宁波光明码头水动力及泥沙环境研究

韩 路，邬秀清

(1.宁波舟山港股份有限公司，宁波 315040；2.宁波光明LNG码头项目筹建处，宁波 315813)

LNG 作为三大基础能源中唯一的清洁能源，近年来其国内需求量大增，我国进口LNG绝大部分依靠海上运输，LNG船舶进出港航行时，具有高危性、排他性的特点。LNG船舶相较于油船、散货船等货运船舶，同样船型尺度下船舶总重较轻，更易受风、浪、流影响，LNG 码头工程作为运输链中的重要一环，相较于普通货运码头工程，对工程海域水动力及泥沙环境有着更严格的安全要求。因此，一些学者围绕我国不同LNG码头工程开展了相关研究工作，张焯等[1]采用数值模拟方法研究了龙口南山LNG 码头工程潮流运动规律及泥沙冲淤变化；刘涛等[2]研究了青岛董家口港区LNG 码头改善口门流态的相关工程措施；姚姗姗等[3]分析了舟山LNG码头取排水工程对周边保护区的影响；刘臣等[4]分析了龙口港屺坶岛LNG 码头港址通航水流条件；庞启秀等[5]针对我国首个浮式LNG 项目——天津浮式LNG 接收终端项目，研究了该工程潮流、泥沙、波浪等涉海关键问题。LNG码头对水动力泥沙环境要求较高，但相较于其他工程，其研究成果却甚少，因此，本文以光明LNG码头改造工程为研究背景，广泛收集了工程海区实测水文气象及地形资料，分析了工程海域潮汐、潮流、波浪和泥沙等水文泥沙特性，为LNG码头改造工程提供科学参考依据。

光明码头位于浙江省宁波市穿山半岛东北侧、螺头水道南部，北隔螺头水道与舟山本岛相望，东、西两侧经螺头水道与峙头洋、金塘水道、册子水道相接，工程地理位置见图1。光明码头主要以经营煤炭等大宗散货为主，环境污染较为严重，附加值较低，因此拟将现有煤炭产业改造成更有发展潜力、附加值更高的LNG清洁能源产业，同时将现有已建光明码头改造为26.6万m3的LNG卸船泊位，能够较快、较好地弥补宁波港域LNG接卸能力的不足，保障浙江省天然气消费需求。根据2021年最新版的《液化天然气码头设计规范》中对设计环境条件要求如下：8万m3以上的LNG船舶靠泊作业阶段风速应在15 m/s以下，横浪H4%不大于1.2 m，顺浪H4%不大于1.5 m，波周期不大于7 s，横流流速小于0.5 m/s，顺流流速小于1.0 m/s。由于光明码头所在工程区岛群林立、潮流动力强劲，含沙量较高，且受众多岛礁影响，水流泥沙条件较复杂，因此全面掌握该海区水沙环境特征是十分必要的。

图1 工程海域示意图Fig.1 Sketch of the project sea area

1 地貌形势

光明码头位于浙江省宁波市穿山半岛东北侧。穿山半岛地处浙江省东部，在大地构造上处于东南沿海巨型隆起带和浙闽粤沿海燕山期火山活动带的北段，温州—镇海SSW—NNE向断裂带、昌化—定海东西向断裂带分别从本区西部、北侧通过。这些断裂的形成和发育对岛屿形态、火山和岩浆活动、沉积作用及地形地貌的变迁具有一定的控制作用。中更新统以前海岛与陆地相连，地层构造属于华夏古陆的一部分，地层与浙东陆地相同，大多由中生代火山岩构成，还有片麻岩、大理岩等古老的变质岩和新生代的玄武岩。第四纪以来，伴随着海平面的多次升降，又沉积了海相砂砾层和淤泥滩堆积。

工程海域总体上处于一个由舟山、册子、金塘、大猫等岛屿和穿山半岛环抱的半封闭水域内，海岸类型大致分为两种：即海积岸和海蚀岸。其中，海积岸是由淤积质土或砂堆积的海滩以及砂砾石堤组成的堆积海岸地貌；海蚀岸系指海岸遭受冲刷的地段，常见有海蚀崖、海蚀穴、海蚀台地、海蚀柱等海蚀地貌形态。多以平顶岩礁出现，为高潮所淹没，低潮时露出海面，台地宽一般在数米至十几米；二级发育在杨公山等地，高出高潮位3～5 m，台地宽50 m以上，台面平整。

工程海域附近岛屿罗列、岛间潮流峡道交错纵横，水下地形自西北向东南倾斜，除南汇边滩水域属长江口水下三角洲的一部分外，总体上表现为水下岸坡或水下平原和潮流冲刷槽交错分布的水下地貌特征。在强劲潮流作用下，岛间潮流冲刷槽的走向与涨落潮流的主流向基本一致，呈WNW—ESE走向。工程区所在的螺头水道基本为东西走向，至大榭岛东侧转为西北—东南走向，水深较大，100 m等深线几乎贯穿整个水道，工程区附近水下地形、地貌以侵蚀的潮流冲刷槽为主、辅以淤积为主的淤泥质水道边滩。

根据2019年11—12月最新地形测图，工程海域水深较深，20 m等深线直逼光明码头前沿，按照26.6万m3LNG卸船泊位及回旋水域设计水深-16.5 m的要求，泊位区及回旋水域基本不需要浚深即可满足设计水深需求。

2 水动力条件

2.1 风与波浪

根据岱山和普陀气象站的统计资料，全年的常风向和强风向为偏N风(NW、NNW)，次常、强风向为偏SE风(SSE)。多年平均风速为5.8 m/s左右，多年最大风速为37.0 m/s(N，岱山)、33.0 m/s(ENE，普陀)。多年平均大于6级风的天数为45.2 d，大于7级风的天数为7.3 d，大于8级风的天数为0.7 d，大于9级风的天数为0.3 d。8、9级大风主要出现在台风活动频繁期。

根据中宅站和竹湾站波浪观测资料统计(结果分别见表1和表2)，本海域的常浪向以偏N向为主，NW—NE向间波浪出现频率为84.7%。常浪向为NW向，出现频率占28.32%，其余各向波浪出现频率分布在10%～20%，出现频率分布比较均匀。

表1 竹湾站各向H4%波高特征统计表Tab.1 Statistics of H4% wave height characteristics in all directions of Zhuwan station

表2 竹湾站各向平均波周期统计表Tab.2 Statistics of average wave period of each direction at Zhuwan station

从竹湾站平均及最大H4%波高来看，实测最大H4%波高为1.90 m，出现在W向，次之为1.8 m和1.7 m，分别出现在NW向和WNW向。中宅码头前沿短期资料情况与此类似，实测最大波高1.7 m，出现在W向，次之为1.4 m，分别出现在NW向和N向。

工程海域H4%波高较小，从竹湾站H4%波高分级频率统计来看，以0.6 m以下波高出现频率最高，为81.35%，1.5 m以上波高出现频率为0.31%，未出现2.0 m以上的波浪。从大波高的出现时间及历时来看，1.2 m以上H4%出现频率总计为13 d，其中NW向最多为9 d，而且历时较长为24 h。其余各向仅有少量出现，且历时极短，多在1 h左右。

工程水域平均波周期亦较小，实测最大平均周期仅为4.4 s，从分级频率统计来看，绝大部分平均周期分布在3～5 s，出现频率为96.05%。

表3 竹湾潮位站潮位特征值Tab.3 Tidal level characteristic values of Zhuwan tidal level station

2.2 潮汐

工程海域潮汐主要受东海前进潮波控制，潮汐以半日潮为主。根据实测潮汐资料调和分析可知：工程海区的(HK1+HO1)/HM2为0.52，本海区的潮汐属不正规半日潮。另外，中宅水域浅水效应较显著，HM4/HM2为0.06，具体表现为明显高、低潮不等且涨、落潮历时不等，因此本工程海域的潮汐性质属于不正规半日浅海潮类型。

根据竹湾潮位站1 a资料统计，工程海域潮位特征值如表3所示。工程海区平均潮差约2.06 m，最大潮差约4.19 m。

2.3 潮流

根据2020年3月期间测流资料统计分析，该海域潮流具有以下基本特征：

工程水域潮流性质属于正规半日浅海潮流，且浅水效应非常显著[1-2]。由实测统计资料可以明显看出，工程前沿及外围水域各测站往复流特征明显。在码头前沿2#和3#测站(测站位置见图2)，潮流基本沿着码头走向，涨潮流为偏西南向，落潮流为偏东北向；在码头西侧前沿1#测站和回旋水域4#测站，涨潮流为偏西北向，落潮流为偏东南向；在回旋水域5#测站，涨潮流为偏西向，落潮流为偏东向。在外围螺头水道，各测站潮流基本沿着与等深线平行的走向。在码头前沿和回旋水域，5#测站流速最大，其次为4#测站，码头西侧前沿水域1#测站流速最小，1#～5#测站平均流速在0.22～0.40 m/s。1#～5#测站垂向平均最大涨、落潮流速分别介于0.75～1.37 m/s和0.30～2.52 m/s。除5#测站外，其余4个测站涨潮流均强于落潮流。

2020年3月大、小潮水文观测期间，在工程码头前沿进行了4条断面的ADCP走航测量，如图2所示。图3绘制了大潮各采样点垂向平均流速矢量图，从分析结果来看：离岸采样点及码头以东近岸水域落潮流强于涨潮流，在码头前沿及H1、H2断面近岸水域涨潮流强于落潮流。H3断面离岸水域落潮流流速最大，H3-6～H3-13采样点落潮流最大流速均超过2.0 m/s；大码头前沿落潮流流速相对最弱，H1断面H1-1～H1-7采样点、H2断面H2-1～H2-5采样点、Z1断面Z1-1～Z1-7采样点落潮流最大流速均小于1.0 m/s。H1、H2、H3断面离岸水域涨潮流流速较大，H1、H3断面近岸水域涨潮流流速相对较弱。从图3可以看出，落潮期间和涨潮期间均有回流现象。落潮期间，受到西边岬角地形的影响，H1、H2断面近岸水域和码头前沿水域出现明显的回流现象，即在一个潮周期内，潮流方向大多为偏西向；涨潮期间，H1～H3断面离岸水域和码头附近出现回流现象，其中离岸水域多为逆时针回流，码头附近的回流随涨潮过程，会出现顺时针和逆时针两种回流情况。

图2 大潮期间垂线平均流速矢量分布图Fig.2 Vector diagram of vertical average velocity during spring tide图3 各走航断面大潮测验期间垂线平均流速矢量图Fig.3 Vector diagram of vertical average velocity during spring tide test of each navigation section

表4 工程海域垂线平均流速特征值统计表Tab.4 Statistics of characteristic values of vertical average velocity in the project sea area

从现场实测水文资料来看，光明码头回旋水域有回流现象发生，码头泊位区域少部分时段水流夹角超过30°，最大横流流速介于0.3～0.5 m/s。这是由于光明码头位于穿山半岛岸界“凹”处，潮流在此岸界走向作用下易产生回流区。

从流速的垂线分布来看，各测点中上层流速大于底层流速。在码头前沿及回旋水域，表、中、底层平均流速比约为1.24∶1.22∶1，其中1#～5#测站(测站位置见图2)表、中、底层最大流速分别介于1.01～2.41 m/s、1.08～2.63 m/s和0.89～1.83 m/s；在外围螺头水道，表、中、底层平均流速比约为1.30∶1.39∶1。

2.4 余流

实测的水流包括周期性潮流和余流两部分，其流速矢端的迹线较单纯的周期性旋转潮流和往复潮流更复杂。通过对流进行调和分析，可将周期性的全日周潮流、半日周潮流，从海流总矢量中分离出来，余下的部分即为余流。全日周潮流和半日周潮流的矢端迹线为椭圆形状，余流则指向一定的方向。它一般包括漂流(风海流)、密度流、径流等，余流的流向常是泥沙运动和污染物质扩散运移的方向。

图4给出了各潮流测站观测期间的余流矢量图。1#～5#测站垂向平均余流分别为0.24 m/s、0.28 m/s、0.19 m/s、0.28 m/s、0.39 m/s。由于回流的影响，1#～4#测站余流为涨潮流向，5#测站余流为落潮流向。

图4 水文测验期间各点垂向平均余流流矢图Fig.4 Vertical average residual current vector of each point during hydrological test

3 泥沙环境

3.1 水体含沙量

根据2020年3月开展的水文测验实测含沙量资料分析[6]，实测含沙量特征如下：

工程海域含沙量较高，实测最大含沙量1.134 kg/m3，平均含沙量为0.678 kg/m3。含沙量半月周期变化受潮流强弱影响，大潮期间含沙量高于小潮期间，大、小潮期间平均含沙量分别为0.754 kg/m3、0.602 kg/m3，其中，大潮期间，各测站的平均含沙量介于0.663～0.857 kg/m3；小潮期间，各测站的平均含沙量介于0.533～0.687 kg/m3。从含沙量垂向分布来看，其分布自上而下呈增大趋势，其中大潮期间各测点的表层、0.6H层、底层平均含沙量分别为0.679 kg/m3、0.766 kg/m3、0.836 kg/m3，小潮期间各测点的表层、0.6H层、底层平均含沙量分别为0.402 kg/m3、0.656 kg/m3、0.768 kg/m3。全水域表层、0.6H层、底层平均含沙量之比约为1.00∶1.32∶1.48。

3.2 悬沙粒径

根据2020年3月悬沙采样统计，悬沙类型主要为粘土质粉砂，平均粘土含量约为34.28%。工程水域各测站悬沙中值粒径差别不大，不同潮型下悬沙粒径的变化不显著，大潮略大于小潮。大潮期间，悬沙中值粒径在0.006 07～0.007 73 mm，平均值为0.006 67 mm；小潮期间，悬沙中值粒径在0.005 94～0.007 21 mm，平均值为0.006 51 mm；总体来说，工程海域悬沙较细，悬沙中值粒径在0.005 94～0.007 73 mm，平均值为0.006 59 mm。

3.3 底质分布

2020年3月水文测验期间，在工程水域利用蚌式采泥器对底质(表层沉积物)进行取样工作，获取了10个测站的底质样品，根据粒度分析结果：工程水域底质样品呈灰黄色，半流动状，底质类型均为粘土质粉砂，底质中粉砂、粘土含量较高[7]，砂含量很少，砂含量在3.21%～12.44%，平均值为7.73%；粉砂含量在63.23%～69.98%，平均值为66.50%；粘土含量在20.94%～30.87%，平均值为25.77%。码头附近底质中值粒径变化范围为0.008 38～0.016 12 mm，平均为0.012 06 mm，测区的底质均较细，各站底质粒度差别不大。码头前沿底质最细，海湾东侧岬角附近底质最粗。

3.4 泥沙来源

从现场勘查结果来看，没有直接注入本区的河流泥沙，周围岛屿能带来的直接入海的陆源物质极其有限[8-9]。

工程水域的泥沙主要来自外界泥沙，即杭州湾和东海浅海陆架在涨落潮流下的泥沙输运。该海域由多条水道与杭州湾和东海陆架浅海相通，在落潮时，由金塘水道、册子水道经螺头水道将杭州湾水域的泥沙带入该海域，杭州湾泥沙输移特点是北进南出(即杭州湾北岸进沙，南岸出沙)，杭州湾南岸的庵东浅滩，其实测平均含沙量在3.0 kg/m3左右，南岸泥沙则沿庵东浅滩顺着沿岸在落潮流作用下通过金塘水道向外输移，有部分泥沙在输运过程中沉积下来；在涨潮时，东海陆架浅海泥沙或沉积物通过螺头水道带入该海域，部分泥沙沉积下来。

此外，在卫星遥感图像上可以看出，在相当多的情况下，工程海域及周围海域都显示局部高含沙现象，而且高含沙区往往分别沿岛屿链方向。这种高含沙现象主要与岛屿效应有关，其形成原因可能主要有以下两种：(1)潮流经过岛屿时掀起岛屿当地周围浅滩泥沙；(2)杭州湾涨落潮水流携带高浓度泥沙经过舟山群岛时，水流围绕岛屿形成复杂回流区造成局部高含沙[10-12]。

3.5 泥沙淤积

本工程码头前沿水深条件较好，3#码头(1#～3#泊位位置见图2)前沿自然水深满足设计要求，无需浚深；1#～2#码头前沿部分水域自然水深不满足设计要求，需进行浚深，浚深位置主要集中在码头西侧，平均挖深2.9 m；回旋水域内绝大部分水域的自然水深均可满足设计要求。总开挖面积约占港池总面积的2%。目前光明码头在运营期间3#泊位基本不需要维护疏浚，1#、2#泊位码头前沿开挖区域每个季度疏浚方量在0.5～1万m3，泥沙回淤较少。

4 结语

本文采用大量现场实测资料对光明码头所在的工程海区水动力泥沙特性[8]开展研究分析，从风、浪、流、泥沙角度分析了现有码头改造成LNG码头的可行性，得出主要结论如下：

(1)光明码头位于浙江省宁波市穿山半岛东北侧、螺头水道南部海域，自然水深条件较好，20 m等深线直逼码头前沿，泊位区和回旋水域基本不用浚深即可满足设计水深需求。

(2)工程海域位于杭州湾湾口东侧，受杭州湾来沙以及湾口的岛屿群影响，含沙量相对较高，垂线平均含沙量为0.3～0.5 kg/m3，冬季可达0.7 kg/m3以上，但由于泊位及回旋水域自然水深较深，基本无需疏浚，改造后水动力依然强劲，挟沙能力强，泥沙落淤率小，回淤量也较少。

(3)受穿山半岛海区群岛掩护，光明码头所在位置波高较小，波况较好，0.6 m以下波高出现频率达81.35%，未出现2.0 m以上的波浪。

(4)工程海区潮汐为非正规半日浅海潮类型，平均潮差约2.06 m，最大潮差约4.19 m。大范围潮流在岸边界的约束下基本呈往复流运动，涨潮近似偏西南向，落潮偏东北向，水流流速较大，动力较强，最大流速可达2 m/s以上。光明码头位于穿山半岛岸界“凹”处，易产生回流区，从现场最新实测水文资料来看，回旋水域有回流现象发生，码头泊位区域少部分时段水流夹角超过30°，最大横流流速介于0.3～0.5 m/s，横流流速较大，所以光明LNG码头改造工程应重点关注“横流”问题，可以考虑在码头后方设置密排桩或导流桩等工程措施以减小码头前沿横流流速。