烟台套子湾人工岛工程水沙环境影响研究

李文丹,李孟国,许 婷,闫 勇,左书华,麦 苗

(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研究中心，工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456)

引 言

随着我国经济的高速发展，沿海发达地区的土地、岸线资源日趋紧张，旅游业资源有待进一步开发。在海上围海造陆建设人工岛既可以增加土地、岸线资源，又可以大力促进旅游开发。海上人工岛建设会导致周边海区的水动力泥沙环境和海床冲淤发生变化，必须研究论证人工岛方案对水沙环境和海床稳定的影响[1-10]，对于大型人工岛还要论证岛内的水体交换能力[11]。目前的研究手段多以数学模型研究为主[1-11]，鲜见物理模型研究。

烟台是我国著名的滨海旅游城市，套子湾位于山东半岛北部，面向渤海海峡。海湾呈“凹”弧形向NNE方向开敞(图1)，是典型的弧形海岸，西起顾家围子山龙门眼，东至芝罘岛西北角，口门宽约19 km，面积约184 km2[12]。整个海湾从湾顶向海呈缓慢倾斜，海底平坦，平均坡度在5‰～8‰[13]，只在两端岬角及八角处海底起伏较大，水深较大，全湾平均水深12 m，最大水深20 m。套子湾海湾岸滨为金沙滩，金沙滩西至黄金河口，东至夹河口，西侧区域略窄，宽度约50～60 m，东侧区域略宽，宽度约100～150 m[13]，总面积为23.5 km2，这里滩长、坡缓、沙细，是良好的海水浴场，是国内外著名的旅游度假圣地。为促进经济发展，在套子湾内建设人工岛以进一步开发旅游度假资源的设想被提到议事日程上来，提出了建设菩叶岛人工岛工程方案(图1)。菩叶岛方案总面积约6 km2，离岸最近距离为2.5 km，理论水深约12 m。菩叶岛形式为一心六岛，一心即位于规划方案中心的圆形岛屿，圆岛直径约1.23 km，六岛即中心圆岛周围环绕着的6个菩叶形岛屿，圆岛与六岛间留出宽约75 m的圆形水道，六岛两两之间皆有水道通向外海，水道最小宽度在70 m左右。

在套子湾内建设人工岛，将会对湾内原有的水动力条件，泥沙环境，以及自身的水体交换能力产生较大影响。本文首先根据套子湾的自然条件对套子湾人工岛建设的可行性进行初步分析，然后建立波浪潮流泥沙物理模型，对菩叶岛方案实施后对水沙环境影响进行试验研究和分析，详细论证其对套子湾水动力、岸滩稳定性和金沙滩的影响，判断菩叶岛建设的可行性。

1 套子湾水动力泥沙条件

通过对现场实测资料的分析，套子湾的水动力泥沙特征如下[13]：

(1)套子湾海域的潮汐属于正规半日潮汐性质，多年平均潮差1.49 m。潮流性质属于不规则的半日潮流(大潮)和不规则的全日潮流(小潮)；潮流运动以往复流为主，涨落潮流总体上顺着湾形流动，涨潮主流向偏SE向，落潮主流向偏NW向；潮流动力较弱，实测大潮涨潮平均流速0.06～0.14 m/s，涨潮最大流速0.11～0.29 m/s，落潮平均流速0.06～0.15 m/s，落潮最大流速0.10～0.28 m/s。套子湾海域波浪动力较强，芝罘岛海洋站(图1)出现频率较高的浪向为NW、N、NNW和NNE，其频率5.1～7.6%，平均波高1.1～1.5 m，最大波高出现在N向和NW向，分别为7.0 m和6.9 m。

图1 套子湾示意图

(2)套子湾海域床面沉积物以粉砂质砂分布为主，其次是极细砂和砂质粉砂，沉积物总体呈条带状分布向外逐渐变细，与等深线分布趋势基本一致；大部分区域的表层沉积物分选性都很好，沉积物内细颗粒泥沙含量很少，小于0.004 mm的细颗粒泥沙平均含量仅为3.49%。

(3)套子湾海域外来泥沙很少，正常天气下含沙量很低(平均含沙量小于0.01 kg/m3)，泥沙运动总体较弱。由于流弱沙粗，套子湾床面泥沙单独潮流作用下不能起动，因此，潮流动力和悬沙对套子湾的造床贡献很小。波浪是套子湾泥沙运动和造床的主要动力，在套子湾运动的泥沙主要是床面泥沙在波浪作用下的再搬运、再悬浮和再沉降。波浪作用下套子湾床面泥沙运动区域主要分布在10 m等深线以浅水域，泥沙以横向输运为主[14]，纵向输沙率很小。

(4)套子湾是典型的弧形海岸。套子湾岸线在自然状态下处于微侵蚀状态，由于近些年来在人为干预下大部分岸线已成为人工岸线。通过对不同时期海域等深线对比分析，套子湾岸滩和海域的水下地形变化总体上处于微冲刷稳定状态，表明套子湾基本上不存在大量泥沙迁移运动和岸线侵蚀或堆积作用。

根据套子湾的水动力泥沙条件进行初步分析判断，套子湾内具有建设人工岛的可能性。首先，套子湾弧形海岸岸线和岸滩床面稳定，基本上不存在大量泥沙迁移运动和岸线侵蚀或堆积作用，为人工岛建设提供了基本条件；其次，套子湾潮流动力弱，不是造床动力因素，泥沙来源少，含沙量低，人工岛的建设对潮动力影响小，不可能造成岸滩大冲大淤，也不可能使金沙滩泥化；另外，由于泥沙运动以波浪作用下横向输运为主，且岸滩海床处于微冲状态，所以人工岛具有减弱波浪输沙的护滩作用，金沙滩不会被淘刷，岸滩侵蚀作用减弱。

2 波浪潮流泥沙物理模型设计

根据套子湾的水动力泥沙条件，本海区潮流动力较弱，近岸泥沙粒径相对较大，潮流对泥沙的运动作用很小，主要是波浪作用下的底沙输移，因此本模型主要考虑波浪作用下的地形变化，不考虑悬沙对造床影响。因此，本模型应在满足潮流运动相似的基础上，按照波浪作用下的底沙输移来进行模型设计[15]。

2.1 相似准则

潮流和波浪底沙物理模型的设计应该满足几何相似、水流运动相似、波浪运动相似和泥沙运动相似。水流运动相似包括重力相似、阻力相似及垂直比尺限制条件。波浪运动相似包括波浪折射、波浪绕射、波浪反射、波浪陡度、波浪传播速度相似、破碎水深和破碎波高相似、破波类型相似和沿岸流相似。泥沙运动相似包括泥沙起动相似、泥沙沉降相似、破波区岸滩剖面相似、沿岸输沙量相似和泥沙床面变形相似。各相应比尺之间的关系式参见文献[16]。

2.2 模型范围与比尺

为了保证湾内水流的分布，模型范围东西向需涵盖东岛咀～芝罘岛套子湾全部，北侧至套子湾北侧外沿线，即模型东西向长约18 km，南北向宽约12 km。模型试验厅试验段范围为61 m×40 m，因此，确定模型平面比尺为1∶300。模型布置如图2所示。在潮流模型中，在满足重力、阻力相似要求的同时，对模型的垂直比尺也有所限制，模型中水流应处于阻力平方区内，模型水流雷诺数应大于1 000。本模型为波浪作用下的底沙输移模型，因此模型设计必须满足潮流相似条件和波浪相似限制条件外，模型设计还要兼顾：(1)试验区域范围及试验场地的大小、试验设备供给能力及测量精度；(2)模型水流应满足流态相似，研究区域内的水深不宜小于3 cm；(3)模型应满足阻力相似，并同时考虑摩阻损失不能太大；(4)有能满足泥沙起动相似要求的模型沙。经多因素的对比分析，确定本模型垂直比尺为1∶100。其它各项模型比尺见表1。

图2 物理模型平面布置

表1 模型比尺汇总

2.3 波浪边界

研究表明[13]，一般天气情况下，波浪作用下5 m以浅水域的床面泥沙能发生运动，大浪情况下10 m以浅水域泥沙能发生运动。因此，波浪作用下套子湾床面泥沙运动区域主要分布在10 m等深线以浅水域。物理模型试验主要研究波浪作用下套子湾10 m等深线以里的海床泥沙冲淤变化情况，物理模型中的浪向选择原则是对岸滩泥沙起动能起到较大作用的波向，根据套子湾的朝向，对工程区影响较大的波向为偏N向浪～偏NE向浪，通过统计计算，偏N向代表波向为1.3°，偏NE向代表波向44.2°，因此模型选取N和NE为模型代表波向。模型的波浪边界采用规则波造波机生波，造波机布置在深水区(图2)。

根据分析，本海域5 m水深处满足泥沙起动的波高约为0.7 m。因此，仅按照波高大于等于0.7 m的波浪进行频率加权统计。在水深5 m处，N向特征(控制)波高约为1.59 m，周期5 s，年发生频率17%，NE向特征(控制)波高约为1.57 m，周期5 s，年发生频率6%。

2.4 动床范围及模型沙选择

2.4.1 动床范围

物理模型试验主要研究波浪作用下套子湾10 m等深线以里的海床泥沙冲淤变化情况，因此模型局部动床范围由岸线向北至10 m等深线，东西向以拟建菩叶岛为中，两侧各5 km，共约10 km的范围(图2)。动床区模型沙厚度约10 cm，相当于原型10 m。

2.4.2 模型沙选择

套子湾海域床面沉积物以粉砂质砂分布为主，动床范围内的近岸水域床面平均中值粒径约为0.09 mm，通过计算和试验，静水沉速约为0.5 cm/s，平均水深在5 m左右的泥沙起动流速约为0.56 m/s，起动波高约为0.7 m。

模型计算泥沙沉降比尺为3.33，起动比尺为10，满足水流沉降和起动的模型沙静水沉速和起动流速分别应为0.166 cm/s和5.6 cm/s，满足波浪起动的波高应大于0.7 cm。

采用比重为1.25 t/m3、中值粒径为0.1 mm左右的褐煤颗粒作为模型沙，其静水沉速约为0.143 cm/s，沉速比尺为3.49，偏差为5%左右，可满足泥沙沉降相似的要求。在水深5 cm的条件下，该模型沙起动流速约为5.0 cm/s，起动比尺为11.2，偏差为12%，基本可满足泥沙起动相似的要求。根据模型沙波浪起动试验结果，该种模型沙在水深5 cm的条件下，起动波高约为1.2 cm。

模型N向和NE向特征波高分别为1.59 cm和1.57 cm，可满足模型沙波浪起动的要求。

2.5 仪器设备

本模型为三面开边界模型，潮汐控制采用可逆泵生潮系统完成，分别在模型的东侧、西侧共布置6套可逆泵生潮设备，每台设备功率7.5 kw，供水能力1 100 m3/h，可满足模型最大供水量的要求。水位测量采用超声波水位仪进行，特征点流速、流向采用多普勒流速仪进行测量，流场则采用照片的形式提供。本模型波浪主要考虑N和NE浪向的作用，在模型中布置两台造波机模拟波浪动力，长度分别为12 m，波高采集与控制采用自行设计的软件系统来完成。泥沙模型试验中沿岸输沙补充等采用自行设计的自控(调)式模型加沙测量系统完成，地形测量采用自行研制的超声波地形自动测量系统，输沙量的测量则采用集沙盒的方法。

3 模型验证

3.1 潮动力验证

采用2010年9月25日10：00—9月26日13：00和10月1日08：00—10月2日11：00同步大、小潮水文全潮实测资料进行了潮位、流速、流向验证，其中潮流测站为1～5#、7#、8#共7个，潮位测站为H1和H2两个站，站位位置见图2。大潮潮位验证见图3，大潮4个站的流速流向验证见图4。验证结果表明，无论是潮位，还是流速流向，其过程线均与原型吻合良好，其中高、低潮位差值基本在0.05 m左右，流速流向测站的潮段平均流速与原型的差值小于2 cm/s，平均流向差值小于10°，符合文献[16]的规定，说明模型潮位、潮流的验证是成功的，模型边界的设置是合理的，模型满足了与原型潮流相似的要求。

图3 大潮潮位验证曲线

图4 大潮流速流向验证曲线

3.2 沿岸输沙验证

套子湾沿岸输沙量没有实测资料，采用计算结果进行验证。计算结果表明[13]，套子湾弧形岸线中间断面(菩叶岛中心向岸线的垂直线)沿岸输沙量不大，向东输沙量1.68万m3/a，向西输沙量1.98万m3/a，净输沙方向向西，净输沙量0.3万m3/a，总输沙量3.66万m3/a。

选取动床区的相应断面，在断面上安放集沙盒，通过测量试验后集沙盒内模型沙量来计算模型输沙率。造波机造波控制水深5 m处，N向波高1.59 m，周期5 s，年发生频率17%，NE向波高1.57 m，周期5 s。通过3次6—12 h分时段重复试验，在模型中8 h左右试验，输沙量达到与天然输沙量基本一致，试验值与计算值偏差10%以内，符合文献[16]的规定。

集沙盒的集沙分布表明，输沙量主要集中在2 m等深线以里，5 m等深线以外的水域基本不存在沿岸输沙现象。

3.3 海床冲淤验证

为了进行海床冲淤验证，在动床区设置26个断面(图2)，断面间距300 m，断面长度介于1 400～2 200 m，断面编号D01—D26。断面D01—D09称为西部区域，断面D10—D18称为中部区域，断面D19—D26称为东部区域。动床物理模型验证试验以2010年地形为基础进行了一年的冲淤试验，对26个断面的冲淤结果进行了测量和统计。根据2004～2010年6年间水深变化分析的年冲淤变化量与试验年冲淤变化量的对比见表2。由表2可见，试验结果与实测结果吻合较好，海床冲淤验证符合文献[16]的规定。

表2 实测与试验冲淤对比

2004—2010年6年间水深变化对比结果表明，套子湾岸滩整体处于微冲刷状态，2 m等深线以里的海域，年均冲刷在4 cm左右，2～5 m等深线之间的海域年均冲刷在2 cm以下，5 m等深线以外的海床年冲刷强度不足1 cm，处于动态平衡状态。

动床物理模型验证试验结果表明，工程区近岸海域地形变化情况与天然变化规律基本一致，即在2 m等深线以里的区域总体呈现为冲刷的状态，年均冲刷强度约为4 cm。在2～5 m等深线之间呈现为有冲有淤，总体为略有冲刷的状态，年均冲刷强度约为1 cm；在5 m等深线以外的水域，呈现为有冲有淤，冲淤基本平衡的状态，平均水深变化不足1 cm。

4 试验成果与分析

4.1 菩叶岛工程对潮流动力的影响

在拟建菩叶岛周围若干个流速采样数据分析表明，现状下工程区附近流速较弱，大潮涨潮平均流速0.06～0.16 m/s，落潮平均流速0.05～0.16 m/s，金沙滩的平均流速小于0.05 m/s,潮流基本呈现为顺着岸线的近东西向的往复流。

菩叶岛方案实施后，菩叶岛起到了分流和挑流的作用，南北两侧水流流迹线基本平行于菩叶岛外沿线，东西两侧呈现环流区和缓流区，在其南北两侧流速有所增大，东西两侧流速有所减小。工程后菩叶岛周边的大潮涨、落潮流速变化分别见图5。

从图5可以看出，菩叶岛对东西两侧流速的影响主要集中在东西两侧各1.5 km范围内，对南北两侧的潮流影响主要集中在南北各2 km范围,对菩叶岛正南方的影响可达2 m等深线，对2 m等深线以内的沙滩区域而言，流场基本不受菩叶岛的影响，即金沙滩及附近的流速不变。

图5 菩叶岛工程方案实施后平均流速变化(m/s)

4.2 菩叶岛工程对岸滩稳定性的影响

在波浪潮流动床物理模型验证试验的基础上，进行了菩叶岛实施后的冲淤试验，工程前后的冲淤结果见表3。

表3 菩叶岛工程前后冲淤对比

试验结果表明，菩叶岛方案实施后，床面地形的变化规律与天然状态下的变化规律基本一致，依然呈现为微冲的状态。菩叶岛建成后，对外海波浪起到一定的阻挡作用，削弱了波浪对岸滩泥沙的掀动能力，菩叶岛南侧的岸滩受到一定程度的保护，在菩叶岛至岸边的水域，虽然还呈现为微冲的趋势，但冲刷强度有所减弱，2 m等深线以外的海域则由微冲的状态变化为有冲有淤、冲淤基本平衡的状态；还有，工程后沿岸输沙量有2%的减弱[15]，说明菩叶岛的实施对菩叶岛南侧的岸滩及金沙滩的稳定起到了一定的保护作用。

4.3 金沙滩淘刷和泥化的可能性分析

波浪潮流动床物理模型试验结果表明[15]，菩叶岛工程方案实施后，菩叶岛南侧的岸滩冲刷强度及沿岸输沙呈减弱趋势，即菩叶岛工程对其南侧的岸滩及金沙滩的稳定起到了一定的保护作用，因此，金沙滩不存在淘刷消失的可能性。

沙滩泥化就是被粘性细颗粒泥沙泥质化。其原因有几个：(1)有丰富的粘性细颗粒泥沙来源，水体含沙量高。(2)水流动力条件减弱，水体挟沙力降低造成悬沙落淤。(3)波浪动力明显减弱，落淤下的细颗粒泥沙难再被掀起带走。

套子湾泥沙来源很少，粘性细颗粒泥沙来源更少，套子湾床面泥沙颗粒较粗，一般很难悬扬并随水流输移，水体含沙量很低，长期以来水体中的有限的细颗粒悬沙并未对海床底质产生影响，而是在潮流和波浪作用下长期悬浮于水体中难以落淤，因此，没有足够的粘性细颗粒沙源使金沙滩泥化。

菩叶岛工程实施后，金沙滩潮动力不受影响，菩叶岛与金沙滩之间的水域流速增加，因此，水流挟沙力不会降低，不会因此造成金沙滩悬沙落淤增加。

菩叶岛工程离岸线2.5 km，距离金沙滩较远，金沙滩处的波浪衰减幅度比较小，对沿岸输沙影响较小，即波浪动力没有明显减弱，落淤在金沙滩上的细颗粒泥沙仍然可以被掀起带走[15]。

综上分析，金沙滩不会因为菩叶岛的建设发生泥化现象。

4.4 菩叶岛工程形成连岛沙坝可能性分析

连岛沙坝是连接陆地与离岸岛屿之间的沙坝，是海岸受岛屿岬角保护而形成的海岸堆积地貌。连岛沙坝形成需要满足两个条件，一是要有丰富的较粗颗粒泥沙来源，二是要有适合泥沙堆积的沉积动力环境。前面的分析和试验研究结果表明，套子湾是典型的弧形海岸，泥沙来源很少，天然情况下沿岸输沙量非常有限，菩叶岛工程对其南侧的岸滩及金沙滩稳定性和沿岸输沙影响很小，向东和向西的沿岸输沙动力条件都还存在。菩叶岛工程本身没有形成连岛沙坝的泥沙和动力条件，因此，菩叶岛工程不会形成连岛沙坝。

连岛沙坝能否形成还可以根据人工岛距岸边的距离及自身尺度等进行简单判断。人工岛形成连岛沙坝的条件[17]如下：

式中，xb为岛的尺度(或直径)；yb为人工岛离岸距离；ω为泥沙沉速；H0和T分别代表深水平均波高和平均周期。

菩叶岛面积6 km2,其直径xb=2.765 km，离岸距离yb=2.5 km；泥沙中值粒径为0.09 mm；泥沙沉速ω=0.005 m/s；深水平均波高H0=1.5 m；平均周期T=5.0 s；代入式(1)有：

因此，菩叶岛工程不能形成连岛沙坝。

4.5 菩叶岛工程内部水体交换能力分析

菩叶岛工程实施后[15]，菩叶岛通道内的流速较小，各通道内平均流速介于0.06～0.11 m/s之间，菩叶岛北侧的通道流速较大，南侧通道流速次之，中部通道流速最小。受通道内曲折边界的影响，会有小范围的环流存在，但强度和范围均很小，基本不影响通道内的流场畅通。

试验结果表明[15]，北侧通道在一个涨潮或落潮周期(6 h左右)内即可完成一次循环，其它各通道也可在2～3个涨落潮周期(1～2 d)完成一次循环。

5 结论

在套子湾建设人工岛会进一步开发烟台套子湾金沙滩的旅游资源，提升旅游档次，促进烟台市旅游经济发展。本文根据套子湾的水动力泥沙条件分析并建立波浪潮流泥沙物理模型试验对套子湾菩叶岛人工岛工程建设对水沙环境影响进行了研究，从自然条件，人工岛对潮流动力、金沙滩和海床稳定性的影响及岛内水体交换条件角度论证了其建设的可行性，主要结论如下：

(1)套子湾为典型的弧形海岸，岸滩及岸线多年来保持微冲刷的基本稳定状态，泥沙来源少，正常天气条件下含沙量很低，潮流动力弱，波浪作用下纵向泥沙运动少，泥沙运动总体较弱，在湾内建设人工岛是可行的。

(2)菩叶岛工程实施后，对潮动力的影响主要集中在菩叶岛南北侧各2 km、东西侧各1.5 km的范围内，对金沙滩潮动力没有影响。菩叶岛建成后，对外海波浪起到一定的阻挡作用，在菩叶岛至岸边的水域，虽然还呈现为微冲的趋势，但冲刷强度有所减弱，即菩叶岛的实施对菩叶岛南侧的岸滩及金沙滩的稳定起到了一定的保护作用。

(3)金沙滩不会因为菩叶岛工程而发生淘刷和泥化现象。

(4)菩叶岛工程不会形成连岛沙坝。

(5)菩叶岛实施后，岛内的水体在1～2 d内可以完成一次交换。

综上，从套子湾的自然条件及从对潮流动力、金沙滩、海床稳定性的影响及岛内水体交换能力角度看，套子湾内菩叶岛工程的建设方案是可行的。