奉化桐照渔港水动力与泥沙环境特征研究

高峰，吴承凯，赵鹏，谭忠华，谢东波，刘盾

奉化桐照渔港位于浙江省奉化市莼湖镇桐照村附近水域（位置如图1所示），处于象山湾顶端，该湾是一个由东北向西南深入内陆的狭长型半封闭海湾，目前进港渔船可达1 600余艘，避风渔船800艘[1-2]。随着象山湾内人工岸线比例持续增长，湾内岸线变迁显著[3]，同时由于周边其他项目的围涂工程，现有部分锚地已无法使用，渔港码头附近淤积严重，且近年来进入桐照渔港避风渔船数量增多，国家和浙江省对渔船避风安全提出更高要求，避风系泊设施不足及相关配套设施不完善问题突出，因此拟规划实施渔港扩建工程，以满足渔船停泊、卸货、补给及安全锚泊避风的需求。目前，桐照村所在水域的相关资料比较有限，具有针对性的研究更少。因此，本文是在桐照渔港扩建工程可行性规划论证前，结合所在水域的现状水文实测及历史资料进行整理分析，并采用数学模型对该渔港水动力条件进行了数值模拟与复演计算，对本区水动力条件与现状的泥沙冲淤强度进行分析研究，以便于掌握本水域水动力与泥沙环境特征，为进一步开展扩建方案设计与规划提供科学依据与参考。

图1 奉化桐照渔港位置示意图Fig.1 Location of Tongzhao fish portof Fenghua

1 气象水文特征

1.1 风况

分别选取石浦、西泽气象站的资料进行统计，以分析桐照渔港所在的象山湾风况特征。由于地处亚热带季风气候区，风向主要表现为季风特征，其风玫瑰图如图2所示。

图2 奉化桐照渔港象山湾风玫瑰图Fig.2 W ind rose diagram of Xiangshan Bay of Tongzhao fish port,Fenghua

冬季盛行偏北风（WNW—NNW），合计频率28%，夏季盛行偏东南风（SE—S），频率合计为19%，且冬季风强于夏季风。

1.2 潮汐

象山湾潮汐为不规则半日潮，有3个特征：一是潮差大，潮汐作用强，港内多年平均潮差3m以上，湾顶部接近4 m；二是潮差由口门向港内逐渐增大；三是涨落潮流历时不等，由于象山港内滩地宽广，汊道密布，涨潮时水流呈扩散状态，流速缓慢，落潮时流速稍大，涨潮历时大于落潮历时。根据2016年象山湾水域进行大、中、小潮全潮同步水文测验工作，布置T1（西泽码头）、T2（海军码头）和T3（强蛟电厂）3个临时潮位测站，潮位观测时间为3月22日—4月2日。在水文全潮测验期间，一个太阴日有2个高潮和2个低潮，相邻高潮或低潮的潮位不等、涨潮历时与落潮历时亦不相等。大、中、小潮期间，最大潮差分别为479 cm、389 cm、246 cm；平均潮差分别为420 cm、292 cm、168 cm，潮汐强度较强。

1.3 潮流

海湾内往复流特征明显，属非正规浅海半日潮类型。通过对各个测站的垂线平均流速进行统计，按涨潮段、落潮段分别求其矢量平均值得到各测站潮段平均流速见表1。全潮水文测验布置的C1耀C9各测站的垂线平均流速矢量分布如图3所示（以大潮为例）。根据实测潮流资料分析结果，各测站受地形和岸线影响，流向有所差异。涨潮为SW—WSW向，落潮为NE—E向，各测站涨落潮流向大致与潮汐汊道走向一致。

表1 各测站潮段平均流速统计表Table 1 Statistical table ofaveraged velocity in tidal period ofeach stationm/s

图3 各测站垂线平均流速矢量图（以大潮为例）Fig.3 Vector diagram of depth-averaged velocity of each station（Spring tide）

实测涨、落潮平均流速分别为0.24 m/s和0.34m/s，涨潮流速小于落潮流速，其比值为0.7；其中大潮涨、落潮段平均流速分别为0.36 m/s和0.43 m/s，中潮涨、落潮段平均流速分别为0.24 m/s和0.35 m/s，小潮涨、落潮段平均流速分别为0.14m/s和0.24m/s；统计结果表明大、中、小潮涨、落潮平均流速与潮汐动力有明显关系，即随着潮型的变化而逐渐减小，涨、落潮平均流速大、中、小潮分别为0.39 m/s、0.29 m/s、0.19 m/s。施测海域的水流强度以C1测站为最强，涨、落潮平均流速为0.42 m/s，其次是C2测站，涨、落潮平均流速为0.39 m/s，C8测站最弱，涨、落潮平均流速为0.20 m/s，其余各测站水流强度差距不大，C4、C6测站涨、落潮平均流速分别为0.30 m/s和0.29 m/s，C5、C7测站涨、落潮平均流速均为0.27 m/s，C3、C9测站涨、落潮平均流速均为0.26m/s。

1.4 波浪

工程所在海湾的外海波型为风浪与涌浪的混合型，全年波浪以风浪占优势，但6—10月盛行以涌浪为主的混合浪。风浪常浪向为NE，涌浪常浪向以E向为主，常涌浪向季节变化较小，浪向相对稳定。大浪集中在秋季的台风和冬季的寒潮期间，但受湾口外一系列岛屿掩护作用，外海浪对湾内的影响较小，主要受局地风浪的作用。桐照渔港位于狭长海湾的湾顶，距离湾口约50 km，湾口外岛屿众多，尽管工程外海受台风和季风作用，波浪较大，但外海波浪很难传至工程区，因此影响本工程的波浪主要为海湾内风成浪。

参考相关的波浪数学模型试验研究成果[4]可知，在桐照村所在岬头西侧的栖凤锚地水域，SSE向掩护较小为主要控制浪向，设计高水位重现期2 a波浪作用下，波高约为1.2m。在桐照村所在岬头的东侧水域（船厂及现有渔港水域），受ENE向波浪影响较大，设计高水位重现期2 a波浪作用下，近岸波高约为1.4m。

2 泥沙环境分析

2.1 悬沙特征

大潮期因潮流动力增强而含沙量较高，其垂线平均含沙量在0.020耀1.323 kg/m3，中潮期次之，其垂线平均含沙量在0.014耀1.026 kg/m3，小潮期则随潮动力的减弱而含沙量锐减，其垂线平均含沙量在0.008耀0.179 kg/m3。各测站潮段平均含沙量分布，以C1测站最大，涨、落潮平均含沙量为0.443 kg/m3，以C9测站最小，涨、落潮平均含沙量为0.029 kg/m3，潮段平均含沙量呈自湾口门外牛鼻山水道向湾顶逐渐减小的变化趋势。

悬沙的物质主要成分为黏土质粉砂和粉砂质黏土，其中大、中、小潮悬沙平均中值粒径分别为：0.003 7 mm、0.003 5 mm、0.003 3 mm。大、中、小潮悬沙平均中值粒径0.003 5mm。

2.2 底质分布

象山湾的底质可分为5个主要类型，即粉砂质黏土、黏土质粉砂、黏土-粉砂-砂、贝壳砂、砾砂等。在水文全潮测验期间，对桐照渔港所在海域共布置65个表层沉积物取样点，取样位置及中值粒径分布见图4所示。

从沉积物中值粒径分布可以看出，施测海域中、东部地区主要为小于0.05 mm粒径的细颗粒泥沙分布区；在西部的南侧区域有一粒径小于0.5 mm的粗颗粒泥沙分布区，其周围是0.02耀0.40 mm的分布区；另在东部的中间区域，有一点位泥沙粒径小于0.5mm，在北侧近岸有2处粒径小于0.4 mm和小于1.2 mm的分布点。样品分析结果表明，施测海域沉积物由粗至细分别为砾-粗砂、粗中砂、粗中细砂、中细砂、砂-粉砂-黏土、粉砂质黏土、黏土质粉砂和黏土。其中，施测海域沉积物质以细颗粒的粉砂质黏土分布为主，占67.69%，所占比例最大。其次是砂-粉砂-黏土，占10.77%，其余物质在1.54%耀6.15%之间变化，所占比例均很小。

图4 底质取样点位及中值粒径分布图Fig.4 Bottom sediment sam pling pointsand themedian grain size distribution

从沉积物沉积类型分布图（图5）中可以看出，在内湾的西侧，有一区域为粗中砂和粗中细砂的分布区，周围为砂-粉砂-黏土的分布区；取样区的东侧，有一面积不大的粗中砂分布点，其南侧为砂-粉砂-黏土分布点，另在近岸有2处粗颗粒分布点，而其余区域基本为细颗粒物质所覆盖。另外，粗物质中贝壳碎屑含量所占比例均较大。

图5 沉积物沉积类型分布图Fig.5 Distribution of sedimentdeposition type

2.3 泥沙来源分析

本海区泥沙来源主要有以下几方面：1）径流输沙。象山港流域面积较小，河流输沙有限，沿港凫溪，大嵩江等山溪小河流年输沙量只有14.5伊104t。这些物质绝大部分属砂砾级粗物质，主要堆积在港顶和沿岸小河流出口处附近，只有少部分的细粉砂和黏土级细颗粒物质能向港内水域输送。2）海域来沙。海域来沙包括长江口、杭州湾入海物质在浙江近岸海域的沉积物再悬浮物质。其中，长江入海物质夏季主要堆积在长江水下三角洲，冬季在江浙沿岸流和强烈再悬浮作用的影响下往南迁移，使浙江沿岸悬沙含量明显增加。来自长江的泥沙，在潮流和波浪等水动力共同作用下，经口门向象山湾内输运，成为该海域细颗粒物质的主要来源。3）近岸浅滩再搬运。象山港水域以粉砂质黏土和黏土质粉砂为主，处于岸滩和浅滩水域的细颗粒物质在波浪、潮流的作用下反复搬运，重新淤积分布。

2.4 海岸及海底地貌

桐照渔港所在象山湾为狭长半封闭型海湾，纵深约60 km，南、西、北面被低山丘陵环抱，湾口分布有六横、佛渡及梅山等岛屿。以象山角至双岙一线为界，象山湾可分为内湾和外湾两部分：内湾潮汐汊道发育，地形复杂，浅滩和深槽交替分布，宽约3耀8 km，水深一般为10耀20 m，局部深潭水深大于55 m；外湾呈喇叭状，宽度从4.3 km向东渐增至18 km，水深较浅，至洋沙山、温州峙外形成口门浅滩区，东北通过佛渡水道、双屿门水道与舟山海域毗邻，东南通过牛鼻山水道与大目洋相通。湾内海域由淤泥质浅滩与基岩岸线构成，近年来部分淤泥质岸线已由人工块石护岸代替。潮间带地貌多为广布淤泥质的滩涂，局部为冲洪积形成的卵砾石岩滩[5-8]。

根据已有资料，近30 a象山湾内海床及岸滩演变大致趋于动态平衡状态，湾内潮汐汊道的整体岸线曲折度的变化主要是由人工岸线某些区域岸线的变化引起的。深槽部分以冲刷为主，近岸浅滩部分以淤积为主。各测站涨、落潮流向大致与潮汐汊道走向一致，且落潮流流速大于涨潮流流速，主槽内潮流流向的这种特点，对于维持深槽的稳定性是有利的。象山湾内悬沙含量呈自口门外牛鼻山水道向湾顶逐渐减小的变化趋势，同时落潮段含沙量大于涨潮段含沙量。

根据海域海岸类型以及本次研究所依据的实测底质与悬沙粒径的分析，本区大部分海域床面泥沙中值粒径在0.005 mm以下，沉积物质以细颗粒的粉砂质黏土为主，悬沙平均粒径为0.003 5 mm，并结合以往象山湾研究成果，可判断本海域呈现淤泥质海岸特征，整体水动力偏弱。

综上所述，桐照渔港海域岸线受海域来沙影响较小，且受人类活动影响显著，使得岸线向海不同程度的推进，导致原有自然岸线的长度和曲折度减小。在目前岸线地貌形态和水动力条件下，不会产生较大的冲淤幅度。

3 数学模型计算结果与分析

桐照渔港码头及航道建成时间较早，并已运行维护多年，随着整个象山湾内人工岸线比例的持续增长，湾内岸线变迁显著，特别是邻近的周边其他工程的围涂作业，导致锚地和航道水深变化迅速，部分锚地及码头附近淤积严重，同时渔船数量的逐年增多，频繁的进出港作业在加剧着悬沙运移与活跃程度，同时又缺乏最新疏浚与实测数据，在此背景下为了结合现状水动力条件以及边界形势的变化情况，通过建立数学模型模拟与复演本海域水动力条件及分布特征，估算现有码头等水域的悬沙分布以及冲淤强度，可为进一步开展相关工作提供科学依据和数据支持。

3.1 潮流场模拟

采用平面二维潮流数学模型，为提高工程区模拟精度通过大小模型嵌套的方法进行计算，如图6所示，大模型计算域东西方向长约476 km，南北方向长约515 km。小模型计算域包括整个象山港，东西方向长约50 km。计算域大范围水深由海图提取，拟建码头附近海域水深参考2016年4月实测数据修正。工程海域岸线根据最新遥感影像和现场实测岸线数据提取获得，并充分考虑到周边已有及在建项目的影响。

图6 大、小模型嵌套计算域范围及水深分布图Fig.6 Scope ofnested calculation domain for large and smallmodelsand water depth distribution

根据模拟计算结果[9]，以大潮期流场为例，图7为象山港大范围海域工程前涨落急时刻流场，由于地形和岸线多变，造成岛屿间海域潮流流态复杂。整个象山湾狭长内湾水域潮流大致呈往复流特征，涨落潮方向与主槽方向一致，涨落潮主要为NE-SW向，其中主槽上的涨、落潮流速相对较大，而接近边滩附近的潮流以及漫滩潮流的流速相对较小。

图7 潮流场数值模拟计算结果（以大潮为例）Fig.7 Numericalsim ulation resultsof tide current field（Spring tide）

从大范围的流矢分布来看，象山湾的涨落潮流流速大小较为接近，中潮和小潮流速明显弱于大潮。

在象山港底部，实测大潮期涨急流速为0.54~1.07m/s，落急流速为0.35耀1.02 m/s；实测中潮期涨急流速为0.28~0.65m/s，落急流速为0.31耀0.64 m/s；实测小潮期涨急流速为0.25~0.43 m/s，落急流速为 0.27耀0.42m/s。

3.2 泥沙运动模拟

在潮流数学模型的基础上进一步建立考虑波浪作用的泥沙数学模型，研究水域泥沙运动和地形冲淤情况。泥沙数学模型需确定的主要有床面切应力、颗粒沉速、悬沙扩散系数及冲淤项相关参数等。泥沙数学模型计算域及网格划分与潮流数学模型相同。以水域大潮期间涨、落急时刻对应的含沙量场为例，其分布如图8所示。

图8 含沙量场模拟计算结果（以大潮为例）Fig.8 Numericalsim ulation resultsof sediment concentration field（Spring tide）

为考虑全年现状的淤积情况，采用基于经实测全潮过程验证的潮流、悬沙场，结合本区年均波浪场作为输入动力条件，选取代表潮型和含沙量，对现状渔港的全年冲淤进行估算。结果表明，现有桐照渔港码头、东北侧航槽及港湾等水域均呈现不同程度的淤积，上述水域的全年平均淤积强度为0.2~0.3 m/a，最大淤积强度可达0.50 m/a以上，表明现状淤积情况比较显著。

象山湾内水域的波浪条件多由小风区催生，其对近岸泥沙起动影响相对有限，多年来周边已建港口工程的使用维护情况即可作参考借鉴，该水域短期内发生大幅度冲淤的可能性较小。本次研究中以重现期50 a一遇波浪作为极端天气条件的代表情况，对工程海域的骤淤情况进行数值模拟试验，代表波向选择对工程区影响较明显的ENE向，大浪持续作用时间为24 h。按照扩建方案疏浚开挖后的最大淤积强度<0.5m/d，因此表明大风浪天下的本区泥沙骤淤风险相对有限。另外，根据大量淤泥质海岸工程经验初判，形成实质性碍航骤淤的可能性不大，且多可由适航水深手段解决。

4 结语

本文根据工程所在水域现场水文实测资料与现场水文泥沙实测数据分析，对水动力与冲淤环境特征进行分析，并建立平面二维水动力模型对海域潮流场与悬沙分布进行了数值模拟与复演计算，为进一步开展渔港扩建工程提供了科学依据，研究得到以下主要结论：

1）工程海域涨落潮基本为往复流，流向大致与潮汐汊道走向一致。沉积物类型属粉砂质黏土，中值粒径小于0.005mm，海域悬沙粒径与此基本相当；

2）岸线主要为淤泥质和基岩沙砾质海岸，已有资料分析表明工程海域呈淤积趋势，由于海域岸线受人类活动影响显著，导致原有自然岸线的长度和曲折度减小，但在现状水动力条件下尚不会产生较大的冲淤幅度；

3）目前桐照渔港码头、东北侧航槽及港湾等水域均呈现不同程度的淤积，上述水域年均淤强0.2~0.3 m/a，最大可达0.50m/a以上。

上述成果可为下一步开展相关扩建工程可行性论证及方案规划提供参考依据与研究基础。

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