胶州湾潮滩整治工程对潮流泥沙影响及冲淤预测分析

2023-03-27曹同钢耿尧尹衍华况海谢宜欣张英

科学技术与工程 2023年5期

曹同钢，耿尧，尹衍华，况海，谢宜欣，张英

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，青岛 266100； 2.青岛西海岸新区应急管理局，青岛 266555； 3.青岛开投铁山水务有限公司，青岛 266400； 4.青岛利安建设工程有限公司，青岛 266100； 5.青岛西海岸新区城市管理局，青岛 266400； 6.青岛黄岛区隐珠街道办事处，青岛 266400)

潮滩作为海岸带重要的组成部分，不仅是生物多样性保护、极端气象防护的重要区域，也是旅游观光、港口码头等经济所依托的建设地带。作为一种特殊的系统，潮滩区域同时受到陆地径流和海洋潮汐的影响，因此，潮汐对河口沉积物的迁移、转化和分布有很大的影响[1]。近年来，中国沿海海域不断改善潮滩海域环境，如利用近海潮滩建设游艇码头、围垦工程等，这势必会对潮滩水动力及泥沙供应产生一定影响，工程建设前后潮滩带在不同时间尺度的淤积或侵蚀规律成为研究关注的重点[2-3]。胶州湾由于其在黄海中部这一优越的地理位置，外加潮滩丰富的资源，在周边城市开发过程中带来了巨大的经济效益[4]。为加快胶州湾近海区域经济的发展，近年来，前湾地区开展多期码头扩建工程，使湾区内大量潮滩破坏。根据国家海洋局监测数据，2012年胶州湾的总水域缩减为原有面积的65.6%[5]。海域面积的减小也使得海洋水土质与悬浮物的对流传播速率下降，而海湾自净能力也减弱，因此如何减少工程建设对近海海湾危害也是亟待解决的关键问题。

潮滩整治对泥沙冲淤影响主要分析方法有物理模型试验法、经验公式法、现场资料分析法、数值模拟分析法4种。目前应用较多的是经验公式和数值模拟法。在海湾及河口整治对潮流泥沙及冲淤演变的影响分析方面，国内外众多学者开展了研究。陈伟伦等[6]通过平面二维潮流悬沙数值模拟方法，研究了长江口青草沙水库对河床冲淤演变影响规律，同时基于改进的王义刚公式，对水库建设后对冲刷和淤积的影响进行分析。徐艺哲等[7]通过建立大丰港深水航道水沙数学模型，将实测资料对模型进行验证，探究航道在极端天气下骤淤情况。徐啸等[8]分析了京唐港发生泥沙骤淤的海岸动力条件和泥沙回淤特点，提出了大风浪条件下粉砂质岸滩泥沙运动规律。李春良等[9]应用FVCOM方法建立了长江口三维潮流模型，分析了不同淤积时间下长江口各分支航道的潮位、潮时和潮流的变化规律。张永强等[10]讨论了胶州湾大桥海域流速及流向变化，通过数值模拟方法对比大桥建设前后对湾内泥沙冲淤影响，研究表明，大桥建设前后除桥墩外其余区域的冲淤趋势基本一致。徐洪波等[11]基于数值水流模型和泥沙输运模型对深圳机场跑道工程施工对珠江口水域潮流泥沙影响，并对工程局部进行精细分析计算。石晓雨等[12]依托胶州湾内各种观测以及调研资料，利用数理分析和数模计算，针对跨海大桥建设对海水结冰的影响，分析了气温、水动力、沉积等影响因素。赵占超等[13]基于黄河上游内蒙古河段实测水沙及地形资料，在考虑同流量水位及典型断面变化情况下，采用输沙率法分析了该河段水沙变化特征，同时研究了河道时空冲淤分布特征及水沙条件与河道冲砂的耦合关系，研究成果可为河道整治、岸线利用及水库调水调砂提供参考。金文[14]根据东台子水库附近流域的水沙特征，为充分用弃水进行排沙，采用一维不饱和全沙模型，分析了4种方案下淤积的情况。

为了改善胶州湾北部海域景观，考虑将胶州湾东北部海湾整治，拟在北部白沙河以南段修建一座游艇码头，通过开挖形成航道连接码头和较浅水域。现通过建立大范围非等距三角形网格的高精度数值模型，探究胶州湾北部海湾整治工程在不同开挖方案下潮流场分布规律，并对工程后开挖潮滩区对航道水动力条件及冲淤变化进行预测，以期为海湾整治工程建设提供可靠的工程咨询。

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

胶州湾是中国黄海中部的浅水湾，湾内水域宽阔，湾口及湾中南部水域较深，5 m以深的水域面积不足整个海湾面积的1/3[5]，其西部、北部及东部水深较浅，另有大面积的浅滩。本工程位于胶州湾北部潮滩区，国家海洋局对该区域寒潮过境中的波浪进行观测，数据显示，在风速为14 m/s的情况下，测得最大波高为1.07 m，平均周期为4.2 s，其余波高均未超过1 m。该区域风区很短，水深较浅，波高普遍较小，波浪周期较小。

1.2 泥沙来源及海底冲淤变化

1.2.1 海域泥沙来源

长期以来，河流来沙一直是主要的泥沙来源，1980年以前，注入胶州湾的河流年输沙量约157万t，1980年以后，由于上游水库阻挡泥沙，每年入湾泥沙减少至3万t。

工程海域靠近墨水河和白沙河河口，河流泥沙主要来源于这两条河，根据对两条河多年输沙量情况进行统计可知，墨水河1970—1977年为5.45万t/a，1970—1989年为2.71万t/a；白沙河每年不到1万t/a，工程海域河流输沙量小。工程海域开挖后，周边海底泥沙将在涨落潮流作用下起动，并在港池、航道内淤积。

1.2.2 岸滩冲淤变化

资料显示工程区所在胶州湾北部海域岸线向海有明显淤进，图1为工程区1966年、1982年和1992年不同时期海图提取的等深线对比结果，由图可知，工程区海底也呈现淤积态势，其中1966—1982年间较1982—1992年0 m等深线向海推进幅度大。

图1 1966—1992年工程海域海底冲淤变化(0 m等值线)Fig.1 Variation of seabed erosion and deposition in the project sea area from 1966 to 1992 (0 m contour)

图2为根据工程区2009年8月测深与1992年海图水深对比结果，1992—2009年，工程海区水深变化较小。1992年和2009年-2 m、-1 m和0 m等深线基本吻合，17年间-2 m等深线以深海域各对比点水深变浅0～30 cm，-2 m等深线以上，墨水河口等局部地区水深变浅50～60 cm。

图2 1992—2009年工程海域海底冲淤变化Fig.2 Changes of seabed erosion and deposition in the project sea area from 1992 to 2009

综上所述，工程海区岸线在历史时期处于向海淤进趋势，1966年以后基本稳定在人工虾池岸线位置。海底处于持续淤积状态，1966—1992年淤厚几十厘米至2 m，以墨水河河口外潮沟淤积最大；1992—2009年-2 m等深线以上河口区有约50 cm的淤浅，-2 m以深海域海底冲淤变化较小，大部分海域平均变浅10～20 cm。

1.3 两种疏浚方案

由于拟开挖潮滩原始水深较浅(潮滩开挖区底标高黄零-3.0 m，航道开挖底标高黄零-4.0 m)，潮滩开挖、航道建成后有可能在水动力作用下发生淤积，将对比分析两种潮滩开挖方案对航道水动力条件及冲淤变形影响，两种方案的平面布置情况如图3所示。方案一以墨水河潮流通道作为开挖西边界，方案二以流亭和红岛管辖的行政边界作为开挖西边界，方案一开挖面积大于方案二。

图3 两种不同疏浚方案示意图Fig.3 Schematic diagram of two different dredging schemes

2 模型建立与验证

2.1 控制方程

模型基于二维平面不可压缩雷诺平均浅水方程建立，并且进行布辛涅司克近似假设和静水压力假设[14]，能更准确地对潮面和潮流来模拟计算，其连续方程为

(1)

动量方程分别为

(2)

(3)

2.2 模型范围及网格划分

因为现实场景复杂，模型网格采用非等距三角形网格，整个区域宽约50 km，长约55 km，总面积约为2 750 km2，外海计算网格步长在200～300 m，工程区计算网格步长在20～50 m，整个区域有节点数6 290个。模型中胶州湾水深采用1∶2.5万的水深数据，工程区附近水深采用1∶2 000的水深测量数据；模型中海域的开边界上给定水位驱动模式，结合胶州湾外董家湾、埋到等长期观测资料给定模型的边界常数；模型最小时间步长取0.01 s，最大取120 s；采用动边界技术处理干湿边界，陆地值取0.01 m，漫水区取0.05 m，湿水区取0.1 m。涡黏系数采用Smagorinsky常系数，取Cs=0.28；海底摩阻根据曼宁系数M确定，曼宁系数使用查表方法取值，取M=40，在该模型中不考虑风的影响。

图4 工程区附件计算网格及范围图Fig.4 Calculation grid and scope

2.3 计算工况设计

(1)现状地形下潮流场的数值模拟。利用工程区附件2009年实测水深并结合海洋一所的1∶2.5万水深数据模型计算水深进行设定，同时在现状岸线下对观测的数据进行验证，工程区附近现状地形下水深等值线见图5(a)。

图5 工程区附近不同工况下水深等值线图Fig.5 Contour map of groundwater depth under different working conditions near the project area

(2)工程前潮流场的数值模拟。根据规划，在胶州湾顶进行环境整治整治的清淤工程，清淤深度及范围见图5(b)，其余海域的水深及现状地形下水深一致。

(3)方案一实施后潮流场的数值模拟。疏浚范围为墨水河潮流通道作为开挖西边界，浚深-3 m在疏浚工程实施前的地形基础上进行疏浚，在疏浚方案一种中考虑胶州湾大桥的影响，对大桥轴线两侧200 m内疏深不超过-2 m水深，见图5(c)。

(4)方案二实施后潮流场的数值模拟。以流亭和红岛管辖的行政边界作为开挖西边界，浚深-3 m，工程区附近水深等值线见图5(d)。

2.4 模型验证

验证资料采用2003年9月13日12:00—14日14:00(大潮)一个周日的六船(Jd01～Jd06)同步水文测量资料，模式验证所用的观测资料站位位置见图6。计算值和实测值潮位验证见图7，图8和图9为2003年9月Jd01和Jd02两站点观测资料的流速与流向的验证图。

图6 2003年9月六船同步测流站位图Fig.6 Location of six ship synchronous current measuring stations in September 2003

图7 大港潮位观测验证图Fig.7 Verification diagram of tide level observation in Dagang

图8 Jd01站流速验证图Fig.8 Flow velocity verification diagram of Jd01 station

图9 Jd02站流速验证图Fig.9 Flow velocity verification diagram of Jd02 station

综合分析来看，模型模拟的水位、速度和方向与大多数台站的实测过程基本一致。由该模型计算的结果反映了测量河流速度的快速上升和下降，并且在流动方向上几乎没有差异。无论是水位、流速，还是流向，计算结果与实测基本相符，表明模型中使用的参数基本合理，计算方法可靠，能够模拟工程区的潮流特性，能够满足进一步预测和研究的需要。

3 不同疏浚方案后潮流场对比分析

3.1 现状地形下工程海域潮流场

利用工程区附近2009年实测水深并结合海洋一所的1∶2.5万的水深数据对模型的计算水深进行设定，同时在现状岸线下对观测的数据进行验证。通过现状地形下工程区附近海域大潮落急时刻流场图及流速等值线图[图10(a)、图10(b)]可以看出，流亭附近的胶州湾顶潮滩大面积出露，在水道汇流处流速较大，流速在0.3 m/s左右，流向近SSE向。

通过现状地形下工程区附近海域大潮涨急时刻流场图及流速等值线图[图10(c)、图10(d)]可以看出，流亭附近的胶州湾顶大面积出露的潮滩被海水淹没，在水道汇流处流速较大，流速在0.5 m/s左右，流向近NNW向。

图10 现状地形下工程区附件海域大潮急涨急停时刻流场及流速变化Fig.10 Changes of flow field and velocity at the time of spring tide surge and emergency stop in the sea area adjacent to the project area under the current terrain

3.2 不同疏浚方案对潮流场特征影响

图11为疏浚方案一实施后工程区附近海域大潮急涨急停时刻流场及流速变化情况，可以看出，在流亭附近的胶州湾湾顶的潮滩受疏浚的作用已经不在露出水面，在湾顶东侧水道深槽汇流处过流断面明显较疏浚方案实施前变宽，流速降低以后对于航道中船只的航行速度干扰较小。流速较小，在0.3 m/s左右，流向近SSE向。

图11 疏浚方案一实施后急涨急停时刻流场及流速变化Fig.11 Changes of flow field and velocity at the time of rapid rise and stop after the implementation of dredging scheme I

通过疏浚工程实施前工程区附近海域大潮涨急时刻流场图及流速等值线[图11(c)、图11(d)]可以看出，流亭附近的胶州湾顶大面积出露潮滩的已经再次被海水淹没，工程开挖深槽处流速0.3～0.4 m/s，疏浚区附近胶州湾大桥轴线两侧200 m宽处的流速明显变大，流速在0.7 m/s左右，流向近NNW向。

图12为疏浚方案二实施后工程区附近海域大潮急涨急停时刻流场及流速变化情况[图12(a)、图12(b)]可以看出，在流亭附近的胶州湾湾顶的潮滩受疏浚的作用已经不再露出水面，在湾顶东侧水道深槽汇流处过流断面明显较疏浚方案一变窄，流速在0.3 m/s左右，流向近SSE向。

图12 疏浚方案二实施后急涨急停时刻流场及流速变化Fig.12 Changes of flow field and velocity at the time of rapid rise and stop after the implementation of dredging scheme II

通过疏浚工程施实前工程区附近海域大潮涨急时刻流场图及流速等值线图[图12(c)、图12(d)]可以看出，流亭附近的胶州湾顶大面积出露潮滩的已经再次被海水淹没，疏浚区胶州湾大桥轴线两侧200 m宽处的流速明显变大，流速在0.7 m/s左右，流向近NNW向。

4 潮滩整治对冲淤强度影响分析

选取《海港水文规范》(JTJ 2.3—1998)推荐的粉砂淤泥质海岸计算挖入式港池的公式对潮滩开挖后的淤积强度及航道淤积强度进行计算，其中，潮滩开挖后的淤积强度计算公式为

(4)

式(4)中：P为开挖区底面的淤积强度，m；ω为泥沙沉积速率，ω=0.000 4 cm/s；K0为经验系数，在缺少现场资料的情况下，可取0.14～0.17；s为平均水深范围内水域的平均含沙量，参考实测值，一般天气情况下取110 mg/L；d1、d2为开挖前后的平均水深，m；γ0为泥沙干密度，淤泥质海岸取600～900 kg/m3；t为淤积历时，分一般天气情况和大浪情况进行计算；A为港内水下浅滩的水域面积，m2；A0为港内总水域面积。

工程开挖潮滩主要处于自然水深0～3 m(黄零)处。选取不同水深位置对港池和航道开挖后的淤积强度进行计算，潮滩开挖后的淤积强度计算结果见表1。

由表1可知，采用方案一开挖区年平均淤积强度为8.2～19.6 cm/a，采用方案二为10.5～24.8 cm/a。在浚深深度相同的情况下，淤积强度由深水区向浅水区逐渐增加。平均淤积强度方案一为15.6 cm/a，方案二为19.0 cm/a。其中方案一开挖面积约3.15 km2，方案二开挖面积约1.8 km2，由此计算得开挖区年淤积量方案一约为50万m3，方案二约为34万m3。

表1 开挖区年平均淤积强度计算结果Table 1 Calculation results of annual sedimentation rate in excavation area

航道淤积强度计算公式为

(5)

式(5)中：P为港池、航道底面的淤积强度，m；ω为泥沙沉积速率，ω=0.000 3 cm/s；K0为经验系数，在缺少现场资料的情况下，可取0.14～0.17；K1、K2为淤积系数，分别选用经验值0.35和0.13；s为平均水深范围内水域的平均含沙量，kg/m3；θ为航道走向与水流流向夹角，此处根据航道走向和涨落潮流主方向取值。潮滩开挖后航道淤积强度计算结果见表2。

表2 开挖航道年平均淤积强度计算结果Table 2 Calculation results of annual siltation rate of excavated channel

经计算，开挖航道年平均淤积强度方案一为5.0～13.2 cm/a，其中处于开挖区内的航道年平均淤积强度约为13.2 cm/a，开挖区外原始水深为-3 m处年平均淤积强度约为9.0 cm/a，原始水深为-3.5 m处年平均淤积强度约为5.0 cm/a；方案二为5.0～16.1 cm/a，其中处于开挖区内的航道年平均淤积强度约为16.1 cm/a，开挖区外原始水深为-3 m处年平均淤积强度约为9.0 cm/a，原始水深为-3.5 m处年平均淤积强度约为5.0 cm/a。