莱州湾东岸近岸海域规划围填海后冲淤演变预测

周广镇, 冯秀丽, 刘 杰, 刘 潇, 徐 芳

(中国海洋大学海洋地球科学学院, 山东 青岛 266100)

莱州湾东岸近岸海域规划围填海后冲淤演变预测

周广镇, 冯秀丽, 刘 杰, 刘 潇, 徐 芳

(中国海洋大学海洋地球科学学院, 山东 青岛 266100)

运用Mike21模型中的水动力模块对研究区的潮流场进行了模拟, 分析研究区的冲淤趋势; 利用经验公式, 对波浪和潮流进行耦合, 计算出极端条件下的最大冲刷深度, 对比规划用海实施前后的最大冲刷深度, 以对该区域的海岸防护、工程选址等提供科学依据。结果表明: 受到填海工程的影响, 龙口湾内有轻微淤积, 界河至石虎咀近岸海域的波浪和潮流受工程影响而变小, 冲刷强度变弱。

莱州湾东岸; 水动力演变; 最大冲刷深度

山东半岛蓝色经济区规划的 9个集中集约用海核心区, 莱州湾有4个, 仅位于莱州湾东岸的龙口湾海洋装备制造业集聚区一期工程, 填海面积接近 50 km2, 如此大规模的围填海, 必定会导致莱州湾海域潮流、波浪、泥沙冲淤状况的改变, 进而影响莱州湾东岸附近海域的冲淤变化, 以及岸线的变化。近50 a来许多学者对该区的侵蚀灾害和泥沙运移做过大量研究[1-3], 研究莱州湾东岸近岸海域的冲淤变化, 对指导该区海岸防护、工程选址和沿岸地区的经济发展规划具有重要意义。

1 自然概况

1.1 研究区地质地貌

莱州湾东岸位于山东半岛西北部, 北界为屺坶岛及其连岛沙坝, 东为龙口港, 向西南经招远延伸至莱州的石虎咀(研究位置如图1所示)。属于稳定的平原港湾海岸, 其平面形态呈对数螺旋形。本段海岸沿岸堤低,海滩较宽, 坡度缓, 物质细。构造上位于郯庐大断裂东侧, 为上升区, 属于胶东隆起及胶北抬凸的西北翼, 沿岸多低缓丘陵, 沙嘴、沙坝、潟 湖十分发育, 是典型的对数螺旋型砂质海岸。研究区地势由东南向西北倾斜,入海河流主要有界河、朱桥河和王河等[4]。

1.2 工程概况

龙口湾临港高端制造业聚集区一期工程龙口部分, 南至龙口界河以北300 m, 北至龙口恒河入海口南侧, 西至约-8.5 m等深线, 东至海岸线, 集中集约填海约37 km2。共有6个人工岛和1个突堤式人工岛填海, 人工岛群和陆地间水道宽度约 500 m, 岛间 NE-SW 向纵向主水道宽度也为 500 m, 北部NW-SE向横向水道宽度300 m, 南部NW-SE向横向水道宽度200 m。规划用海区共形成人工岸线54.8 km,占用自然岸线3.9 km。招远部分填海约9 km2。

图1 填海工程位置及研究区水深地形图Fig. 1 Location of the reclamation and water depth of the study area

2 数值模拟简介

2.1 模型介绍及参数设置

MIKE21是丹麦水动力学研究所开发的一种平面二维数值模型, 采用拟合陆边界、网格设计灵活且可随意控制网格疏密的非结构三角网格剖分计算域。因其具有友好的界面、可靠的算法、强大的前后处理功能等优点, 已经在世界70多个国家得到应用, 并得到世界公认。MIKE21FM 采用标准 Galerkin有限元法进行水平空间离散, 在时间上采用显式迎风差分格式离散动量方程与输运方程[5]。

采用三角形非结构网格, 开边界处由M2, S2, O1, K1四个主要分潮提供水位开边界条件。四分潮调和常数由渤、黄、东海海洋图集各分潮同潮图内插得到。为了能清楚了解本工程附近海域的潮流状况, 将本工程附近海域进行局部加密, 加密区域计算范围为37.447°～37.686°N, 120.012°～120.317°E。整个模拟区域(填海之前)共有7 024个节点和12 304个三角单元组成。

2.2 潮位验证

国家海洋局北海环境监测中心于2007年12月25日19: 00～2007年12月26日20: 00(大潮期间)在工程周边海域分别进行了3个站位26 h单周日潮流同步连续观测。对于半日潮海区, 利用大潮期间的潮位观测资料进行调和分析计算, 可以确保得到较为正确的结果。因此, 本次模拟选用大潮期间的潮流观测数据作为验证资料。验证结果表明, 对应观测点上潮位和潮流模拟结果与实测潮流资料吻合较好, 能够较好地反映工程周边海域潮流状况。

3 数值模拟结果分析

图 2是研究区海域大潮期间落潮中间时潮流场现状, 潮流整体由SW往NE流, 屺姆岛最大流速约为75 cm/s; 石虎咀最大流速约25 cm/s, 招远岸段附近海域潮流流速整体介于18～35 cm/s之间。

通过数值模拟结果(图 3)可以看出, 工程前后,研究区西北部流速大小基本不变; 受到工程影响,龙口湾流速减小 4～8 cm/s, 填海工程招远部分至石虎咀的近岸区域流速减小4～12 cm/s, 工程形成的半圆形区域, 流速减小 24 cm/s; 填海工程西侧由于挑流作用流速变大 0～8 cm/s, 填海工程招远部分与岸之间的水道以及两工程之间的水道, 流速增大幅度在4 cm/s左右。

4 极限冲刷深度预测计算

4.1 计算原理

海岸地区大规模的泥沙输移大多是波浪和水流共同作用下完成的。根据力学平衡原理, 将波浪和潮流在海底产生的切应力耦合, 与沉积物颗粒临界起动剪切力相比较, 如果切应力大于临界起动剪切力,研究区海床将继续冲刷, 然后根据冲刷后的水深重新计算波浪要素, 计算浪流切应力, 再次比较, 直到切应力等于临界起动剪切力, 就停止计算, 保留下此点的水深, 即为极限冲刷深度。

波流共同作用下的床面切应力:

图2 工程前后研究区海域潮流场对比Fig. 2 Comparison of tide current field of the study area

图3 填海前后流速变化图Fig.3 Flow velocity changes after the coastal planning

曹祖德[6]等利用波浪槽试验结果, 推导出不同流态、泥沙粒径时的临界起动力τb:

式中:ν为水体动粘滞系数;ρs为泥沙颗粒密度;ρ为水的密度;d为沉积物中值粒径。

本文利用招远岸段沉积物调查资料、908渤海湾沉积物调查资料、海湾志第3册龙口港的资料, 得到研究区的中值粒径分布。利用surfer8.0, 对数据进行网格化, 每隔120 m取一个点, 得到研究区的中值粒径, 利用上述公式, 计算出莱州湾东岸附近海域沉积物临界启动力。

4.2 极限冲刷深度预测结果

4.2.1 N向风

规划用海实施后, 研究区无冲刷区域变大, 屺坶岛前端冲刷强度不大, 龙口湾到填海工程之间的区域冲刷作用不明显。波浪和潮流在传播的过程中受到填海工程的阻挡, 发生绕射和反射, 工程前端冲刷强度增大。春雨渔港西侧1 000 m左右至石虎咀的近岸海域, 最大冲刷深度0～4 m, 界河口西侧也有轻微的冲刷。

4.2.2 NE向风

规划用海实施后, 研究区无冲刷区域变大, 屺坶岛和龙口湾最大冲刷深度无较大变化, 但是界河到石虎咀近岸海域最大冲刷深度变小, 填海工程西侧最大冲刷深度变大。

两种工况下的计算结果见图4和表1。通过经验公式计算最大冲刷深度发现, 受到填海工程的影响,龙口湾流速和有效波高变小, 不利于泥沙的启动和运移, 最大冲刷深度变化不大; 填海工程前端由于挑流和破浪作用, 潮流和波浪作用较强, 有利于泥沙的启动和运移, 最大冲刷深度增大; 界河至石虎咀近岸海域的波浪和潮流受工程影响而变小, 最大冲刷深度较填海前变小。所得结论与数值模拟得到的冲淤趋势一致。

5 结论

表1 工程前后八级N和NE向风最大冲刷深度对比表Tab.1 The comparison between the maximum scour depth before and after the engineering N and NE direction 8 degree wind

本文运用Mike21模拟研究区的潮流特征, 分析规划填海前后研究区海洋环境的变化趋势; 利用经验公式计算出极端条件下的最大冲刷深度, 分析规划填海实施后研究区的冲淤演变规律。研究成果主要有: (1) 工程前后, 研究区西北部流速大小基本不变; 受到工程影响, 龙口湾流速减小4～8 cm/s, 填海工程招远部分至石虎咀的近岸区域流速减小 4～12 cm/s,工程形成的半圆形区域, 流速减小 24 cm/s; 填海工程西侧由于挑流作用流速变大0～8 cm/s, 填海工程招远部分与岸之间的水道以及两工程之间的水道,流速增大 4 cm/s。(2) 通过经验公式计算最大冲刷深度发现, 受到填海工程的影响, 龙口湾最大冲刷深度变化不大; 填海工程前端最大冲刷深度增大;界河至石虎咀近岸海域最大冲刷深度较填海前变小,与数值模拟得到的流场变化趋势基本一致。

图4 八级N, NE向风作用下的最大冲刷深度Fig. 4 The maximum scouring depth after and before the engineering

[1] 庄振业, 陈卫民, 许卫东, 等. 山东半岛若干平直砂岸近期强烈蚀退及后果[J]. 青岛海洋大学学报, 1989, 19 (1): 90-98.

[2] 董卫卫. 莱州湾东岸冲淤演变分析与防护[D]. 青岛:中国海洋大学, 2008.

[3] 杜国云, 孙祝友. 渤海湾莱州湾东岸海岸带人为地质灾害研究[J]. 地质灾害与环境保护, 2005, 16(03): 225-230.

[4] 中国海湾志编纂编委会. 中国海湾志: 第三分册-山

东半岛北部和东部海湾[M]. 北京: 海洋出版社, 1991: 1-79.

[5] Janssen P, Lionello P, Zambresky L. On the interaction of wind and waves [J]. Philosophical transactions of the royal society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 1989, 329(1604): 289-301.

[6] 曹祖德, 孔令双, 焦桂英. 波、流共同作用下的泥沙起动[J]. 海洋学报, 2003, 3: 113-119.

[7] Silvester R. Coastal Engineering 2: Sedimentation, Estuaries, Tides, Effluents, and Modelling [M]. Netherlands: Elsevier Scientific Publishing Company, 1974: 72-77.

[8] Hsu J R C, Silvester R, Xia Y M. Static equilibrium bays: new relationships [J]. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 1989, 115(3): 285-298.

(本文编辑: 刘珊珊 李晓燕)

Prediction of erosion evolution and deposition in the east coast of the Laizhou Bay after the implemention of the coastal planning

ZHOU Guang-zhen, FENG Xiu-li, LIU Jie, LIU Xiao, XU Fang
(College of marine geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

May, 17, 2012

east coast of the Laizhou Bay; hydrodynamic evolution; the limit depth of scouring

In this paper, the hydrodynamic model of Mike21 was used to simulate the flow current, deposition characteristics of the east coast of the Laizhou Bay, to predict its erosion and deposition evolution, Coupling the wave and current, to calculate the limit depth of scouring using empirical formula. By comparing the limit depth of scouring before and after planning reclamation, we found that the Longkou Bay would have a slight deposition. The wave and current of coastal water between the Jiehe River and Shihu area would become smaller and erosion intensity would become weaker, under the influence of engineering. All these analyses have shown that the coastal water between the Jiehe River and Shihu area would change from erosion to deposition when the planning reclamation is implemented.

P751

A

1000-3096(2014)01-0015-05

10.11759/hykx20120517002

2012-05-17;

2013-11-02

海洋公益科研专项(201005009)

周广镇(1986-), 男, 山东枣庄人, 硕士在读, 主要从事海洋地质环境与工程研究, E-mail: anchor.ocean@163.com; 冯秀丽(1962-), 通信作者, 电话: 0532-66782057, E-mail: fengxiuli@ouc.edu.cn