茂名市水东湾综合整治工程对水沙动力影响模拟研究

（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津300222；2.天津市水利勘测设计院，天津300204；3.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456；4.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222）

茂名市水东湾综合整治工程对水沙动力影响模拟研究

秦福寿1，杨泽君2，姚姗姗3，李姗4

（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津300222；2.天津市水利勘测设计院，天津300204；3.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456；4.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222）

通过潮流泥沙及水体交换数学模型试验，模拟了茂名市水东湾综合整治工程实施后湾内流场变化、水体交换能力及泥沙淤积情况。研究结果表明，方案实施后，潮汐通道内平均流速最大可增加0.1～0.4 m/s，且湾内水体交换能力大幅提升，月交换率从现状的65%提高到86%左右。此外，由于湾内泥沙来源不足，方案实施后正常年淤积十分有限，平均年淤强仅0.15 m/a。总体而言，综合整治方案是有效的。

数学模型；水沙环境；水体交换；泥沙淤积

0 引言

在历史研究中，对半封闭海湾内工程建设对水沙环境的影响多采用数学模型试验手段。罗锋[1]、刘浩[2]等人分别对乐清湾、深沪湾内的纳潮量及水体交换情况进行了研究；许雪峰[3]、沈林杰[4]等人探讨了围垦工程建设对三门湾及河口地区水交换及泥沙淤积的影响；王靖鑫[5]利用二维潮流、泥沙数学模型，从水体交换能力和泥沙输运角度，探寻了旅顺琥珀湾工程治理的合理方案。

图1 拟建工程海区形势及水下地形Fig.1 Proposed sea area situation and underwater topographic of the project

本文以水东湾综合整治工程方案为依据，通过平面二维潮流泥沙及水体交换数学模型试验手段，模拟了整治工程实施后湾内水体交换能力及泥沙冲淤情况，研究结论可为相关决策提供科学依据。

1 研究区域概况

水东湾地貌属典型沙坝—潟湖体系，潟湖湾与外海通过狭长潮汐通道连接，其中潮汐通道宽700 m、长6 km、深9 m，口外有拦门沙发育。图1中示意了水东湾海域地形地貌情况。解鸣晓等人于2012年9月—10月曾对水东湾水沙条件开展了较详尽的现场水文泥沙勘测工作，包括大、中、小潮潮位测量、流速流向测量及泥沙底质取样及分析等（测站位置见图2）。据实测数据统计，工程海域潮汐类型为不规则半日潮，潮汐通道内大潮平均流速0.3~0.5 m/s，最大流速可达1.0 m/s，外海主导波向为S-E向。海域含沙量较低，正常天气下一般在0.06 kg/m3内，悬沙中值粒径在0.009~0.012 mm。外海床面底质以细沙、中粗砂为主，潟湖内主要为黏土质粉砂，底质分布类型如图3所示。

图2 工程海域水文测站位置图

图3 水东湾底质类型分布Fig.3 Bottom material type distribution of Shuidong Bay

2 规划整治方案介绍

为改善当前水东湾内水体交换较差的现状，修复湾内水质及地貌景观，规划综合整治方案拟将湾内除红树林区外水域进行疏浚，疏浚底高程为-3.0 m（56黄海高程，下同），并对大洲岛周边进行适当围垦造陆，扩大中心岛屿面积。此外，同时考虑正在实施的水东港总体规划起步方案，其中航道浚深底高程为口外段-14.3 m，口内段-12.3 m。图4中示意了综合整治方案的平面布置形式。

图4 水东湾及水东港总体规划方案布置图Fig.4 Overall planning of Shuidong Bay and Shuidong Port

3 数学模型建立及验证

3.1 潮流数学模型

潮流数学模型理论采用平面二维浅水方程组，其基本形式见式（1）~式（3）。

磨合过程的实质是一个摩擦副从一个机加工的原始状态经过动态磨损而达到的低磨损的阶段过程，即经过一个负载从小到大，转速从低到高的磨合，使摩擦副处于低磨损表面状态的过程，这时柴油机才能出厂并在正常的负荷条件下使用。

模拟中计算域剖分采用无结构三角形网格，并采用多尺度模型嵌套手段。图5中示意了模型计算范围与网格配置情况，其中最小网格尺度为30 m。大尺度模型潮位边界条件由东中国海潮波运动模型提供，并考虑8个主要分潮（S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1，M2）。

图5 模型计算域及网格配置Fig.5 Model calculation domain and grid configuration

式中：h为总水深；g为重力加速度；u和v分别为垂线平均流速在x，y方向上的分量；f为科氏力系数；ρ为水体密度；Ex，Ey分别为x，y方向的水平紊动黏性系数，可由Smagorinsky方程求解；τbx，τby分别为床面剪切力在x，y方向的分量；Sxx，Sxy，Syx，Syy分别为波浪辐射应力的各向分量。

3.2 水体交换数学模型

水体交换模拟采用Euler思路，通过在所研区域内设置守恒性示踪剂，并根据其对流扩散分布判断交换情况，控制方程见式（4）。

式中:C为守恒性物质浓度；Dwx，Dwy分别为x，y方向的物质扩散系数，可取为和紊动黏性系数相等；F为物质衰减系数，守恒性物质取为0。

3.3 泥沙数学模型

根据底质分布情况，水东湾潟湖内底质为黏土质粉砂，而外海则为细沙或粗、中砂，因此在泥沙运动模拟中应同时考虑悬移质与推移质作用。悬沙运动基本方程如式（5）。

式中:S为沿深度平均的含沙量；S*为波流共同作用下的挟沙力；α为沉降几率；ω为泥沙沉速；Dx，Dy分别为泥沙水平扩散系数。

悬沙及底沙引起的地形冲淤变化如式（6），底沙引起的地形冲淤变化如式（7）、式（8）。

式中：ηb为底高程；γb为床面泥沙容重；qx，qy分别为x，y方向的单宽底沙输移量，可由窦国仁公式求解。

模型验证依据2012年9月现场实测大、中、小潮水文测验数据（测点位置见图2）。为节约篇幅，仅以大潮为例给出了部分测站潮位、流速流向及含沙量验证结果，如图6~图7中所示。其它验证成果可见文献[7]。据统计，计算值与实测值吻合良好，符合现行《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》要求。

图6 大潮潮位、流速流向验证Fig.6 Verification of the tide level and the flow velocity and direction

图7 大潮含沙量验证Fig.7 Verification of the tide sediment concentration

4 综合整治方案建设对水沙环境影响

4.1 流速变化情况

图8和图9中分别示意了现状及工程实施后大潮涨、落急流速矢量图。由模拟结果可见，现状条件下，水东湾海域潮流运动呈典型往复流态，涨、落潮时口门处潮流运动呈辐聚和辐散态，其中外海流速较低，潮汐通道及潟湖内潮沟处流速较高。综合整治工程实施后，大范围流态未改变，但湾内由于疏浚加深，从而低潮位不再露滩，湾内景观效果可得到改善。此外，方案整治后，涨潮时水东湾东部存在小范围回流。

为比较工程建设后湾内及潮汐通道内流速变化量值，布置取样点如图10，各取样点工程前后平均流速见表1。分析可现，方案实施后，由于疏浚导致湾内纳潮容积扩大，从而将吸纳更多潮体进入潟湖，而潮汐通道作为联系外海和潟湖的纽带，其流速有所增强，大潮平均在0.4~0.6 m/s左右，较工程前增幅介于0.1~0.4 m/s；而对于潟湖内，由于地形浚深，涨落潮时流速略有降低，湾内流速普遍减小，特别是大洲岛西侧及湾内东北侧水域均处在弱流区。

图8 现状大潮涨、落急流场图Fig.8 Flow chart of the maximum ebb and flow of the current tide

图9 方案实施后大潮涨、落急流场图Fig.9 Flow chart of the maximum ebb and flow of the tide after construction

图10 湾内及潮汐通道流速取样点位置Fig.10 Flow velocity sampling point in the tidal inlet

表1 各取样点流速特征值及变化Table 1 The characteristic values and changes of the flow velocity in sampling points m·s-1

4.2 水体交换能力

对湾内水体交换的模拟采用基于Euler思路的示踪剂法。计算初始时刻在水东湾内设置浓度为1.0 g/L的守恒性物质，而其它区域浓度则设置为0，计算时段采用连续潮作用30 d。水体交换率定义为自湾内扩散至湾外的物质总量占湾内初始物质总量的百分比。图11中给出了现状及综合整治方案实施后水东湾的水体交换率时间过程。

经分析，现状条件下湾内存在广阔潮滩，落潮时可大面积出露，且湾内地形坑洼不均，使得落潮时相当一部分水体被滞留在湾内，形成水体交换的“死角”，同时，近年来湾内的持续围垦使得湾内纳潮容积进一步降低，导致潟湖内纳潮能力不足。因此，现状条件下湾内月交换率仅在65%左右。

然而，总体规划方案实施后，湾内浚深使得低潮位时已不再露滩，水体交换的“死角”被消除，且由于湾内及航道疏浚导致纳潮容积增大，潮汐通道内流速相应增强，更多外海潮体可被吸纳进入湾内，因此水体交换率可有较大幅度提高，月交换率可达86%，较现状条件下同比提升约10%~30%。

4.3 湾内泥沙淤积

通过泥沙运动及地形冲淤数值模拟，图12中给出了湾内疏浚后不同位置处的正常年淤强分布。经统计，综合整治方案实施后，水东湾内平均正常年淤强约0.15 m/a。

总体来说，水东湾内疏浚后，正常年淤积较轻。究其原因，水东湾属典型半封闭潟湖结构，各向外海来浪均受掩护，且小风区成浪波高较小，从而掀沙能力很弱。其次，由于各条入湾河流上游均已建闸，从而潟湖内无充足沙源补给。第三，水东海域外海属沙质海岸，泥沙主要以床面附近推移运动为主，特别是在潮汐通道底高程达-14.3 m条件下，推移泥沙运动至潮汐通道时可迅速沉降，自底部运移至湾内的可能性极低。第四，工程海域悬沙浓度本身较小，实测大潮含沙量仅在0.06 kg/m3以内。综上分析，水东湾内疏浚后无法形成较强的淤积，这与模拟结论相一致。

图11 水东湾内水体交换率时间过程Fig.11 Time course of the water exchange rate in Shuidong Bay

图12 规划方案湾内正常年淤强分布（单位：m/a）Fig.12 The normal sedimentation distribution in Shuidong Bay of the planning（m/a）

5 结语

本文通过潮流泥沙及水体交换数学模型试验手段，模拟了水东湾综合整治工程实施后的流场变化、湾内水体交换及泥沙淤积情况，经总结得到以下主要结论。

1）综合整治方案实施后，湾内及航道疏浚扩大了纳潮容积，潮汐通道内流速较现状有所增强，大潮增幅在0.1~0.4 m/s之间，湾内流速略有减弱。

2）现状条件下，湾内水体交换不畅，连续潮作用1个月后水体交换率仅65%；方案实施后，水体交换能力大幅改善，月水体交换率可达到86%，较现状同比提升10%~30%。

3）方案实施后，水东湾内平均正常年淤强0.15 m/a，量级十分有限。

总体而言，水东湾综合整治方案建设后，可有效增强潮汐通道内流速，并大幅改善水体交换能力，并不会引起较强的湾内淤积，因此方案规划是有效的。

[1]罗锋，廖光洪，杨成浩，等.乐清湾水交换特征研究[J].海洋学研究，2011，29（2）：79-88. LUO Feng，LIAO Guang-hong，YANG Cheng-hao，et al.Study on water exchange characteristics in Leqing Bay[J].Journal of Marine Sciences，2011，29（2）：79-88.

[2] 刘浩，潘伟然，骆智斌.深沪湾水交换特性的研究[J].海洋环境科学，2008，27（2）：157-160. LIU Hao，PAN Wei-ran，LUO Zhi-bin.Study on water exchange characters in the Shenhu Bay[J].Marine Environmental Science，2008，27（2）：157-160.

[3]许雪峰，羊天柱.三门湾多个围垦工程的整体影响数学模型研究[J].海洋学研究，2006，24（S）：49-59. XU Xue-feng，YANG Tian-zhu.Mathematical model study on overall impact of Sanmenwan Bay reclamation project[J].Journal of Marine Sciences，2006，24（S）：49-59.

[4]沈林杰，陈道信，黄惠明.温州围垦工程对河口水交换能力的影响[J].海洋学研究，2009，27（4）：72-76. SHEN Lin-jie，CHEN Dao-xin，HUANG Hui-ming.Impact of reclamation project on the water exchange capacity of the estuaries in Wenzhou[J].Journal of Marine Sciences，2009，27（4）：72-76.

[5]王靖鑫.旅顺琥珀湾水质整治方案研究[D].大连：大连理工大学硕士学位论文，2013. WANG Jing-xin.Study on water quality improvement plan of Hupo Bay in Lvshun[D].Dalian：Master Dissertation of Dalian University of Technology，2013.

[6]解鸣晓，韩志远.茂名市水东湾现场水文泥沙勘测及调查资料汇编[R].天津：交通运输部天津水运工程科学研究院，2012. XIE Ming-xiao，HAN Zhi-yuan.The hydrological and sediment survey on site of Shuidong Bay in Maoming and the survey data collection[R].Tianjin：Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，M.O.T.，2012.

[7]解鸣晓，姚姗姗.茂名市水东湾水动力及水体交换数学模型试验研究[R].天津：交通运输部天津水运工程科学研究院，2013. XIE Ming-xiao，YAO Shan-shan.Mathematical model investigation of hydrodynamic force and water exchange of Shuidong Bay in Maoming[R].Tianjin：Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，M.O.T.，2013.

Numerical modeling of the ompact on hydrodynamics and sedimentation of the regulation scenario of Shuidong Bay in Maoming

QIN Fu-shou1，YANG Ze-jun2，YAO Shan-shan3，LI Shan4
（1.CCCC First Harbor Consultants Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China；2.Tianjin Water Survey and Design Institute，Tianjin 300204，China；3.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，M.O.T.，Tianjin 300456，China；4.Tianjin Port Engineering Institute Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Company Ltd.，Tianjin 300222，China）

Based on the mathematical model test of tidal current&sediment and water exchange，the tidal currents variation，water exchange ability，and sedimentation of the regulation scenario of Shuidong Bay is simulated.The results show that after the construction of the regulation scenario，the mean speed increases with the maximum of 0.1~0.4 m/s in the tidal inlet，and the water exchange ability is increased significantly that the monthly water exchange rate increases to 86%compared to the present rate is only 65%.Besides，because the sediment supply is not abundant，the normal sedimentation is very limited after the construction，the mean annual sedimentation rate is only 0.15 m/a.In general，the comprehensive improvement scheme is effective.

numerical model；hydro-sedimentological environment；water exchange；sedimentation

U617

：A

：1003-3688（2014）03-0051-06

10.7640/zggwjs201403010

2013-10-08

2013-11-28

秦福寿（1964— ），男，河北保定人，高级工程师，主要从事港口航道工程研究。E-mail：qinfushou2004@163.com