岬角型岸线潮流泥沙特点及海洋工程问题

徐 啸

(南京水利科学研究院，南京 210029)

岬角型岸线潮流泥沙特点及海洋工程问题

徐 啸

(南京水利科学研究院，南京 210029)

在一些海岛或湾口部位，岸线走向不再平直，而具有“岬角型”海岸线特点，经过这里的潮汐水流也随着边界条件的不同，具有分流(汇流)或绕流(挑流)等不同特点的流态。文章结合几个典型的港口工程研究成果，将岬角型岸线处潮流特点进行归纳分类，同时分析它们的泥沙运动特点及建设海洋工程时可能存在的问题，探讨整治工程的原则和方法等。

岬角型岸线；潮流特点；泥沙回淤特点；海洋工程问题

在一般平直海岸条件下，近岸区的潮流一般是平行于等深线的沿岸流动。但在一些海岛或湾口部位，岸线走向发生较大变化，具有“岬角型”海岸线特点，经过这里的潮流不再是平行于等深线的平顺流动，而是随着边界条件的不同，具有分流、汇流或挑流、绕流等不同特点的复杂流态特点，有时会伴随产生大尺度回流或缓流现象。在此部位规划建设港口工程或其他海岸工程，就必须充分掌握当地潮流场特点以及相应的泥沙运动特点；否则会直接影响到此区域的船舶航运安全，还可能因严重的泥沙淤积问题导致工程的失败。本文结合几个典型的港口工程研究成果，将岬角型岸线处潮流特点进行归纳分类，分析它们的泥沙运动特点及建设海洋工程时可能存在问题，探讨整治工程的原则和方法等。

1 岬角型岸线水域潮流类型和特点

下面我们以厦门东渡湾(厦门西海域)湾口处，即鼓浪屿周边海域的潮流特点来说明岬角型岸线水域潮流类型和特点。

图1 涨潮流态示意图 图2 落潮流态示意图Fig.1 Sketch of flood flow pattern Fig.2 Sketch of ebb flow pattern

涨潮阶段，涨潮流自厦大—屿仔尾断面进入鼓浪屿南海域，涨潮水量中大部分(23以上)往西进入九龙江河口湾，约13折向北进入厦门东渡湾(厦门西海域)水域。

图1和图2为东渡湾湾口处水域涨急、落急流态示意图。据此可以看出，不同的地形条件产生不同的潮流流态，东渡湾湾口水域大致有二种潮流形态：(1)环抱式分(汇)流型；(2)岬角绕(挑)流分(汇)流型。下面分别介绍这些流态的特点和相应的泥沙问题。

1.1环抱式分(汇)流型

根据地形条件，环抱式分(汇)流型又可分为岛屿环抱流型和岬角环抱流型。

1.1.1 岛屿环抱型分(汇)流——鼓浪屿周边流态

(1)潮流特点：潮流正面迎岛流动，遇岛在迎流区潮流分为两股水流，从岛屿两侧流至岛屿背水区，重新汇聚；迎水区和背水区亦即分流区和汇流区。

由图1和图2可以看出，鼓浪屿东南端呈鱼嘴状将涨潮流分成东西两股水流，分别沿鼓浪屿东西两侧北行在鼓浪屿西北端重新汇合。落潮流相反，在鼓浪屿西北端分流，到东南端汇流。

(2)泥沙回淤特点：分汇流区水流紊动较强烈，一般产生较多泥沙回淤，当水体含沙量较高时，岛屿前后两端均可能产生鱼嘴型淤积体。

(3)海洋工程问题：淤积区一般不宜建设港口或航道工程；但可依据水流条件布置围海工程。

(4)实例：鼓浪屿，小金门岛、厦门岛等。

1.1.2 岬角环抱式分(汇)流——嵩屿周边流态

(1) 潮流特点：潮流正面向岬角型岸线行进，岬角处为分流区；在反向潮流情况下又是汇流区。实质上“岛屿环抱式”与“岬角环抱式”流态相同；“岬角环抱式分(汇)流”更具有普遍意义。

(2)泥沙回淤特点：与“岛屿环抱式”相同，汇流区水流比较紊乱，易产生较多泥沙回淤，形成鱼嘴型回淤体。嵩屿水域的象鼻嘴地形即为典型的鱼嘴型回淤体。

(3)海洋工程问题：淤积区一般不宜建设港口或航道工程，但可依据水流条件布置围海工程。此类围海工程多为“鱼嘴型”工程，起导流或分流作用。此类工程的关键往往是如何确定“鱼嘴点”的位置。为保证鱼嘴两侧水流平顺和比例合适，鱼嘴点应位于天然两股水流的“分流线”上，由于潮流的非恒定性，“分流线”可能不是一条固定线，而是随时摇摆变动，形成一个“分流区”，为此一般需通过试验研究来确定比较合理的“鱼嘴点”位置。

(4)实例：厦门嵩屿，泉州南安石井，小洋山岛链上的蒋公柱等。

1.2岬角绕(挑)流式分(汇)流——沿厦门岛西南海岸的涨落潮水流

(1)潮流特点：潮流以绕(挑)流形式通过岛屿或海岸的岬角，在岬角附近，分为两股水流或与另一股潮流汇合。由于岬角的挑流作用，在岬角“下游”侧岸线处容易形成一定尺度的回流。

(2) 泥沙回淤特点：由于较强的绕(挑)流作用，岬角附近往往形成深潭或深槽。潮流主流通过岬角后，由于挑流作用，容易形成一定尺度的回流，当有充分泥沙补给时，在回流区范围内容易形成“弓形”或“半月形”淤积体。

(3) 海洋工程问题：在绕流区和回流区建设海岸工程都将面临比较大的水流泥沙问题。特别在强潮高含沙量水域，往往需要通过试验研究确定工程的可行性。

(4)实例：洋山深水港一期工程基本方案(小洋山—镬盖塘方案)，马迹山马屁股卸货码头等。

2 岬角型岸线潮流类型的进一步综合分析

2.1岬角型岸线潮流类型的进一步概化[1]

根据上述两类岬角型潮流特点可以绘制如图3两种更具典型意义的流态概化示意图。由图可知，岬角环抱式分(汇)流特点是：岬角在两股(分或汇)水流中间，而岬角绕流式分流(汇流)特点是：岬角在两股(分或汇)水流的一侧。

2.2海岸岬角型潮流类型的工程实例研究

我国是一个海陆兼备的国家，约有18 000 km的大陆海岸线，还有约14 000 km的岛屿岸线，面积在500 m2以上的海岛有6 500多个。这些岛屿分布在近300万km2的海域。

21世纪是海洋世纪。发展海洋经济，建设海洋强国，是我国在新世纪肩负的神圣使命。大量海洋工程的建设需要对与之密切关联的海洋动力条件和泥沙运动有正确的理解和认识。下面以工程实例说明在一些复杂边界条件下，如何应用上述认识解决工程问题。

3-a岬角海岸环抱式分(汇)流3-b岬角海岸绕流式分(汇)流图3 流态及泥沙回淤特点Fig.3Flowpatternandsedimentsiltationcharacteristics

图4 厦门嵩屿港区规划方案示意图Fig.4 Sketch of Xiamen Songyu Port planning projects

2.2.1 岬角环抱流型的工程实例——厦门嵩屿象鼻嘴岸线条件及嵩屿港区规划研究[2]

(1)嵩屿概况(图4)。厦门嵩屿象鼻沙嘴位于东渡湾和九龙江河口湾两海湾的潮流分(汇)流处。同时紧邻厦门两个最重要的港区——东渡港区和海沧港区的入海航道。为了达到利用象鼻嘴浅滩围海造地规划和建设嵩屿港区的目的，首先需要掌握当地潮汐水流特点特点。

(2)潮汐水流的模型试验研究。我们利用物理模型对嵩屿港区各种规划方案进行了试验研究，试验结果表明，为保证嵩屿规划港区具有比较平顺的水流条件的关键是：使嵩屿港区南、东岸线的交点能与两大潮流体系的分流点和汇流点尽可能一致。模型试验发现张潮期的两股水流的分流区(线)与落潮流的汇流区(线)并不一致，涨潮分流界线在落潮汇流界线以北，而且在涨、落潮过程中，分流和汇流点(区)随潮流涨落变化而变化，很难使分流(汇流)点与港区的端点达到完全一致，这将使港区南、东两岸线交点附近水域水流流态十分复杂。物理模型中先后进行了24组不同方案试验。图5、图6为其中部分方案情况。最后推荐方案如图4所示。图7、图8为推荐方案条件下涨急、落急流矢图。

图5 厦门嵩屿港区南侧岸线优化方案图Fig.5OptimizationschemeofsouthquayshorelineofXiamenSongyuPort图6 厦门嵩屿港区东侧岸线优化方案图Fig.6OptimizationschemeofeastquayshorelineofXiamenSongyuPort图7 厦门嵩屿港区涨急流矢图Fig.7FlowmapofSongyuPortinmaximumflood图8 厦门嵩屿港区落急流矢图(T=4)Fig.8FlowmapofSongyuPortinmaximumebb(T=4)

(3)工程实施后现场实测资料与试验成果之比较。图9和图10为工程实施后现场实测涨急、落急流矢图，与物理模型试验资料(图7、图8)对比可以看出，涨潮时水流由外海流向嵩屿码头，在码头东南水域分流，分流点偏东侧码头一侧，现场与模型试验结果一致。落潮时嵩屿东侧水流相对平顺，嵩鼓水道主流区偏向鼓浪屿一侧。但南侧岸线现场水流与模型有一定差别，模型试验水流平顺，现场测量存在回流，分析认为产生回流的原因是由于嵩屿电厂温排水所引起，模型试验时没有考虑电厂在码头区的排水作用因素。

2.2.2 岬角绕(挑)流型的工程实例——上海洋山深水港一期工程方案布局研究[3]

(1)洋山深水港工程概况。大小洋山海域潮强、流急、含沙量高，岛屿之间潮流形态复杂，水文泥沙条件是直接影响港口建设的关键因素。通过物理模型试验研究确定了深水港总体规划如图11所示。

(2)洋山港一期工程方案试验研究。因大小洋山之间深槽靠近小洋山一侧，且大陆与深水港之间的连接通道也规划在小洋山一侧，洋山深水港的起步工程需在小洋山岛链上布置。

图9 厦门嵩屿二期水域大潮涨潮流矢图Fig.9SpringtidalfloodcurrentdiagramofphaseII,XiamenSongyuPort图10 厦门嵩屿二期水域大潮落潮流矢图Fig.10SpringtidalebbcurrentdiagramofphaseII,XiamenSongyuPort图11 洋山港总体规划方案Fig.11OverallplanforYangshanPort

针对一期工程方案进行了多组模型试验研究。试验结果表明，在洋山海域，涨潮期，外海潮波传播较快，造成岛链内外水位差；受洋山岛屿地形影响，小洋山岛链与潮波传播方向有一夹角(约20°)，以致小洋山岛链上各潮流通道内均存在较强的东北—西南方向的涨潮流(图12)。这一潮流特点导致布置在小洋山岛链上的一期工程码头前沿水域均存在回流区。图13为一期工程基本方案(小洋山—镬盖塘方案)实施后码头前大尺度回流示意图。

图12 天然条件下洋山海域涨潮漂流试验成果Fig.12ResultsoffloodtidedrifttestinYangshanseaundernaturalconditions图13 洋山港一期工程基本方案的回流情况Fig.13CircumfluenceofthebasicprojectofYangshanPortPhaseI

(3)洋山深水港一期工程方案优化试验。为了解决洋山深水港一期工程基本方案码头水域回流问题，进行了多组方案优化试验[3]。优化原则是：尽量减少或消除涨潮阶段码头前大尺度回流现象，使水流平顺，分布均匀，保证船舶靠泊和航运安全，并具有一定水流强度，减少港区泊位泥沙回淤。此外须与总体规划布局一致。

为此，在一期码头东侧镬盖塘—大小岩礁潮流通道内布置三大类导流整治建筑物：

①在镬盖塘—大小岩礁潮流通道北侧布置导流整治建筑物。

②在镬盖塘—大小岩礁潮流通道中部布置导流整治建筑物。

③在镬盖塘—大小岩礁潮流通道南侧(沿码头岸线方向)布置导流整治建筑物。

根据试验结果分析可知：

①如采用全封堵码头上游潮流通道方案，导流整治建筑物最好布置在通道南侧，且其走向尽量与其下游侧工程区岸线走向一致，以保证工程区水域水流平顺。

②如采用半封堵潮流通道方案，则导流整治建筑物布置在通道北侧一般要优于南侧，导流建筑物的位置和长度应通过模型试验确定(图14)。

14-a 潮流通道南部布置1 000 m导流堤 14-b 潮流通道北部布置1 000 m导流堤图14 洋山港一期工程半封堵方案两种工况条件下涨急流态图[3]Fig.14 Flow map of maximum flood under the two semi plugging working cases Yangshan Port Phase I [3]

最后采用的洋山深水港一期工程推荐方案如图15所示。图16为推荐方案实施后的涨潮流流态。从水流条件看，推荐方案码头前水流流态均平顺均匀，比天然条件还有所改善。

图15 洋山港一期工程推荐方案Fig.15TherecommendedschemeprojectforYangshanPortPhaseI图16 推荐方案条件下涨潮漂流试验成果Fig.16Thedriftexperimentalresultsoffloodtideunderrecommendedprojectconditions

(4)洋山深水港一期工程实践检验——水流部分。上海洋山深水港区一期工程于2002-06正式开工建设，自2002年底开始，建设部门对一期工程施工区域及附近海域进行了大量潮流、泥沙及地形的动态监测工作。

图17 2004-07第二阶段港池水域涨急流矢Fig.17 Flow map of basin waters in maximum flood in the stage Ⅱ in July 2004

图17为如图13工况条件下现场ADCP走航资料，资料分析表明，涨潮期在一期工程码头前水域存在大尺度回流；中交三航院2004年8月分析报告的描述是“涨潮时，小洋山前沿流速横向梯度较大，调头区流速明显大于码头港池流速，甚至近岸还出现水流反方向流动的现象”。近岸出现反方向的水流现象其实就是流速梯度较大而形成的回流现象。

依据图17中ADCP11走航断面处实测半潮平均流速横向分布绘制如图18，可以看出，涨潮流在码头前沿仅0.35 ms，主流区在离岸1 000 m外。落潮流分布相对比较均匀，主流区在离岸300～800 m处。

图19为同一断面处在2005-04(第三阶段)，即镬盖塘东围堤基本完工工况条件下，所测ADCP流速分布，此时码头前水域涨潮。落潮水流均较均匀，此结果与物理模型试验完全一致。

图18 2004-07第二阶段ADCP11断面半潮平均流速分布Fig.18ThemeanvelocitydistributionofthehalftidalcurrentoftheADCP11sectioninthestageIIinJuly2004图19 2005-04第三阶段ADCP11断面半潮平均流速分布Fig.19ThemeanvelocitydistributionofthehalftidalcurrentoftheADCP11sectioninthestageIIIinApril2005

(5)洋山深水港工程实践检验——泥沙回淤部分。前面已指出，岬角绕(挑)流型条件下，由于较强的绕(挑)流作用，岬角附近往往形成深潭或深槽。潮流主流通过岬角后，由于挑流作用，容易形成一定尺度的回流，当有充分泥沙补给时，在回流区范围内容易形成“弓形”或“半月形”淤积体。图20为小洋山—镬盖塘港区形成后4个月内码头前沿回淤情况，呈现典型的“弓形”回淤体。

图21为洋山港一期工程东侧全封堵导流整治工程基本完成后，2006-04～2007-04，大小洋山水域地形冲淤变化情况，由于码头区水流平顺，原来的“弓形”淤积体已不复存在。施工期回填泥沙流失造成的回淤也基本被冲刷。工程实践进一步说明采用合适的整治工程可以解决岬角型绕流的流态和相应的泥沙淤问题。

图20 监测区域冲淤图(2004-03～2004-07)Fig.20Regionalscourandfillmapsofmonitoringarea图21 大小洋山水域冲淤图(2006-04～2007-04)Fig.21RegionalscourandfillmapsofYangshanPortarea

3 结论

(1)在一些海岛或海湾湾口部位，岸线走向不再平直，而具有“岬角型”海岸线特点，随着边界条件的不同，经过这里的潮流具有分流、汇流或挑流、绕流等不同特点的复杂流态。本文结合几个典型的港口工程研究成果，将岬角型岸线处潮流特点进行归纳分类：环抱型和绕流型。文中分析了这两类岬角型岸线处潮流特点、泥沙运动特点，以及建设海洋工程时可能存在问题，同时探讨了整治工程的原则和方法等。

(2)岬角环抱型——岬角的迎水区和背水区，即分流区和汇流区，水流紊乱，当水体含沙量较高时，岛屿前后两端均可能产生鱼嘴型淤积体。淤积区一般不宜建设港口或航道工程；但可依据水流条件布置围海工程，此类工程的关键一般是通过试验研究确定围海工程合适的“鱼嘴点”的位置。

(3)岬角绕流型——潮流以绕(挑)流形式通过岛屿或海岸的岬角，在岬角附近，分为两股水流或与另一股潮流汇合。由于岬角的挑流作用，在岬角“下游”侧岸线处容易形成一定尺度的回流。由于较强的绕(挑)流作用，岬角附近往往形成深潭或深槽。潮流主流通过岬角后，容易形成一定尺度的回流，当有充分泥沙补给时，在回流区范围内容易形成“弓形”或“半月形”淤积体。一般需要通过整治建筑物改善绕流区水流，基本途径有：

①岬角岸线光滑处理(采用适当的围海工程)，减小岬角的挑流作用，使水流流态尽量平顺。

②全封堵潮流通道；尽量减小绕流水量(封堵建筑物走向尽量与主流向一致)。

③半封堵潮流通道，需通过试验研究确定整治建筑物布置形式。

(4)本文应用工程实例说明两种典型的岬角型岸线潮流特点和泥沙回淤特点，以及对有关海洋工程问题进行的整治措施研究成果。因工程实践和认识水平有限，很多问题的认识还待于今后进一步提高和完善。

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Cape type shoreline tidal current and sediment characteristics and marine engineering problems

XUXiao

(NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

Some coastline parts of island or mouth of bay, the coastline direction is not straight, but with a "Cape" characteristics. So the tidal currents are of different features, such as shunt(confluence) current or bypassing(deflecting) current in different border conditions. In this paper, on the basis of several typical harbor engineering research results, the flow characteristics of cape type coastline were summarized, and the characteristics of sediment transport and the possible problems in construction of marine engineering were analyzed to explore the principles and methods of regulation project.

cape type coastline; tidal current characteristics; sediment siltation characteristics; marine engineering problems

2017-04-26；

2017-06-21

徐啸(1943-)，男，南京市人，教授，主要从事海岸动力学方面研究。

Biography：XU Xiao(1943-),male,professor.

TV 143;O 242.1

A

1005-8443(2017)05-0440-07