象山县西沪港海洋生态环境修复工程物理模型试验研究*

范红霞，王建中，朱立俊

(南京水利科学研究院 南京 210024)



象山县西沪港海洋生态环境修复工程物理模型试验研究*

范红霞，王建中，朱立俊

(南京水利科学研究院 南京 210024)

在分析现场实测资料和进行大米草阻力模拟水槽试验的基础上，建立了象山港海域整体潮流泥沙物理模型，取得了模型潮汐水流及泥沙运动与原体的较好相似，分别通过潮汐水流定床和悬沙淤积动床模型试验，对象山县西沪港海洋生态环境修复工程实施前后工程区附近潮汐运动特征、潮流场结构变化和海床淤积情况进行了研究，并分析了工程对军港等重要设施的影响，为项目立项报批及决策提供科学依据，对今后我国大米草综合治理以及类似的海洋生态环境修复工程具有重要的指导意义。

西沪港；大米草；环境修复工程；模型试验；影响

在20世纪80年代宁波市为了消浪保堤开始从国外引进大米草，到90年代末开始，“滩涂杀手”大米草在象山港中部支港西沪港的下沙海涂繁殖蔓延，至近年经测量总面积已近1 000 hm2。由于大米草的快速生长，造成西沪港内纳潮空间缩小、潮流动力削弱、滩涂快速淤涨，并改变了滩涂泥质条件，减弱了海水的交换能力，使得水质恶化，自然水产资源锐减，海洋生态环境及生态系统遭到破坏，同时也对西沪港军事港区的通航条件和军事设施安全构成严重威胁。

为治理大米草对西沪港造成的生态危害，象山县政府拟启动西沪港海洋生态环境修复工程。其委托国家海洋局宁波海洋开发研究院就西沪港大米草的治理方法进行了专题研究[1-2]，后者认为在化学除草剂治理尚存在巨大的环境风险的情况下，人工机械开挖是清除大米草最有效的方法。因此，确定了采取挖除大米草堆放于港底围堤区域内作为修复工程的主体措施。本研究采用潮流泥沙整体物理模型试验的技术手段，通过潮汐水流定床和悬沙淤积动床模型试验，对工程前后工程区附近潮汐运动特征、潮流场结构变化和海床淤积情况进行了研究，并分析了工程的主要影响，为项目立项报批及决策提供科学依据，对今后我国大米草综合治理以及类似的海洋生态环境修复工程具有重要的指导意义。

1 自然条件

1.1 潮波、潮汐与潮流

象山港在浙江省东部穿山半岛和象山半岛之间，为一个由东北向西南深入内陆的狭长半封闭型港湾，纵深约60 km[3-8]。大米草危害严重的西沪港位于象山港上中部的南岸，是象山港三大支港之一。象山港附近海域的潮波运动主要是由于太平洋潮波引起的谐振动形成，进入港内潮波不再保持外海前进波的性质，表现为以驻波为主的混合潮波。

2011年7月22日至8月21日，大、中、小潮水文测验资料表明：象山港海区属于正规半日潮，潮差较大，且从口门往港底逐渐增大。口门蒲门站最大潮差为4.79 m，上中部西沪港站最大潮差为5.38 m，而接近港底强蛟站的最大潮差达5.9 m。西沪港口门站最高、最低潮位分别为3.65 m和-1.73 m；象山港水域呈现涨潮历时长于落潮历时的不对称现象，支港西沪港涨落潮历时相差1 h 48 min。

象山港及支港西沪港的海岸廊线和地形对潮汐水流运动起控制作用，湾内以往复流形式为主，涨、落潮流方向与海床等深线方向基本一致。落潮流动力强于涨潮流，如象山港大桥附近大潮期的涨、落潮垂线平均流速分别为0.42 m/s和0.66 m/s，西沪港口门内大潮期的涨、落潮垂线平均流速分别为0.35 m/s和0.63 m/s；最大流速为1.92 m/s，中潮为1.42 m/s，小潮为0.87 m/s。西沪港内大潮实测最大流速为0.93 m/s。涨潮流最大流速出现在最高潮位前2～3 h，而落潮流最大流速则出现在最低潮位前2～3 h，憩流或转流多发生在平潮前后。

1.2 泥沙

象山港及支港西沪港海域悬沙主要来源于流域输沙、海域供沙及邻近滩槽泥沙交换供沙。泥沙向港内输送量十分有限，象山港平均含沙量在0.032 8～0.098 9 kg/m3之间，西沪港内大、小潮平均含沙量仅为0.036 kg/m3、0.022 kg/m3，明显比西沪港口门外的含沙量低。

象山港悬沙中值粒径为6.02 μm。西沪港内大、小潮汛时悬沙中值粒径分别为0.005 7 mm和0.005 2 mm。海床底质分为3类：黏土质粉砂、含贝壳黏土质粉砂和贝壳砂。

2 西沪港海床演变分析

西沪港位于象山港上中部的南岸。西沪港口小腹大，形若罂湖，是典型的封闭型港湾港，纵深约14 km。其中入口段长约5 km，亦称为高泥港(军港)，宽一般在1 200～1 800 m，入口段水深较深，最深处礁门礁外达43 m，猫头嘴外达 44 m。西沪港北向东延伸形成一支港——白墩港。西沪港港内腹部水深一般仅3～6 m，风平浪静，潮缓滩浅，四周分布有乱堍大涂等8个舌状滩涂，各滩涂间均有溪流和潮水冲刷的沟道，宛若伸展的五指。

2.1 西沪港海床前期变化(1964—2005年)

1964—2005年间，西沪港口门段的岸线稳定，海床冲淤变形极小，军港航道和码头前沿的水深条件保持良好。白墩港的进港航道继续保持由宽变窄，由深渐浅的状况，一般水深维持在1～3 m。西沪港内5 m深槽和东侧滩涂略有冲刷，南侧和西侧滩涂略有淤积，乱堍大涂与西侧近岸间出现半封闭涨潮沟。总体来看，42年间西沪港海床保持相对稳定，冲淤变化不大。

2.2 西沪港海床近期变化(2005—2011年)

近年来西沪港入口段海床略有冲淤，但幅度较小，白墩港进港航道内有轻微的淤积，港内潮间带滩涂上大米草疯长蔓延而导致潮流动力减弱，挟沙能力降低，从而引起滩面淤高，涂面年淤厚速率可达0.05～0.10 m/s；滩涂间的指状潮沟和乱堍涂西侧近岸潮沟均发生不同程度的淤积，淤厚一般在0.05～0.80 m。因此，应及早根除大米草，还西沪港一方潮涨潮落、自由呼吸的空间。

3 工程方案概况

本项工程主要目的为修复大米草对西沪港造成的严重生态环境破坏。治理的范围为整个西沪港内大米草滩涂分布区，根据2011年5月西沪港内大米草集中分布区域的现场测量结果，共计13处集中区块，总面积约953.33 hm2。拟采取由滩面向下挖除1 m的措施根除大米草，同时在港底新建海堤一条，将弃土置于围堤内。涉海工程主要由大米草挖除、一条海堤(堤长3 700 m，堤内面积为405.6 hm2)、两座纳排闸等组成。

4 潮流泥沙整体模型试验

4.1 模型概况

4.1.1 模型设计

由于试验的主要任务是研究互花米草集中区块挖除及围堤后西沪港内潮流场变化及因回流和缓流引起的悬沙淤积情况，采用潮流定床及悬沙淤积模型试验为主的技术手段来满足研究需要。模型设计除应满足水流运动相似外，还应满足悬沙运动相似和河床变形相似[9-10]。

模型水平比尺λL=900，垂直比尺λH=125。整体模型模拟象山港口门至港底天然海域长约65 km，主港宽度约3～8 km，最大宽度(西沪港)约15 km。模型比尺见表1。

表1 模型比尺汇总

续表

4.1.2 模型沙选择

4.1.3 大米草的模拟

为确保在模型中用塑料草来模拟大米草阻力有较好的相似性，进行了阻力特性水槽试验。水槽宽0.5 m，高1 m，长30 m，中间设玻璃壁面观察段3 m。

从西沪港内滩涂上齐根割取的大米草株丛高1～3.0 m，株的直径在0.5～1.8 cm之间。将截断后的大米草样本竖向均匀密排固定在水槽底部，测量不同水深和流速条件下试验观察段的水面比降变化，共进行了约80组的糙率测定试验。试验结果表明，大米草糙率与排列密度基本成线性相关关系。当每平方米大米草排列密度分别为200株、400株、600株和800株时，其平均糙率分别为0.10、0.14、0.175和0.213。根据现场调查状况，西沪港内大米草的排列密度最高可达800株，因此其糙率可达0.213，而一般海床糙率在0.018～0.02左右，两者相差10多倍，可见西沪港大米草的阻力很大，阻水作用相当明显。

根据以往的试验研究经验，选用单丛12株，高7 cm，丛径1.7～3 cm的塑料草来模拟大米草。试验结果表明：在不同流量和水流条件下，每平方米塑料草排列密度分别为320丛、640丛、960丛和1 280丛的平均糙率分别为0.13、0.175、0.21和0.251。由此选定排列密度为1 280丛/m2的塑料草作为模型试验中大米草的柔性模拟物，符合本模型试验设计中糙率比尺为0.833的相似要求。

4.2 模型验证

4.2.1 潮汐水流定床模型验证

采用收集到的2011年7-8月象山港海域实测大、中、小潮全潮水文测验(包含4个临时潮位站、13条定点垂线)、2011年4-5月西沪港海域实测大、小潮全潮水文测验(包含1个临时潮位站、9条定点垂线)资料，对模型进行了水动力验证。验证试验结果表明：所建立的物理模型较好地复演了象山港海域潮汐水流运动情况。

4.2.2 悬沙淤积动床物理模型验证

实测地形资料表明：2009年9月至2011年9月间，象山港中下部悬山附近海床总体处于微淤状态，共淤积458万m3。悬沙淤积动床模型验证试验结果为共淤积了553万m3，淤积量误差为20.8%。模型较好地模拟了工程区附近海域的泥沙运动，其淤积形态基本相似、淤积总量接近。

4.3 潮汐水流定床工程方案试验

4.3.1 工程后流态变化

西沪港口门至徐家军港码头段涨、落潮流往复运动特征明显，工程前冬季期海面有大量的大米草枯枝败叶随波逐流，流态较差，且码头后方滩涂有大片的大米草，过流严重不畅；工程后进港航道、码头前沿及码头后方流线较平顺，特别是冬季期间流态改善较明显，同时大米草集中区高程疏浚下降1 m后，潮流动力明显增强，涨潮时漫向滩面扩散，落潮时集中归槽，滩面流态明显改善；工程前港底拟建围堤附近有零星大米草生长，缓流和回流特征较明显，工程后围堤前沿流态较平顺。

4.3.2 工程后潮量变化

潮汐通道内的进潮量和落潮量的变化，是衡量工程兴建对潮流场影响程度的重要指标之一。工程后象山港口门的涨、落潮量变化范围为-0.26%～-0.30%，工程对象山港口门的潮量影响甚微；工程后西沪港口门潮量仅减小-0.39%～-0.46%。虽然工程海堤建设占用了西沪港部分海域面积，但由于大米草挖除使得纳潮空间扩大，对潮量有增加的贡献，基本抵消了工程因围堤对潮量损失的影响。

4.3.3 工程后流速变化

在典型大潮(2011年4月)工况条件下，工程后，西沪港口门区涨、落潮流速小幅增加0.01～0.03 m/s；13块大米草集中挖除区潮流动力增强，流速自0～0.10 m/s增加至0.10～0.40 m/s；西沪港内滩涂间有较发育的潮沟，工程后沟内潮流动力有所减弱，流速减小的幅度为-0.02～-0.06 m/s；拟建围堤至西沪港中部区域为流速减小区，近堤流速最大减幅达接近0.20 m/s；象山港上中部流速轻微的减小在-0.01 m/s左右，象山港下部海域及支港黄墩港、铁江港海域的流速基本不变(图1)。

图1 工程前后涨潮最大流速变化等值线

4.4 悬沙淤积动床工程方案试验

(1)5年后西沪港口门至军港码头段淤厚为0.03～0.07 m，其淤积变化亦属于正常自然冲淤。工程前进港航道和码头前沿水深10～35 m，工程后轻微的淤积对船舶的正常航行基本没有影响(图2)。

图2 工程后5年末泥沙淤积厚度分布

(2)西沪港内中部海域水深3～6 m，工程后流速略有减小，引起海床略有淤积，淤积量比正常自然淤积量略大，5年后中部海域的平均淤厚在0.06～0.07 m，最大淤厚在0.22～0.34 m，淤积幅度较小。

(3)工程后拟建围堤截断了堤身处原有的涨、落潮流路，堤前海域出现较大范围的缓流区，因此工程后堤前海床不可避免地表现为一定量的淤积。试验结果表明：方案实施后5年末堤前海床平均淤厚为0.26 m，最大淤厚为0.67 m，其0.2 m淤厚的最大影响范围为2 300 m×2 250 m，淤积总量分别为50.5万m3。

(4)大米草集中挖除区滩面降低，过滩潮流动力增强，输沙量相对增大，从而引起回淤。5年末回淤厚度为0.10～0.40 m；各挖除区内的年均回淤速率为0.025～0.064 m/a。；回淤率为12%～30%；回淤量与挖除区面积、回淤速率密切相关，总回淤量为230.3万m3。

(5)工程实施5年后，象山港航道口门附近航道内呈现0.05～0.15 m的少量淤积，年淤积速率小于0.04 m/a；象山港大桥以内的航道内有不连续的局部轻微淤积。

5 结论

基于实测资料分析，通过水槽试验和整体潮流泥沙物理模型试验研究，得到如下结论。

(1)1964—2005年间，西沪港海床演变保持相对稳定。2005年至今，港内潮间带滩涂上大米草疯长蔓延而导致潮流动力减弱，引起滩面淤高；若大米草疯长态势不加控制，则纳潮空间将进一步压缩，军港、民用港航道条件和海洋生态功能将严重恶化。

(2)概化水槽试验表明：大米草糙率高达0.213，阻水作用相当明显，排列密度为1 280丛/m2的塑料草作为模型试验中大米草的柔性模拟物，其糙率约0.251，符合模型试验设计中阻力相似要求。

(3)工程后西沪港口门潮量仅减小-0.39%～-0.46%，由于大米草挖除使得纳潮空间扩大，对潮量有增加的贡献，抵消了工程因围堤对潮量损失的影响。工程后西沪港入口段航道及海军码头前沿流速均有轻微增加，港内中部深水区域潮流流速略有降低；围堤前沿流速减小；港内滩涂大米草挖除区过滩涨、落潮流动力明显增强。

(4)工程后西沪港口门段航道、军港码头前沿基本没有淤积影响，港内中部海域海床淤积比正常自然淤积量略大，堤前海床出现一定量的淤积。大米草挖除区将出现一定程度的回淤，5年末回淤厚度为0.10～0.38 m，年均回淤速率为0.025～0.064 m/a，回淤率为12%～29%。

(5)综合工程对流态、潮量、流场、淤积的影响情况，工程的兴建不会改变象山港的潮汐运动性质和整体潮流场结构特征，对西沪港外海域没有淤积影响。采取浚深1 m、机械挖除大米草并把弃土堆放在港底高滩围堤内的措施，其工程负面影响很小。本工程思路和研究成果可作为我国其他地区大米草综合治理以及类似的海洋生态环境修复工程可行性论证借鉴。

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水利部“948”项目(201303)；国家重点基础研究计划“973”项目(2012CB417001).

P74;X171;X820

A

1005-9857(2015)03-0086-05