茂名吉达湾清淤整治工程方案比选研究

王思超，蒋志凯，赵 鹏

(1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州 510230；2.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

吉达湾位于茂名市电白区电城镇。目前吉达湾淤积较严重，平均水深已不足1 m(基于MSL)，湾口内侧淤积体低潮时可露出水面。湾内水色相对外海水体发黑，且吉达港围堤近岸长有绿藻，环境感官较差。为提升吉达湾的整体环境，还人民群众绿水青山，当地政府计划对吉达湾蓝色海湾进行疏浚整治。

目前对于类似海湾的整治疏浚类工程在如何界定疏浚整治范围、确定疏浚底高程等方面缺乏有效的设计思路，相关研究也较少：于东生等[1]研究了茅尾海浅滩清淤、葵子江水道贯通工程导致的水动力条件和半交换周期变化，匡翠萍等[2]分析了清淤疏浚工程对七里海潟湖湿地水体交换的影响。本文通过计算整治水域周边设施的整体稳定性，提出整治疏浚范围；建立潮流泥沙数学模型，对比分析不同疏浚底高程下的水体交换和回淤量，并结合项目投资等因素提出整治疏浚底高程。

1 自然条件

1.1 潮汐特征

据2019年4月11日～5月11日观测统计分析，测验海区(HK1+HO1)/HM2为1.14，潮汐属不正规半日潮类型。本海域平均潮差为2.07 m，最大潮差为2.92 m。涨落潮历时基本一致，平均涨潮历时略大于落潮历时。

1.2 潮流特征

图1和图2为垂线平均流速矢量图，大潮期不同测站大致为往复流，也呈现出一定的旋转流特征；小潮期V1站往复流特征明显，V2和V4站表现为旋转流特征，V3、V5和V6均为西向的单向流。

图1 大潮垂线平均潮流矢量图 图2 小潮垂线平均潮流矢量图Fig.1 Vertical averaged current velocity vector in spring tide Fig.2 Vertical averaged current velocity vector in neap tide

施测海域潮流呈现出随潮差的减弱而减小的趋势，最大流速表现出大潮大于小潮的特点。从流速平面分布来看，处于吉达湾湾口的V1站最大，其余各站大潮期最大流速在0.15～0.23 m/s，小潮期最大流速在0.11～0.45 m/s。靠近外海的V3、V5和V6站流速大于近岸的V2和V4站。

1.3 波浪特征

本工程位于南海北部，受来自东南向的热带气旋影响相对较大，常浪向应在E向～SE向之间，强浪向为ESE～S向，年均波高不超过1.5 m，年均波周期在6 s以下。

1.4 悬沙及底质分布

在潮流测站同步进行了含沙量取样工作，大、小潮平均含沙量分别为0.042 kg/m3和0.034 kg/m3，大潮期间的含沙量大于小潮含沙量。各测站的悬沙中值粒径介于4.99～14.23 μm，成分以砂质粉砂和粘土质粉砂为主。

砂是本海区分布最广的沉积类型，中值粒径在123.22～411.91 μm，广泛分布在吉达湾和外海-2 m等深线以浅的水域。粉砂质砂中值粒径在65.08～206.44 μm，集中分布在儒洞河河口区和外海-5 m等深线外侧区域。砂-粉砂-粘土和粘土质粉砂中值粒径在9.96 ～17.06 μm，主要分布在-10 m等深线附近。

1.5 泥沙来源

儒洞河曾是工程附近流域来沙的主要来源，但随着上游陂底水库和支流长角水库等水利设施的建设，输沙量已大为减少。该海域总体含沙量较低，工程海域的平均含沙量小于0.05 kg/m3。潮间带和近岸沉积多为砂质，且本海区潮流较弱，因此在潮流作用下的输沙量不大。经分析，有限的岸滩侵蚀泥沙及岸滩局部搬运泥沙为工程海域主要泥沙来源。

1.6 海岸地貌

吉达湾内淤积较严重，湾内大部分潮滩的底高程在-2.0～2.6 m，靠近鸡打港围堤海域水深略大。东侧靠近湾口分布有岛状滩地，在低潮时露出，在淤积体北侧和南侧分别有两条汊道从口门通向东侧较深水域。吉达湾湾口两侧均有沙嘴存在，其中西岸沙嘴指向口内，东岸沙嘴相对靠外，在沙嘴之间形成弯曲的潮汐通道，反应出两岸均有沿岸输沙存在。在鸡打港湾口外侧，由于潮汐汊道水流对沿岸输沙有拦截作用，并且在潮流和波浪共同作用下形成多处浅滩[3-4]。

1.7 工程地质

吉达湾内表层以细沙为主，下层有残积土、风化岩。纳泥区表层土质以砂混粘土为主，底层有淤泥夹层。-6 m以上的土质基本为砂性土，-6 m以下的土质开始出现粘性土，土质的可挖性较好。

2 淤积历史成因

目前吉达湾内水域淤浅萎缩，水质恶化。通过现场调研与相关资料研究分析，对吉达湾淤积和水质恶化的原因分析如下：鸡打港围堤及挡潮排洪闸于20世纪50年代末建成后，吉达湾的纳潮面积明显减小。即使按20世纪80年代岸线统计，围堤建设也使吉达湾纳潮面积减少了4.23 km2，接近原有面积的70%。纳潮量减小的直接影响是潮流动力作用的减弱，并导致泥沙的收支平衡被破坏。口外泥沙在波浪作用下掀起，并随涨潮流进入湾内后，由于落潮流强度减小，湾内泥沙不能完全输移出湾外，在长时间泥沙交换过程中，在湾口内侧形成涨潮三角洲，湾内水深逐渐淤浅萎缩。同时，遍及水域的养殖网箱对落潮流动力也存在较大的阻滞，致使潮滩淤展[5]。

湾口的潮汐汊道是吉达湾和外海相互沟通的通道，鸡打港围堤建设导致纳潮量减小后，降低了涨潮的漫滩流速和落潮时的归槽流速，已没有足够的潮流动力塑造、刷深口门潮汐汊道，致使其淤浅、缩窄、位置迁移，从而对潟湖的纳潮量、水交换能力和航道等进一步造成负面影响。现场调研也了解到历史上鸡打港湾口较为开敞，港内与外海直接相连，可通航百吨级渔船，近年来湾口沙嘴地形变化较频繁，只可通行小型渔船。另外，吉达湾由口门向上涨潮历时变短而落潮历时延长，严重地影响了湾内的水体交换，使得水质恶化[6-8]。

3 整治范围的确定

根据分析，项目初步考虑湾内与潮汐通道疏浚二者结合的方式开展整治。吉达湾涉及海洋生态保护红线，无法建设整治建筑物，因此吉达湾的整治疏浚无法完全根除淤积的问题，但可以做到在一定时期内缓解泻湖萎缩的状况，为解决政策问题、保留泻湖争取时间。

湾内疏浚整治工程范围主要考虑开挖水域边线与现有大堤、东侧及北侧山体、鱼(虾)塘保持一定的安全距离，保障水域开挖对现有结构的安全稳定不构成威胁。本项目采用地基稳定计算软件对原大堤结构、山体稳定、塘梗稳定进行工程前后对比计算，试算相关设施与水域开挖边线保持不同距离时的稳定性，以不影响其结构稳定为原则，详细稳定性计算结果见表1。

表1 整体稳定性计算结果Tab.1 Overall stability calculation results

根据计算结果，在不影响相关设施现有稳定性的情况下适当留出富余空间。整治水域的范围为：开挖水域坡顶线离大坝的距离取约100 m，离鱼(虾)塘的距离取为50～70 m，离北侧、东侧山体的距离取为60 m；边坡按1∶5取值，对于西南角现有沙滩处按1∶25的坡比留出沙滩。由此可以确定湾内疏浚整治水域面积约1.44 km2(含边坡)，整治范围见图3。在潮流泥沙数模中，也将验证确定的整治范围所达到的整治效果。

图3 整治范围边界Fig.3 Regulation boundary

4 整治底高程的确定

整治底高程的确定通过选择不同设计底高程进行数模试算并综合对比分析，最终确定适宜的设计底高程。由于吉达湾内缺乏历史水深资料，疏浚底高程的确定缺乏依据，但湾内目前最深的底高程约为-3.18 m(85高程，折合当地理论最低潮面为-2.0 m)，因此选择-3.18 m作为整治底高程方案之一。考虑到整治效果及环境要求，在-3.18 m的基础上进一步加深有利于延长湾内保持良好水深的时间，因此选择-5.18 m及-7.18 m作为整治底高程方案。如进一步加深整治底高程，则项目的投资过大，经济效益降低。

因此，经与专家充分讨论，初步选定-3.18 m、-5.18 m和-7.18 m(85高程)作为疏浚底高程试算输入条件，下文中分别称为方案一、方案二和方案三[9]。

4.1 模型建立

4.1.1 研究方法

针对工程所在海域的特点，使用MIKE21软件包建立适用于该海域的二维水动力泥沙数学模型，并考虑波浪对泥沙运动的影响。使用示踪剂法对方案实施后吉达湾水体交换能力进行评估，其原理是对溶解性保守示踪剂在湾内随流输运过程进行模拟，通过示踪剂平均浓度的变化反映港池水交换能力的强弱程度，在计算末期示踪剂浓度越小，表明湾内-外海水体交换效果越好。当示踪剂平均浓度降低到0.5 g/L时，所用时间即为吉达湾的水体半交换周期[10]。

4.1.2 计算域及网格划分

潮流数学模型计算域如图7所示，东西方向长约220 km，南北方向长约120 km。开边界东起阳江市东平镇，西到湛江市南三岛附近。采用局部加密的非结构三角形网格对计算域进行划分。外海区域空间步长较大，在开边界约为2 000 m，工程区域空间步长为10～15 m。

4.1.3 模型验证

本文使用2019年4月在工程海域布设的H1潮位站资料和V1～V6共6个潮流测站的大、小潮期流速、含沙量观测数据与模拟结果进行对比，以对潮流数学模型进行率定和验证。其中大潮期对比曲线可见图4～图6，由图可见模型计算得到的各测点潮位、流速、流向、含沙量计算值与实测值吻合较好，可以进一步为分析工程后流场、泥沙冲淤提供必要的水流动力条件。

图4 潮位对比曲线Fig.4 Comparison results of tide

图5 流速流向对比曲线Fig.5 Comparison results of current velocity

图6 含沙量对比曲线Fig.6 Comparison results of suspended sediment concentration

4.2 整治效果-水体交换

计算时段选取2019年4月11日～5月10日共计28 d，包含由水文实测小潮至大潮的涨落过程。至第5 d时现状条件和方案一～方案三的吉达湾示踪剂浓度分布可见图7。

7-a 工程现状 7-b 方案一

由计算结果可知，现状条件下示踪剂浓度下降速率最小，主要是因为湾内泥沙淤积严重，涨落潮流动力较弱，造成示踪剂不易向外海扩散。浓度在平面分布上由东侧向西侧逐渐升高，在湾内形成堆积。至28 d示踪剂平均浓度仍大于0.6 g/L，表明现状条件下吉达湾水域半交换周期大于28 d，反映出湾内水体自净能力减弱、可能产生水污染问题。

对比方案一～方案三，整治底高程分别为-3.18 m、-5.18 m和-7.18 m。随着湾内整治底高程的降低，在纳潮量和涨落潮次数相同的情况下，湾内示踪剂稀释能力下降，半交换周期增加。方案一～方案三的半交换周期分别为2.33 d、2.50 d和3.50 d。

4.3 整治效果-回淤分析

使用潮流泥沙数学模型，并考虑波浪作用，对整治工程实施后吉达湾附近水域的淤积情况进行了模拟。3个方案淤积分布相似，均为吉达湾东侧水域和潮汐通道内淤积强度较大：在潮汐通道，淤积强度向外海沿程递减；在吉达湾，外海含沙水体随涨潮流进入湾内，潮流动力减弱挟沙力下降使悬沙产生落淤。

整治方案实施后，淤积强度及回淤量统计可见表2。在吉达湾水域，方案一～方案三最大淤积强度在0.21～0.30 m/a，平均淤积强度在0.10～0.19 m/a，淤积量在13.1万m3/a～24.8万m3/a；至10 a后底床高程最高值为-1.18～-4.18 m，平均值为-2.38～-5.28 m。潮汐通道平均淤积强度在0.15～0.29 m/a，淤积量在1.3万m3/a～2.6万m3/a。总的来看，不同方案中方案一的淤积强度和回淤量均最小，但10 a后存在露滩的可能性，整治效果较为一般。方案二、方案三随着疏浚底高程的降低，淤积强度和回淤量有所增加，但10 a内露滩的可能性低，整治效果相对较好。

表2 不同方案淤积强度及回淤量统计Tab.2 Statistical table of siltation intensity and volume

4.4 方案比选

通过以上分析可知，疏浚整治后在水深条件改善的同时，湾内与外海的水体交换能力有较大改善，半交换周期明显缩短。方案一疏浚至-3.18 m，相比较开挖工程量最小，约为628万m3，但其对水深条件的提升有限，10 a之后湾内可能出现露滩的情况。方案二疏浚至-5.18 m，开挖工程量约为987万m3。方案三疏浚至-7.18 m，相比较开挖工程量最大，约为1 398万m3。另外也考虑到疏浚水深增大导致水体交换效果变差，综合整治效果与工程量、工程费用、项目工期等方面的因素进行综合比选(表3)。

表3 疏浚底高程综合对比表Tab.3 Comprehensive comparison table of dredging bottom elevation

由表3可知，3个方案实施后水体交换周期均比现状有显著改善，其中疏浚至-5.18 m及-7.18 m的整治效果相对较好，方案一10 a后存在露滩的可能性；但疏浚至-7.18 m的工程量及工程费用相比方案一与方案二增大明显且工期较长。因此从整治效果、项目投资等方面综合对比，项目的疏浚底高程推荐取为-5.18 m。

5 结论

针对整治范围的界定，通过计算周边设施整体稳定性，确保项目安全，在不影响相关设施现有稳定性的情况下适当留出富余空间。整治水域的范围为：开挖水域坡顶线离大坝的距离取约100 m，离鱼(虾)塘的距离取为50～70 m，离北侧、东侧山体的距离取为60 m；边坡按1∶5取值，对于西南角现有沙滩处按1∶25的坡比留出沙滩。由此可以确定湾内疏浚整治水域面积约1.44 km2(含边坡)。针对整治工程底高程如何取值的问题，根据水文实测资料，建立了吉达湾水域的潮流泥沙数学模型，预测分析了疏浚底高程为-3.18 m、-5.18 m和-7.18 m时的水体交换和回淤量。计算结果表明水深条件改善的同时，半交换周期由大于28 d降低为2～4 d。考虑到随着疏浚底高程的降低，半交换周期和回淤量均有所增大，综合清淤工程量方面的因素，可将疏浚底高程定为-5.18 m。