淤泥质海岸围垦促淤计算方法研究与应用

黄承力，季有俊，潘国富

（国家海洋局第二海洋研究所 工程海洋学重点实验室，浙江 杭州 310012）

沿海地区经济的快速发展，人口的高度密集，土地资源的需求也随之日益增加。合理的围垦促淤，开发利用海湾浅滩、潮间带丰富的土地资源成为了缓解人地矛盾的重要途径之一。围垦工程实施后，由于边界条件的改变，将对工程区域及附近海域的水动力条件、泥沙输移环境及生态环境产生较大的影响。一般地，围垦工程通过减弱潮流动力，使得涨潮流挟带的悬沙沉降在围垦区，悬沙“多进少出”的累积，最终可以达到围垦区不断淤积的效果。然而，由于影响海床冲淤因素的多样性和海湾浅滩水动力条件的复杂性，往往难以准确地预测出工程区冲淤变化，对最优围垦工程方案的选取也造成了困难。因此，对工程后引起的海床冲淤演变机制进行分析并准确的估算出泥沙的回淤过程，是海岸工程学中一个很有价值并亟待解决的重大课题。

在浙闽沿海，广泛分布着淤泥质浅滩，淤泥质海岸由粒径为0.01～0.03 mm 的淤泥、粉沙、粘土等细颗粒物质组成。岸坡平缓，潮滩发育好，泥沙供应丰富，为围垦促淤提供了有利条件。淤泥质海岸浅滩上的水文观测和风浪掀沙研究表明：淤泥质浅滩海域泥沙运动的主要动力是风浪和潮流，在风浪和潮流综合作用下的泥沙运移形态主要是悬移质。一般来讲，促使淤泥质海床冲淤演变的3 个主要参数是流速、含沙量和水深。其中流速参数最为活跃，是挟带水体含沙量的能源，是引起海床冲淤的关键因素；含沙量常由流速决定，流速的改变可以引起含沙量的变化，但由于滞后效应，含沙量的变化落后于流速的改变；海床水深的变化由泥沙冲淤形成，更落后于含沙量变化，并有明显的滞后性。流速、含沙量和水深相互影响，任一参数的改变将影响其余2 个参数的变化，反过来又会影响自身的变化从而引起海床冲淤演变。

目前，对围垦冲淤演变计算分析研究方法主要有理论分析、物理模型、数学模型及半经验半理论公式。理论分析往往难以直接运用在工程实际当中；物理模型精度较高，但投资大，周期长，并且存在尺度效应，如果控制不好，会直接影响结果的可靠性；数学模型往往受到泥沙实测资料不足以及计算历时长等多方面因素的制约，且计算精度也有待提高；国内则多数使用半经验半理论公式进行计算分析。宋立松（1999） 通过定床潮流计算结果和河床变形方程求得初始淤积速率，利用最小能耗原理求得极限淤积平衡状态，最后通过灰色理论计算出整个淤积过程。徐群等（2005） 在瓯江河口浅滩进行估算分析，结合淤积干密度、垂线平均含沙量及淤积厚度与淤积时间关系，推导出初始淤积量和逐年淤积量公式。王义刚等（2000） 利用平面二维潮流数值模型得到工程前后流场分布，通过淤积强度公式计算出淤积强度，然后按照淤积强度对二维潮流模型进行地形修正，从而进行下一步流场计算，如此反复计算，得到每年的淤积强度。曹祖德等（2009） 通过研究海床冲淤演变机理，提出海床冲淤指标及冲淤标准，建立了海床演变预测方法，并计算出海床逐年淤积强度和最终冲淤强度。在潮间带等浅滩，工程区往往会出现间歇性淹没的现象，对淤积强度的计算增加了困难。吴桢等（2011）在平面二维潮流模型基础上，利用修正水深及流速后的半经验半理论公式，分析了漩门湾潮间带围垦工程后的冲淤变化。

这些冲淤计算方法都有各自的优点和适用范围，但都没有考虑到波浪对围垦区冲淤的影响，实际的海湾，往往是波流共同作用下的。“波浪掀沙，水流输沙”是人们广泛接受的泥沙输移机制，在淤泥质海岸则更为明显。波浪对泥沙运行的影响主要表现在促进细颗粒泥沙悬扬成为悬移质，然后进入水体随着水流方向输运。同时，波浪也增强了水体的紊动，使得含沙量垂线分布较均匀，底床切应力的增加，降低了泥沙沉降机率，悬沙容易随着落潮流而流出围垦区，从而影响围垦促淤工程的效果。此外，波浪通过波生流的作用而影响流速，进而改变水流挟沙能力，对冲淤强度有直接的影响。因此，围垦促淤效果对复杂波浪作用的响应可以从沉降机率和水流挟沙能力两方面进行分析。笔者在平面二维潮流的基础上应用半经验半理论的泥沙冲淤计算方法，利用当地实测水文泥沙资料，选取符合当地实际的有关计算参数，并考虑波浪对沉降机率和水流挟沙能力的影响，对舟山市钓梁围垦二期工程区进行冲淤预测计算。

1 泥沙冲淤计算原理

王义刚等（2000） 通过窦国仁的潮汐水流悬沙运动微分方程，进行一个潮周期内积分，并假定工程前后不改变边界来沙量则可以得到一年中冲淤强度p。

式中：S 为含沙量；q 为单宽流量；l 为潮流方向，H 为水深；ω 为悬沙沉降速度；S*为水流挟沙能力，下标“1”表示工程前，“2”表示工程后；n 为一年中涨落潮过程个数，Δz 为一个潮周期内冲淤强度，α 为悬沙沉降机率；T 为潮周期；γc为泥沙干容重。

由（2） 式可见，冲淤强度与挟沙能力、悬沙沉降机率、悬沙沉降速度、干容重及历时等因子有关。其中挟沙能力最为关键，其大小与潮流速、风成流及波生流速度有关；当含沙量大于挟沙能力S*时，悬沙淤积，反之，则出现冲刷。波浪作用会影响悬沙沉速和沉降机率，泥沙干容重也会随着淤积历时而变化。

1.1 挟沙能力计算

冲淤强度计算的关键在于准确的挟沙能力计算。对于无径流输入的近岸海区，刘家驹[7]通过分析认为近岸海区水体含沙量与风吹流、波浪和潮流密切相关， 同时也与泥沙沉速和水深等因素有关，因此，在风浪和潮流作用下挟沙能力应有如下函数形式：

式中：Vbt为风吹流和潮流时段合成速度，Vw为利用浅水微幅波理论，取周期内时间和水深平均而求得的特征波水平平均流速。通过量纲分析法，将风吹流、波流和潮流以傅汝德数的形式体现，则（3）式可写成：

式中：K、m 和B 为待定的参数，Vb为风吹流流速；Vt为潮流流速；W 为风速；c 为波速，H 为特征波高。

1.2 悬沙沉降机率与絮凝沉降速度

悬沙沉降机率主要跟泥沙粒径和流速有关。Krone（1962） 考虑较均匀的粘性泥沙，将悬沙沉降机率定义为水流切应力与临界淤积切应力的比值的参数：

式中：τb水流切应力；τcd为临界淤积切应力。临界淤积切应力可以参考长江口粘性泥沙的研究成果τcd=0.072～0.08 N/m2。当水流切应力小于临界切应力时，便发生淤积现象。波浪对泥沙沉降机率的影响主要表现在对水流切应力的改变。Jonsson（1966） 综合了前人的研究，对波浪底部边界层问题作了全面的探讨，认为在波浪振荡流作用下的最大底切应力可以表示为：

其中，um表示近底波浪质点水平速度最大值；fw为波浪底摩阻系数。计算波浪底摩阻系数的方法较为复杂，涉及相对粗糙度及雷诺数的问题。在工程上，可以根据区域选用经验值计算，对于较为平坦的淤泥质海岸可以选用fw=0.01。

针对淤泥质海岸工程区域特点，可以考虑浅水情况，对um进行简化计算：

考虑波流共同作用下的摩擦力，对波浪周期求时间平均，则波流作用下时间平均底摩擦力可以表示为：

利用新的沉降机率公式可以计算在波流共同作用下的沉降机率，这样的考虑比较符合近岸围垦区实际的水动力环境。

在淤泥质海岸，对于小于0.03 mm 的细颗粒泥沙，一般以絮凝的形式沉降，悬沙絮凝沉速主要受以下因素影响：泥沙粒径、盐度、温度、水流紊动强度、流速和含沙量分布、水和沙的扩散交换以及相对的重力沉降等。在淤泥质海岸，絮凝沉速可取ω=0.000 3～0.000 4 m/s。

1.3 泥沙淤积干容重

泥沙淤积干容重会随着淤积历时的累积而变化。韩其为（1997） 在研究淤积物密实及干容重变化的基础上，根据有效应力分布得到了淤积物垂线平均干容重随淤积历时的关系式：

式中：γ0为淤积初期泥沙干容重（t/m3）；tm为泥沙干容重参考时间（a）；t 为淤积历时（a）；对淤泥质海岸可取γ0= 0.65～0.8，t1= 1a。A 为系数，根据实测资料确定，一般可参考范围A=0.4～0.5。

取γ0=0.7 t/m3，t1=1年（a），则根据式（10）床面泥沙干容重与淤积历时关系如图1。

图1 泥沙干容重与淤积历时的关系

上文阐述了考虑波浪影响后的淤泥质海岸围垦促淤计算基本方法，包括波流作用下的挟沙能力、考虑波浪切应力后的新沉降机率以及随淤积历时而变化的泥沙干容重。

2 工程实例应用

2.1 工程概况

舟山本岛地处我国东南沿海长江口南侧、杭州湾外缘的东海洋面上，钓梁二期围垦区位于舟山本岛东北部（图2），围区东侧与一期工程的长春岗海堤及梁横山相接，北部促淤坝连接钓山—乌龟山—牛头山，长约4 308 m。

图2 钓梁围垦工程地理位置及概况

2.2 工程区水文泥沙条件

通过工程区及附近设置的9 个定点水文测站，对潮流、潮位、悬浮体、沉积物底质等进行观测。另外，还在测区附近海域螺门渔港码头布设1 个临时潮位站，进行为期一个月的潮位观测，水文测点与临时潮位站分布如图3。潮汐调和分析结果表明，该站（HK1+HO1） ／ HM2比值为0.42，因此可见螺门测区的潮汐性质属于正规半日潮。此外，螺门站浅水分潮与主要半日分潮HM4／HM2比值为0.06。属半日浅海潮港类型，日不等现象较为明显。

图3 工程区水文测站位置

根据本次9 个潮流观测站的实测资料计算统计，大潮实测最大流速明显大于小潮，且涨潮流速大于落潮流速。大潮时垂线平均流速在0.21 ～1.01 m/s 左右，中潮时在0.15～0.9 m/s 左右，小潮时在0.15～0.63 m/s 左右。

观测表明，工程测区的含沙量具明显的半日潮周期的变化特征。各测站悬浮体的主要粒级为0.002～0.032 mm，优势粒级为0.004～0.016 mm；从组成成分类别来看，粉砂是悬浮体主体，其次是粘土，悬浮体类型属粘土质粉砂。平均含沙量在0.211～0.669 kg/m3之间。粒度分析结果显示，表层沉积物主要粒级为0.002～0.032 mm，优势粒级为0.008～0.032 mm。颗粒组成以粉砂为主，其次为粘土。沉积物类型为粘土质粉砂。各测站表层沉积物中值粒径在0.008 9～0.015 2 mm 之间，平均值为0.012 5 mm。

工程附近海域有牛头山、大小长涂岛、秀山岛、岱山岛等诸多岛屿屏蔽，岱衢洋和黄大洋的波浪难以直接传入，水道内的波浪以风浪为主，具有明显的季节性和区域性，即秋冬季大，春夏小。冬季主要受偏北大风的影响，产生偏北向波浪。工程区域的波浪要素统计特征值如表1。

利用9 个站点实测泥沙资料，结合（4） 式，对工程区挟沙能力进行拟合，得到适合工程区域的K、m 和B 参数值，K=7.34，m=1.27，B=0.16，图4 为挟沙能力拟合结果。通过建立的工程区域挟沙能力公式，结合流场变化，即可对围垦区冲淤状况进行分析。

表1 波浪要素统计特征值

图4 挟沙能力与水动力因素的关系

2.3 泥沙冲淤计算与分析

利用平面二维潮流数值模型较准确地模拟出了围垦区及附近海域工程前后的流场。模型采用245×164 的正交网格，并在工程区附近进行局部加密处理，网格最小50 m，最大为200 m。时间步长设置在1 min。图5 为工程区围垦前后潮流涨急与落急流场图。因围垦区内部的实测水文资料不足，考虑围区面积较小以及以往的建模经验，可以利用离围区入口较近的水文测站资料对模拟进行验证。故采用螺门临时潮位站2012年8月27-31日潮位资料，对模拟结果进行位潮验证；利用围区内部站点C1，外部C6 站点2012年8月30-31日的流速资料对模拟结果进行流速验证，结果如图6、7、8。

由图6、7、8 可见，各验证点的潮位、流速模拟值与实测值的误差很小，模拟的流场基本能够反应计算区的水动力变化，可用于工程前后水动力变化及泥沙动力沉积分析。通过工程前后流场对比，很容易看出围垦对工程区水动力环境有较大的影响（图5）。围垦前，梁横山与舟山本岛间海域水体可以自由流通，涨潮时，潮流分别从南北两端传入；围垦后，由于北堤的阻拦，潮流无法自北向南进入围垦区，同时，南端潮流通过螺门渔港进入围垦区后，在北堤附近迅速减小，局部出现回流现象。落潮时，进入围垦区的水体只能通过螺门渔港回落，梁横岛-螺门渔港附近出现较强的落潮流。总体上看，围垦后，北堤附近的潮流减弱，而在围垦区南端则出现较强的落潮流。

图5 工程区围垦前后涨落急流场对比

图6 螺门站潮位验证

图7 C1 站流速验证

图8 C6 站流速验证

为研究工程后围垦区促淤效果，将围垦区划分为12×9 观测点网格，对其中74 个点进行促淤效果观测（图9）。每年对观测点进行一次测量，观测时间从2005年6月30日-2010年6月30日，其中2007年以前由于北促淤堤尚处于修建阶段，围垦区北部没有完全封闭，而所建立的平面二维潮流场模型是考虑北堤工程完工后的流场，因此，本次促淤观测资料仅选用2008-2010年共3年的实测资料进行对比研究。

图9 冲淤强度观测点网格

通过工程前后的流场，计算出工程前后挟沙能力，利用模拟的潮流场及波浪参数确定沉降机率，每年取不同的干容重值，结合淤积强度公式（2）可以计算出每年冲淤的强度。为了探讨波浪对冲淤强度的影响及定量的分析波浪的贡献比例，冲淤强度分两个方案进行计算：1） 计算值P 仅考虑潮流场的作用；2） 计算值Pw 则选取表1 中平均波浪参数进行计算。表2 为选取的22 个计算点（图9中黑色点） P 值与Pw 值计算结果对比，其中波浪影响比例取｜Pw-P｜/P。从表2 可以看出，P、Pw 都与实测值较为接近，比较好地反映了围垦后的冲淤变化，然而，在部分微冲的点，如L1-3、L3-2、L5-7、L9-7，P 值则难以体现出海床的冲淤变化，甚至出现相反的冲淤结果，而考虑了波浪效应的Pw 值则较好的刻画出了海床的真实冲淤变化，与实测值更为吻合。因此，对于淤积的区域，且波浪的作用无法改变淤积状态时，其效应主要表现为波生流提高挟沙能力，为淤积区域挟带更多的沉积物质，进而促进淤积过程；对于冲刷的区域，波浪的作用表现为减小沉降机率，增强底切应力，促进冲刷过程。从钓梁围垦工程计算结果来看，波浪对冲淤的影响比例在0.76%～17.5%.

表2 计算值与实测值对比

将实测值进行插值，得到围垦区2007～2010年共3年实测累积冲淤强度的分布（图10），图11为利用模拟结果并考虑波浪效应计算得到的累积冲淤强度Pw 的分布。由于只有围垦区内的实测值，区外的冲淤分布则无法与计算冲淤强度进行比较。在围垦区内，累积冲淤强度在-1～9 m 之间，围区南部出口处淤积厚度较大，在5～7 m 之间，北区及东西两侧淤积厚度较小，局部出现微弱冲刷现象，这可能与地形的北浅南深有关，围垦北区及西区水深基本在2～3 m 左右，而南部出口附近水深基本在10 m 以上，最深可达20 m 左右，水动力环境的改变更容易使南区的泥沙发生淤积，因此，潮流从围区外挟带的泥沙首先在南区淤积，而后较少部分泥沙继续向北区、西区运输，来沙量的减少致使水动力较弱的北区和西区淤积厚度反而较小。同时，潮流进入围区后将两侧浅滩淤泥扬起，而后部分淤泥随着落潮流带到南部出口淤积。计算的累积冲淤强度同样反映出了这一特征，计算累积冲淤强度在-2～10 m 之间，南部出口处淤积厚度在5～8 m之间，北区及两侧淤积厚度较小，计算结果基本上与实测累积淤积强度相符合。但在个别小范围区域，计算累积冲淤强度分布与实测累积冲淤强度分布还是存在差异，地形数据分别率较低，无法全面的反映局部地形的起伏，可能是引起计算结果小范围差异的原因；另外，对潮流场的平均化及忽略泥沙再悬浮等复杂机理，也是引起局部冲淤强度分布差异的因素。从整体来看，计算结果较好的反映出了围垦区内的冲淤变化趋势，对围垦工程方案的选取和评估有较好的应用价值。

3 结语

图10 实测累积冲淤强度分布（单位：m）

图11 计算累积冲淤强度分布（单位：m）

海岸泥沙对海岸工程响应机制的研究和应用是一个非常复杂的问题，文章利用所建立的淤泥质海岸围垦促淤计算方法对舟山钓梁围垦二期工程进行了计算，计算结果与实测资料相比，取得了较理想的结果，说明计算方法是可行的。

（1） 利用工程区水文泥沙资料确定当地挟沙能力公式参数K，m，B，便可对围垦区进行冲淤计算，该方法可供工程实际应用。

（2） 波浪对冲淤强度的影响是不可忽略的，考虑波浪效应后计算的冲淤强度Pw 与实测结果更为接近，在钓梁围垦二期工程区，波浪影响的比例在0.76%～17.5%之间，对冲淤与否的临界判断有关键性的作用，且波浪在淤积区域及冲刷区域分别表现出不同的效应。在淤积区域，波浪通过提高挟沙能力，为淤积区域提供更多的沉积物而加快淤积过程；在冲刷区域，波浪以减小沉降机率、增强底切应力的形式，促进冲刷过程。

（3） 由于缺少实测波浪参数，本次计算所采用的波浪数据为工程区多年平均波浪特征参数，若采用实测波浪参数则可望达到更为理想的结果。

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