沙的起动和搬运。

根据2011年7～8月大、小潮水文全潮测验期间各站涨憩、落憩、涨急、落急时段取悬沙水体中的沙样分析，悬沙中值粒径变化范围为0.003 7～0.013 7 mm，平均d50为0.008 2 mm。

3.4底质

根据2011在石浦港内外85个底质取样分析，石浦港内底质以粘土质粉砂为主，其中值粒径基本介于0.005～0.012 5 mm之间，分选系数基本介于1.4～2.0之间，分选属中常；粘土百分含量为20%～40%之间，为典型的淤泥质海岸。

3.5单宽输沙率

根据2011年7～8月在石浦港内外进行大、小潮水文全潮测验，各口门及附近测点的单宽输沙量统计计算结果见表1。

表1 水文全潮测站单宽输沙量(t全潮)Tab.1 Unit width sediment transport in a complete tidal cycle at observation stations t

表1 水文全潮测站单宽输沙量(t全潮)Tab.1 Unit width sediment transport in a complete tidal cycle at observation stations t

站位涨潮大潮小潮平均落潮大潮小潮平均净输沙量涨潮-落潮V139.5600.81720.18922.5630.49411.5298.660V2129.5289.04369.286178.8518.03393.442-24.156V396.1006.95451.527119.4378.03863.738-12.211V4113.6016.10759.85487.573.89045.7314.124V635.69529.54032.618172.39224.12298.257-65.639V739.9706.56123.26656.4486.80731.628-8.362V8333.11733.820183.469353.89723.656188.777-5.308V1179.9913.51841.75543.9972.31423.15618.599

从表1的单宽净输沙量看，泥沙从三门和蜊门向石浦港内输送，从下湾门、东门和铜瓦门向港外输沙，与有关文献[2,9,10]结论相同。

3.6泥沙来源

石浦港位于三门湾北岸，附近无大河注入，因此受河流来沙的直接影响很小。从宏观上来说，长江口外泄泥沙随江浙沿岸流南下扩散并在本海域近岸浅滩不断淤积，是形成石浦港附近淤泥质海岸的主要泥沙来源。石浦港附近近岸浅滩的细颗粒泥沙在波浪和潮流共同作用下悬浮再搬运并随潮流进入石浦港内及石浦港内底床泥沙在波流作用下悬浮再搬运是当前石浦港内淤积的主要泥沙来源。

3.7冲淤演变

根据文献[2],石浦港港域在1981～1995年的14 a中，大面积处于淤积状态，淤积厚度一般在1～1.5 m以内。年淤积强度为0.053 ma的区域占总淤积面积的13，淤积强度大于或等于0.22 ma的占13弱，其余13强的面积淤积强度均小于或等于0.12 ma，整个港域14 a中的淤积强度为0.13 ma。

根据2006年6～7月1:1万和2011年7～8月1:1万水深测图对比分析[4]，石浦港呈大部分淤积、局部区域冲刷的状态。5 a内平均淤厚0.60 m，年淤积强度0.12 ma，其中三门口—打鼓峙和中界山—汏网屿淤积较重，年均淤强为0.15～0.18 ma，打鼓峙—中界山淤积较轻，年均淤强约0.06 m。铜瓦门淤强0.18 ma，东门和下湾门冲刷强度分别为0.29 ma和0.47 ma。

根据2012～2014年石浦港内3个固定断面(图2中的D1、D2和D3)共7次1:1 000水深测图并结合2006年和2011年的水深测图分析，2012～2014年期间，石浦港东部的D1断面呈滩淤槽冲、整体略有冲刷的趋势，整体冲刷了0.33 m，淤强为-0.13 ma；石浦港中部的D2断面整体淤积了0.48 m，淤强为0.21 ma；石浦港西部的D3断面整体呈淤积趋势，整体淤积了1.85 m，淤强为0.82 ma。

固定断面地形在2011年前后两个时段冲淤变化趋势存在明显差异，2011年之前整体呈基本稳定状态；2011年后则出现淤积加重趋势，有西部淤积较重、中部次之、东部深槽略呈冲刷的变化特点。

4 模型试验

通过数学模型和物理模型试验，对石浦港5万吨级航道开挖和下湾门口门炸礁工程的水沙环境问题进行了研究。五万吨级航道轴线如图2所示，航道底宽165 m，底高程-14.8 m(国家85基面)。航道有2处开挖段，打鼓峙西段长约3.55 km，最大挖深4.39 m，中界山东段长约3.76 km，最大挖深6.84 m。下湾门水道无需开挖，但要对石栏礁炸礁和园山突嘴碍航部分炸除。

4.1数学模型和物理模型的建立

基于Mike系列软件中的三角形网格波浪SW模型、水动力模块(FM模块)、平面二维悬沙输移扩散方程和床面冲淤变化方程，建立了考虑波浪作用的潮流泥沙数学模型[5,8,11]。模型范围的边界北至韭山列岛、南到东矶列岛、外海至约-30 m等深线，包括了整个三门湾海域。为拟合复杂岸线和航道等细致建筑物边界，采用了无结构三角形网格对计算域进行剖分。为模拟石浦港航道工程的细部流态，模型网格最小空间步长应保证精确分辨航道及港内各水道，网格节点90 000个，其中最小网格尺度近10 m。外海潮位边界由Chinatide提供[12]。

图3 物理模型试验布置Fig.3 Layout of the physical model

基于几何相似、潮流运动和泥沙运动相似的要求，建立了定床悬沙物理模型[6]。模型按包括下湾门炸礁工程区及石浦港内的航道布置，南北方向包括东门岛—南田岛的范围，西侧至三门口，东侧至檀头山，即东西长约22.5 km，南北宽约11.25 km的海域，面积约253.1 km2。模型采用水平比尺为300，根据潮流运动和泥沙运动相似以及选择模型沙的要求，选取模型垂直比尺为70，模型变率4.29。模型占地86 m×42 m，见图3。本模型各开边界的潮汐控制均采用可逆泵生潮系统来实施，在铜瓦门、东门、下湾门、汏网屿、中界山三门口各布置一条加沙断面。

工程海域悬沙中值粒径介于0.003 7～0.013 7 mm之间，平均中值粒径约为0.008 2 mm左右，属粘土质粉砂。这种悬沙是会产生絮凝的，对应的静水沉速约为0.48 mms左右。物理模型选择密度为1.45 gcm3的宁夏煤作为模型悬沙。在模型平面比尺为300，垂直比尺为70的条件下，计算沉速比尺为1.95，选取模型沙平均中值粒径为0.035 mm，模型沙沉速约为0.25 mms左右，换算成实际沉速比尺为1.92，基本可以满足泥沙沉降相似要求。

数学模型和物理模型均使用2011年7～8月大、小潮水文全潮资料及石浦港内2006～2011年的淤积资料进行了验证[5,6,8,11]，均符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》[13]的要求。

4.2主要试验成果

(1)航道流速变化[5,6,8,11,14]。航道工程实施后，仅在沿航道轴线两侧局部区域流速有所变化。石浦港东西向的三门口至汏网屿航道段水域，受航道开挖的影响，水流存在归槽现象，航道流速略有增大，涨落潮平均流速增加0.01～0.06 ms，流速增幅介于5%～6%之间。下湾门水道的汏网屿至园山航道段，涨落潮流速呈增加的趋势，平均流速增加0.02～0.04 ms，流速增幅介于3%～4%之间；下湾门水道的石栏礁附近航道段，由于石栏礁被炸除，水流通畅，涨落潮平均流速分别增加了0.33 ms和0.34 ms，增幅约为73%和45%。

航道线上的水流基本呈现为平行于航道轴线的往复流，满足航行安全需要，航道线的布置是合理可行的。

(2)口门内外潮位变化。航道工程实施后，数学模型试验的下湾门口门内外高低潮位偏差均在±1 cm以内，物理模型试验的高低潮位变化幅度在±0.02 m之内，处于试验误差范围，因此，航道工程实施后对潮位基本没有影响。

(3)各口门潮量、分流比及其变化。数学模型计算和物理模型试验得到的大潮过程各口门现状涨落潮潮量及其工程引起的变化见表2。从表2可见：①下湾门和三门是石浦港主要的口门，无论是下湾门还是三门，其涨落潮潮量均与其他三个口门的涨落潮潮量之和相当；②对于石浦港多个口门来说，除三门外，其他四个口门基本上呈现出涨落潮同步，数模计算的铜瓦门、东门、下湾门和蜊门四个口门的涨潮分流比为0.229:0.164:0.516:0.091，落潮分流比为0.284:0.169:0.481:0.067，下湾门是优势口门；③航道工程实施后，三门和下湾门涨落潮潮量呈增加趋势，增幅2%～5%(三门增加2%～5%，下湾门增加2%～4%)，其他三个口门涨落潮潮量呈减小趋势，减幅在3%以内，不会引起口门萎缩[5-6]。

表2 各口门大潮过程涨落潮潮量及工程引起的变化Tab.2 Tidal prisms and their changes caused by the project at five entrances during a spring tide process

(5)中界山南北分流比及其变化[6]。天然状态下，中界山北侧和南侧涨潮分流比约为63：37，落潮分流比约为59：41；航道工程实施后，涨潮分流比调整为67：33，落潮分流比调整为62：38。分流比及变化说明，一方面，中界山北侧是航道所在水域，流量增加意味着对航道维护有利，另一方面，航道工程对石浦港影响是很小的。

表3 泥沙淤积试验结果Tab.3 Results of sedimentation test

(6)航道泥沙淤积。航道工程实施后，数学模型和物理模型的泥沙淤积试验结果见表3。从表3可见，物理模型和数学模型的结果基本一致，石浦港内的航道开挖淤积不大，淤积量约90万m3。

(7)下洋涂围垦对石浦港泥沙淤积的影响。下洋涂围垦工程位于石浦港三门口外部，围垦面积35.78 km2。利用建立的数学模型模拟了下洋涂围垦工程对石浦港淤积的影响。模拟结果表明，①围垦工程实施后，石浦港内全潮平均流速减小约0.05～0.12 ms，最大流速减小约0.07～0.21 ms；②围垦工程实施后，石浦港内发生泥沙淤积，平衡后的淤积分布见图4，三门口最重，向西淤积厚度逐渐降低。泥沙淤积厚度与前述的2012～2014石浦港内固定断面D3和D2的实际淤积结果趋势和量级吻合。

图4 石浦港内淤积分布Fig.4 Distribution of sedimentation in Shipu Harbor

如前所述，石浦水道与珠门港水道一起控制着三门湾北部的白礁水道、下洋涂东部潮滩区域，下洋涂围垦工程实施后，造成纳潮面积减小(有关文献[15-16]结论一致)，因此石浦港流速肯定减小，流速减小造成泥沙淤积。

5 结论

本文根据地貌特征、现场实测资料和悬沙遥感卫片等的分析和数学模型、物理模型试验对石浦港的水动力泥沙问题进行了研究，有如下主要结论：(1)拥有五个口门的石浦港是三门湾的四个口门潮汐汊道之一，是三门湾纳潮水体的进出通道，潮动力维持着石浦港的水深，是天然避风良港；(2)石浦港涨潮时潮流由东南四个口门进入，由西部三门流出，落潮则相反。但门各口门存在1～2 h的位相差；(3)石浦港潮汐属于正规半日潮型，从西向东潮差逐渐减小；潮流类型属于规则半日潮流性质，潮流基本上沿岸线或者深槽呈往复运动；(4)石浦港潮差大，潮流动力强。下湾门大潮涨落潮最大流速均在1 ms以上；(5)石浦港海域的含沙量较大，泥沙随涨落潮向三门和蜊门石浦港内输送，从下湾门、东门和铜瓦门向石浦港外输送；(6)石浦港海域属于淤泥质海岸，悬沙粒径和底质粒径基本一致；(7)石浦港附近近岸浅滩的细颗粒泥沙在波浪和潮流共同作用下悬浮再搬运并随潮流进入石浦港内及石浦港内底床泥沙在波流作用下悬浮再搬运是石浦港内淤积的主要泥沙来源；(8)石浦港航道开挖及下湾门炸礁通航后，基本不改变港内水沙环境，航道水流较平顺，各口门分流比及中界山南北分流比均略有调整，对潮位无明显影响，淤积量不大，航道工程是可行的；(9)下洋涂围垦是造成石浦港西、中部泥沙淤积加重的主要原因。

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Study on hydrodynamic sediment problems in Shipu Harbor

LIMeng-guo,MAIMiao,LIWen-dan,ZHANGYi-feng

(TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering,NationalEngineeringLaboratoryforPortHydraulicConstructionTechnology,KeyLaboratoryofEngineeringSedimentoftheMinistryofTransport,Tianjin300456,China)

Shipu Harbor is a long-narrow harbor with five entrances. As a harbor, its present navigational capacity of navigation channel is insufficient, and it is desiderate to upgrade the existing navigation channel to 50 000 DWT channel to meet the need of development. In addition，it is found that the sedimentation in most part of Shipu Harbor tends to aggravate in recent years. In this paper, by means of analyses of landform features, remote sensing and in-situ hydrology and sediment data，mathematical model and physical model, the hydrodynamic sediment environment problems were studied related to tidal current and sediment characteristics in Shipu Harbor, the sedimentation causes, navigation channel excavation and reef explosion for navigation in Xiawanmen entrances, etc. The study results show that, (1) Shipu Harbor is one of the out-to-sea passages of Sanmen Bay, and the tidal current is the main hydrodynamic force to maintain its water depth. (2) Shipu Harbor and nearby is of muddy coast, and the sediment concentration is higher. (3)Among the five entrances of Shipu Harbor, Sanmen and Xiawanmen are the main entrances with relatively greater tidal capacity. (4) It is feasible to excavate 50 000 DWT navigation channel in Shipu Harbor and to make explosion reef for navigation in Xiawanmen entrances as far as hydrodynamic sediment is concerned. (5) Xiayangtu reclamation weakened the tidal force in Shipu Waterway, and is the main cause to aggravate the sedimentation in the west part and middle part of Shipu Harbor.

Shipu Harbor; Shipu Waterway; tidal inlet; hydrodynamics; sediment; Sanmen Bay；mathematical model; physical model

2017-02-20；

2017-06-21

国家重点研发计划(课题编号：2016YFC0402605)

李孟国(1964-)，男，天津市人，研究员，主要从事海岸河口水动力泥沙研究。

Biography：LI Meng-guo(1964-),male, professor.

TV 142;O 242.1

A

1005-8443(2017)05-0433-07