沿岸输沙对几内亚湾某港的冲淤影响分析

张国权

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引 言

几内亚湾西起利比里亚的帕尔马斯角，东止加蓬的洛佩斯角，是非洲最大的海湾，本项目位于几内亚湾北岸，见图 1。项目是在现有渔港基础上进行升级扩建，包括渔港水域的港池和航道疏浚工程、码头与防波堤等水工建筑，以及配套设施建设。

本项目西临大西洋，大西洋的波周期较长，主要受涌浪控制，在宽阔的破波带上波浪破碎形成的沿岸流有可能使泥沙大范围起动，从而对港池和航道水深维护造成影响。工程的方案布置首先要考虑沿岸输沙可能带来的危害，本文通过现场实测资料分析与数值模拟的方式，对工程海域的沿岸输沙冲淤进行了分析，给新港的设计提供了可靠的依据。

图1 工程位置示意

1 自然资料分析

为配合本项目的设计与研究工作，在工程海域开展了波浪观测、水位观测、海流观测、含沙量观测及底质取样工作。

1）波浪

波浪观测点位在工程海域离岸约5 km、水深约20 m。观测期间，工程海域近岸常浪向为S向，频率为76.02 %；次常浪向为SSE，频率为18.29 %。S向和 SSE向波浪占绝对主导，合计出现频率为94.31 %，实测平均H1/3波高为0.95 m，最大T1/3周期为13.28 s，平均T1/3周期为8.76 s。

2）水位

水位观测共分两点进行，根据观测结果，工程海域潮差不大，观测期间平均潮差107 cm，平均涨潮历时略大于平均落潮历时。观测期内，实测最高潮位为221 cm，平均高潮位为174 cm，最大潮差为190 cm。

3）海流

海流为大中小潮连续观测，共分六条垂线进行。根据观测结果，工程海域流速不大，各测点、各分层流速中，最大流速为0.64 m/s，最大全潮平均流速为0.36 m/s，平均流速大多在0.15～0.3 m/s，大、中潮期流速相对较大，小潮期流速相对较小。各测点垂向流速总体表现为由表层向底层逐步减小的趋势，最大流速基本位于表层和0.2H层，最小流速位于底层和0.8H层，表层至0.6H层范围内流速相对较均匀。受几内亚暖流影响，流向较为单一，平均流向为E向。

4）地形

工程海域近岸水下岸滩坡度较陡，-5 m以浅区域岸滩坡度基本小于1/120。其中，上游岸滩坡度略陡，平均坡度约1/80。渔港工程附近局部区域岸滩相对更陡一些，约1/40，反映出岸滩淤积的迹象。下游岸滩略缓，平均坡度在1/110左右。随着离岸向海方向，岸滩坡度明显趋缓，-5～-10 m范围和-10～-20 m范围的岸滩坡度大致在1/280～1/400。

5）地质

工程海域近岸泥沙相对较粗，泥沙中值粒径普遍大于0.1 mm，表现为明显的沙质特性。其中，上游近岸泥沙中值粒径基本在1 mm左右，岸滩粗化明显；下游近岸泥沙相对细一些，泥沙中值粒径在0.13～0.29 mm，平均中值粒径约0.22 mm。随着离岸向海方向，大致在-5 m以深水域，泥沙明显细化，中值粒径大致集中在0.05～0.09 mm，表现为粉砂特性。底质泥沙与水下地形分布共同表明，工程海域海岸类型为沙质海岸。

6）含沙量

在现场潮流连续观测过程中，于各测点同步开展了水体含沙量观测。统计了各测点各分层的最大含沙量和各测点最大垂向平均含沙量。统计结果显示，大、中、小潮期间，各测点实测含沙量均较小，分层含沙量不超过0.1 kg/m3，垂向平均含沙量不超过0.06 kg/m3。

2 沿岸输沙率分析

工程海域属于典型的沙质海岸，其泥沙运动主要位于近岸破波带内，包括横向输沙和沿岸输沙。一般而言，横向输沙仅使泥沙在近岸来回搬运，岸滩剖面随波浪在“平常浪剖面”和“风暴剖面”间做大致周期性变换，对岸线位置的长期变化影响不大。沿岸输沙是影响岸滩长期演变的主要因素，随着防波堤、丁坝等海岸工程的建设，沙质海岸岸滩演变趋势、港口工程泥沙冲淤防护等将主要受沿岸输沙控制。因此，需要掌握工程海域沿岸输沙能力与方向，以及实际可能的沿岸输沙量。

加纳学者Wellens-Mensah等（2002）对阿克拉海域沿岸输沙问题进行过分析，指出阿克拉海域近岸泥沙运动以“破波掀沙、沿岸流输沙”的沿岸输沙为主要特征，近岸波浪大，沿岸输沙具有57万m3/a的潜在能力，方向自西向东，但因沙源严重不足，实际沿岸输沙量估计约20万m3/a。但据近20年来工程海域卫星遥感图片对照，现有渔港上游岸线多年变化不大，反映了该处岸滩较为稳定的状态。本次水下地形测量结果显示，防波堤堤头4 m等深线具有沿岸沙嘴的分布形态，表明现有防波堤外侧具有沿岸输沙的迹象。

上述分析表明，阿克拉海岸处于岸滩侵蚀的大环境，但现有渔港工程上下游多年冲淤变化均不大，表明该局部区域范围内沿岸输沙量可能较小。对于工程区附近可能的输沙量，我们采用沿岸输沙率公式计算，考虑了近岸底质分布、岸滩坡度、波浪条件，并结合近年来岸滩稳定特性等情况对工程海域沿岸输沙率进行分析。

根据我国《港口与航道水文规范》中的沿岸输沙量公式，结合实际底质取样结果（考虑泥沙中值粒径可能出现的范围，取值0.22～1 mm）和工程海域实测的地形资料（岸滩平均坡度约1/80），初步判断工程海域沿岸输沙率可能在2～6万m3/a。

沿岸输沙量计算公式为：

3 数值模拟分析

1）水流计算模型

水流数学模型计算采用Delft3D软件包的Flow模块，其采用方程解释如下：

2）波浪计算模型

模型以二维动谱密度N（σ,θ）表示随机波，动谱密度为能谱密度E（σ,θ）与相对频率σ之比。动谱平衡方程为：

式中：左边第一项为N随时间的变化率；第二和第三项为N在地理坐标空间x、y方向上的传播；第四项为由于流场和水深所引起的N在相对频率σ空间的变化；第五项为N在谱分布方向θ空间（谱方向分布范围）的传播；Stotal为以谱密度表示的汇源项，包括风能输入、风与风间非线性相互作用和由于低摩擦、白浪、破碎等引起的能量损耗；Cx、Cy、Cσ、Cθ分别为在x、y、σ、θ空间的波浪传播速度，采用线性波理论计算。

3）沿岸流

沿岸流是由近岸波浪破碎引起的顺岸方向辐射应力梯度所导致的，在描述二维水深平均的水流动量方程中加入波浪力项，平面二维浅水方程表述如下（为简洁起见，略去其中部分分项）：

式中：C2D为二维谢才系数；Fx、Fy分别为x、y方向上水深平均的波浪力，由波浪模块中求辐射应力梯度值而得。

模型采用矩形网格，模型范围覆盖詹姆斯敦渔港及港区上下游各10 km和离岸5 km。外海边界附近网格步长为100 m，近港区逐步加密至10 m。

模型验证考虑了破波沿岸流、洋流（几内亚暖流）和潮流的共同作用，沿岸流模拟通过叠加波浪实现，洋流和潮流模拟通过潮位边界控制来实现。验证结果显示，潮位过程计算值与实测吻合良好，流速计算结果基本反映了工程海域流速变化趋势，全日潮流性质和海流运动方向得到模拟，流速量值较实测总体偏于安全。流速、水位验证及实测大潮期间工程海域最大流速时刻的流场见图2、图3。

图2 验证结果

图3 实测最大流速时刻流场

在水动力数学模型验证的基础上，考虑代表波（波高H13%=0.65 m，波向186.4°，平均周期6.9 s）组合动力，计算港区工程建设前后流场及变化。

在代表组合动力条件下，港区现状流场见图4。港区海域外海流速较小，约0.4 m/s。港区上游附近破波沿岸流较强，最大流速约0.8～1.0 m/s。沿岸流沿港区防波堤形成沿堤流，并继续向东运动，随着远离破波带以及能量损耗，沿堤流流速迅速减小至约0.4 m/s。港区下游存在较明显的回流，流速量值不大，回流区局部最大流速约0.3 m/s，大部分流速在0.1～0.3 m/s。在紧邻防波堤的北侧局部区域，即港区现状作业区域，流速普遍小于0.1 m/s。

图4 工程前港区代表波组合流场

图5 工程建设后港区代表波组合流场

在代表波组合动力条件下，防波堤环抱方案建设后，港区海域流场及变化见图5。结果表明，港区上游沿岸流沿防波堤外缘形成沿堤流，并顺堤身方向逐步向北偏转。沿堤流到达堤身一半位置时，局部流速较工程前增大约0.1 m/s，流速量值达到0.5～0.6 m/s。随着水流继续沿堤运动，流速虽逐步减小，但会继续向港区航道口门方向挑射，导致航道口门存在一定横流，流速量值约0.1～0.2 m/s。在防波堤掩护下，港区内部作业区域流速减小幅度基本超过0.1 m/s，局部流速减幅超过0.2 m/s，作业区域回流不明显，流速量值普遍小于0.05 m/s。港区北侧近岸海域流速减小幅度基本在0.1～0.25 m/s，流速量值也很小，普遍小于0.05 m/s。此外，受港口工程影响，港区附近上游沿岸流、防波堤东侧局部海域流速也有不同程度减小。

4）泥沙冲淤数学模型

冲淤计算采用无粘性沙（D＞0.063 mm）输运Van Rijn（1993）公式。泥沙输移以参考高度“a”为界，参考高度以下为推移质（底沙）输运，以上为悬移质（悬沙）输运。与水流相关的悬沙输移由水流流速剖面和悬沙含沙量剖面决定，含沙量由对流扩散方程计算确定。底沙输运包括水流引起的底沙运动、波浪引起的底沙运动和波浪引起的悬沙运动，皆表现为对近底水动力变化的快速响应，并受岸滩坡度的影响。

Van Rijn（1993）公式为：

式中：Ca为参考高度a处的质量含沙量（kg/m3）；ρs为泥沙颗粒容重（kg/m3）；D50为泥沙中值粒径（m）；Ta为无量纲底部切应力；D*为无量纲粒径。

根据前文沿岸输沙率公式计算分析结果，分别对6万m3/a和2万m3/a输沙量的现状岸滩演变过程进行了模拟。经对比分析，沿岸输沙率约2万m3/a基本满足上游岸滩稳定特性。计算了2万m3/a沿岸输沙条件下，约5年、10年和15年后水下地形。结果显示，工程海域上下游岸滩冲淤变化基本位于-2 m以浅的近岸区域，水下地形等深线出现一些变动，但变化速率不大。上游来沙主要淤积在防波堤堤根附近，使该区域岸滩淤积、岸线前进，上游岸线演变形成外凸形态。上述验证结果与收集到的卫片反映的现场实际情况相似。随着时间的推移，上游来沙会越过堤根，沿现状防波堤外缘存在略有淤积的趋势，与现场略有差别，但淤积微弱，基本符合工程海域现状岸滩淤积分布的特征。

4 实验结果分析

根据前文沿岸输沙率计算分析，采用2万m3/a作为工程海域上游来沙条件，计算港口工程建设完成后，港区海域及周边多年泥沙冲淤分布。工程建设约10年后及建设约20年后，港区海域泥沙冲淤分布分别见图6、图7。

结果显示，在沿堤流的作用下，上游来沙会沿防波堤外缘形成沿堤输沙，导致泥沙沿程逐步落淤、岸滩淤浅。因沿岸输沙强度较弱，港口工程建设约10年后，淤积体仅到达防波堤堤身中间位置，淤积高程大致在1～2 m。随着时间的推移，上游来沙持续沿防波堤外缘淤积，20年后淤积体均大致到达防波堤堤头，对港池航道暂未产生影响。随着上游不断来沙，防波堤堤头会逐步形成堤头绕沙。结合前文对工程海域流速流态的对比分析可知，防波堤外缘沿堤流及堤头存在挑流，影响沿堤输沙及堤头绕沙的最终走向。工程完成后将沿堤流及堤头挑流引向航道口门，导致堤头绕沙直接向航道方向输运。考虑到工程海域沿岸输沙量可能存在的区间范围，以及港口工程未来长期的防淤减淤和运营维护需要，在波浪掩护和工程规模无显著差别的情况下，建议拟建防波堤平面布置方案考虑适当的挡沙功能。

图6 工程建设10年后港区泥沙冲淤变化

图7 工程建设20年后港区泥沙冲淤变化

5 结 语

工程海域泥沙运动以波浪作用下的近岸沿岸输沙作用为主，方向自西向东。经工程海域岸线演变分析、沿岸输沙率公式计算，表明工程海域具有2万～6万m3/a的潜在输沙能力。由于泥沙来源不足，考虑到现有防波堤堤根处存在泥沙堆积现象，结合岸滩演变模拟结果，上游来沙2万m3/a条件下，防波堤建设后约20年，沿岸输沙沿防波堤外缘淤积至防波堤堤头，暂未对港区产生影响，总体具有较好的防淤减淤能力。根据岸滩稳定验证结果及多次冲淤计算分析，不同的沿岸输沙量带来的岸滩冲淤演变性质是相同的，来沙量大则带来冲淤幅度大。通过波浪动力、岸滩地形与底质泥沙情况分析，工程海域具有潜在的沿岸输沙能力，但缺乏典型海岸工程实例和可靠资料来准确计算输沙量值。考虑到工程海域沿岸输沙量可能存在的区间范围，以及港口工程未来长期的防淤减淤和运行维护需要，在波浪掩护和工程规模无显著差别的情况下，防波堤平面布置方案可适当的兼顾挡沙功能。