曹妃甸围填海工程对海床冲淤的影响预测分析

孙丽艳 孙钦帮 张冲 陈兆林 崔雷

摘 要：通过建立曹妃甸海域平面二维悬沙输移扩散和床面冲淤变化数学模型，预测分析了2005年和2013年曹妃甸围填海工程对海床冲淤环境的影响，得出曹妃甸海域的海床年冲淤变化特征。结果表明，从2005～2013年9年间曹妃甸围填海工程实施后海域仍呈现整体冲刷趋势，北部近岸海域及围填海形成的港池则呈淤积态势，海床冲淤强度没有明显的变化。

关键词：曹妃甸 围填海 海床 冲淤

曹妃甸位于河北省唐山市南部沿海，原为位于渤海湾湾口北侧的一个带状沙岛，高潮时沙岛面积约4km2，低潮时沙岛面积约20km2。2005年前该区域近岸海域为大面积的浅海滩涂，其中海岸与沙岛之间约18km的范围均为浅滩，零米等深线以浅海域面积达150km2。从2005年曹妃甸区开始进行大规模的填海造地，截至2013年底填海造地面积约200km2，填海造地格局已经形成。填海造地工程对海床演变的影响是港口工程建设中的重要问题，曹妃甸区浅海滩涂的大规模围填，改变了区域空间配置，会对水动力及泥沙环境产生一定的影响，并对已基本处于动态平衡的海床演变造成影响。

本文在文献建立的水动力学模型基础上，通过泥沙输移和床面冲淤变化模拟，预测分析了曹妃甸区填海造地工程对海床冲淤环境的影响，得出了海床年冲淤变化特征，以期望为曹妃甸区海洋生态环境保护和海洋开发管理提供一定的参考。

1.研究区概况

1.1 基本概况

曹妃甸位于渤海湾北上潮流通道的海岸侧，是古滦河三角洲的残留体，大潮高潮时部分可被淹没，低潮时出露，岛的东北方向相距18 k m处有一条N W-ES走向的深槽老龙沟，水深达10～15 m的面积约 10km2。

曹妃甸深槽与老龙沟外侧口门相连，内侧大陆岸线为沿古滦河三角洲发育的冲积海积平原，潮滩发育；沙坝与大陆岸线之间为宽阔的浅水潟湖，低潮时大片浅滩出露，往东西两侧潮沟方向，水深逐渐增大。

1.2 潮流

曹妃甸海域潮流性质为不规则半日潮流，运动形式基本呈往复流，其流向与海底地形有密切关系。近岸浅海区受地形变化影响，该海域的潮流主流流向有顺岸或沿等深线方向流动的趋势，涨落潮时浅滩区漫滩水流的汇集与分散是维持曹妃甸各大潮沟的主要动力；在浅滩外侧基本与岸线一致，涨潮时的流向在曹妃甸甸头西侧向西而略偏北，东侧向西略偏南；落潮流向则反之，在甸头以西流向东略偏东南，甸头以东流向东略东北。

1.3 泥沙

曹妃甸海域表层沉积物类型以粘土质粉砂与细粉砂为主，表层沉积物组份由陆向海呈现细-粗细的规律变化；中值粒径分布西小东大；粘土含量南侧与西南侧较高，北侧与东北侧相对较低；甸头西侧水域单宽输沙量总体呈现为向浅滩和向西输运，甸头东部水域除潮沟内向南输沙外，基本由東向西偏南输送，外海深槽水域单宽输沙量总体上由东向西输送。曹妃甸海域整体上近岸水域的水体含沙量普遍大于外海深水域；外海深水区为0.05～ 0.10 kg/ m3，近岸为0.07～ 0.15 kg/ m3；其中近岸水域以甸头为界，西部水域平均含沙量明显大于东部。

2.模型的建立

2.1 潮流运动方程

本文潮流场数值模拟采用深度平均的二维浅水潮波方程，该方程表达式如下：

3.结果与讨论

3.1 模型验证

本文流速、流向、潮位和悬沙验证分别利用2005年3月和2013年3月大潮调查资料进行验证。2005年潮汐站位2个、海流站位2个，2013年潮汐站位2个、海流站位2个，水深验证断面2条，验证点及断面见图1。

图2为平均流速、流向的模拟值和实测值的对比，模拟结果与实测值吻合较好，能够有效反映研究海域的潮流状况。图3为模拟潮位与实测潮位过程线对比，模拟潮位与实测潮位之间拟合较好，潮高模拟误差在10cm以内。图4为数值模拟含沙量值与实测含沙量验证，从验证结果来看，数值模拟含沙量值与实测含沙量随时间过程的分布及幅值基本接近，表明泥沙模型的挟沙力关系与相应模型参数比较适合现场情况，模型能够反映工程海域的悬沙运动特征。

3.2 结果分析

2005年曹妃甸区建设完成了通岛大堤和进行了沙岛附近的小范围填海造地工程，通岛大堤建成阻隔曹妃甸海域东西潮流通道。2005年数值模拟计算结果表明：该海域的潮流冲刷作用较强，在大潮条件下涨、落急时段部分海床沙易发生悬扬，在高、低潮憩流阶段又沉降到海床面；在中小潮条件下，海床面泥沙基本处于相对稳定状态。随着曹妃甸通岛大堤的建设完成和沙岛围填海工程的开工建设，该海域呈现整体冲刷趋势，而在近岸尤其沙岛以西近岸海域呈淤积态势。其中，老龙沟海域总体呈冲刷态势，冲刷强度约为0.10m/a；沙岛南部周边海域冲刷强度约为0.05～0.10m/a；沙岛与龙岛一线南侧外海冲刷强度约为0.10～0.15m/a。北部沿岸海域总体呈淤积态势，淤积强度约为0.05～0.15m/a，局部淤积强度约为0.20～0.25m/a；沙岛西北与通岛大堤南端形成的海域，呈微淤态势，淤积强度小于0.03m/a；老龙沟与沙岛之间的海域，总体呈淤积态势，淤积强度约为0.10～0.20m/a，并向沙岛与老龙沟两侧递减；龙岛北侧海域总体呈淤积态势，淤积强度约为0.05～0.20m/a（见图5）。

2013年数值模拟计算结果表明：随着曹妃甸区大规模填海造地工程的形成，局部区域浅滩沙源减少，外部海域继续呈现整体冲刷趋势，近岸海域及港池则呈淤积态势。其中，老龙沟海域总体呈冲刷态势，冲刷强度约为0.10m/a，在老龙沟北端靠近三港池海域，冲刷强度约为0.15m/a，在老龙沟南端即龙岛西端局部海域，冲刷强度约为0.20m/ a；东南大堤南侧外海整体呈冲刷态势，冲刷强度约为0.10～0.15m/a。港池内总体呈淤积态势，淤积强度约为0.05～0.15m/a，三港池在临近东南大堤北侧中部的局部海域，淤积强度约为0.20m/a；龙岛北侧海域总体呈淤积态势，淤积强度约为0.05～0.20m/a，与2005年强度保持一致；临近东南大堤西南局部海域约2km内，呈淤积态势，淤积强度约达0.15～0.25m/a（见图5）。

为了定量验证预测结果与实测数据的符合程度，本文利用2010年9月～2011年11月曹妃甸甸头附近海域水深實测数据与预测结果进行对比验证（见图6）。其中，断面1位于甸头西侧一港池口门附近区域，断面2位于甸头区域（见图1）。从图6可知，两个断面均处于冲刷状态（0代表不冲不淤，负值代表冲刷），最大年冲刷强度一般不超过0.20 m/ a。断面1冲刷趋势大致从一港池口门处向外海增强，断面2冲刷趋势在距甸头约1km区域强度略大于甸头临近处及距甸头约2.5km区域，本文数值结果与实测值分布态势相对一致，大致可以反映实测断面的年冲刷情况。对比曹妃甸海域冲淤及稳定性相关文献，本次模拟结果一定程度上能反映曹妃甸海域的实际冲淤趋势，模拟结果对于该海域的冲淤环境及变化研究具有一定的参考价值。

4.结论

（1）2005年计算结果表明，曹妃甸海域呈现整体冲刷趋势，而在近岸尤其沙岛以西近岸海域呈淤积态势。老龙沟海域、沙岛南部周边海域、沙岛与龙岛一线南侧外海海域呈冲刷态势，冲刷强度在0.05～0.15m/a之间；北部沿岸海域、老龙沟与沙岛之间海域、龙岛北侧海域呈淤积态势，淤积强度在0.05～0.20m/a之间。

（2）2013年计算结果表明，曹妃甸围填海工程外部海域继续呈现整体冲刷趋势，近岸海域及港池则呈淤积态势。老龙沟海域、老龙沟北端靠近三港池海域、老龙沟南端海域和东南大堤南侧外海冲刷强度约为0.10～0.20m/a；港池内总体呈淤积态势，淤积强度约为0.05～0.15m/a，龙岛北侧海域淤积强度约为0.05～0.20m/a。

（3）通过2005年与2013年床面泥沙年冲淤强度模拟结果分析，曹妃甸围填海工程实施后海域仍呈现整体冲刷趋势，北部近岸海域及围填海形成的港池则呈淤积态势；老龙沟海域、沙岛南部周边海域和沙岛与龙岛一线南侧外海海域仍呈现冲刷态势，北部沿岸海域和龙岛北侧海域呈现的淤积强度没有明显变化。

基金项目：大连理工大学海岸和近岸工程国家重点实验室基金项目（LP1501）；国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室资助项目（LOMF1704）

参考文献：

[1]夏华永，林迪洋，钮智旺.湛江湾填海工程对海床冲淤的影响预测[J].海洋通报，2007， 26（1）：61-66.

[2]匡翠萍，戚健文，蒋茗韬，等.泥沙输运与海床演变对曹妃甸港口工程的响应特征[J].同济大学学报（自然科学版），2014，42（12）：1840-1845.

[3]孙钦帮，崔雷，孙丽艳，等.围填海工程对曹妃甸海域水动力环境影响的数值分析[J].水运工程，2015（7）：20-24.

[4]何华春，李海宇，高萱，等.渤海曹妃甸深水港老龙沟潮流通道稳定性研究—数字海洋技术的应用[J].海洋通报，2009，28（4）：154-163.

[5]侯庆志，季荣耀，左利钦，等.曹妃甸海域围填海工程动力地貌环境遥感分析[J].水利水运工程学报，2013（3）：1-7.

[6]杨华，赵洪波，吴以喜.曹妃甸海域水文泥沙环境及冲淤演变分析[J].水道港口，2005，26（3）： 130-133.

[7]陆永军，左利钦，季荣耀，等.渤海湾曹妃甸港区开发对水动力泥沙环境的影响[J].水科学进展，2007，18（6）：793-800.

[8]Huai W X，Komatsu T，Zeng X H.Numerical simulation of residual circulation due to bottom roughness variability under tidal flows in a semi-enclosed bay[J].China Ocean Engineering，2005，19（4）：601-612.