滨海电厂新建码头港池及取排水口对海域冲淤演变影响分析

李富春，仝宗良，黄广灵，陈晖*，谭超

（1.中交四航局第七工程有限公司，广东 广州 511466；2.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635）

0 引言

海岸带是人类活动频繁的区域，自然资源丰富，交通运输便利，同时还为许多生物物种提供了良好的栖息地[1]。海岸的稳定是泥沙冲淤演变过程的综合反映，包括众多自然因素和人类诱发因素[2-4]。取水口及码头等工程的建设改变了近岸地貌形态，对海洋动力产生一定的影响[5]。水流泥沙数学模型是研究工程建设及其对动力地貌环境影响的重要工具，陆凡等[6]应用MIKE21 软件研究新建码头对涨落潮和海床冲淤变化的影响；李鹏等[7]同样使用MIKE21 软件模拟工程施工对潮流场的影响，计算了10 a 一遇大风浪条件下海域骤淤分布规律。

某滨海电厂新建取排水口及码头工程位于安铺港北部、英罗湾东部，取水量按18.5 m3/s 一次建成。取排水口及码头的建设改变了岸线形态，从而导致局部海域水动力条件及泥沙运动发生变化，造成海域地貌的冲淤演变。工程所在粤西沿海易受风暴潮侵袭，风暴潮期间的潮流波浪极易掀动床沙，使水体含沙量短时间内急剧增加，造成局部区域骤冲骤淤，对近岸港口航道及取排水口的安全等造成影响。本文采用MIKE21 软件，模拟计算新建取排水口及码头工程所在海域泥沙冲淤演变，不仅对探讨安铺港和英罗湾物质输移的关键过程具有重大意义，也能为电厂取水和码头的正常运行和维护提供重要依据。

1 工程概况

1.1 水文气象

英罗湾-安铺港位于广东省西部、雷州半岛西北地区，属于台地溺谷海岸。研究区域属热带季风气候区，温和多雨，干湿季分明。夏季盛行西南季风和东南季风，冬季盛行东北季风，年平均风速为3.7 m/s，历年瞬间最大风速为37 m/s。工程海区潮差较大，最大潮差达542 cm，平均潮差为238 cm；年平均落潮历时为7 h 29 min，年平均涨潮历时为7 h 49 min，二者相差约20 min。海区潮流主要为不正规半日潮流，潮流运动以往复流为主。海区余流方向基本是表层余流为西南向，中底层为东北向。海域的常浪向为NNE 向，多年出现频率16.9%；次常浪向为SSW、NE 向，出现频率分别为11.5%、10.7%[8-9]。

1.2 泥沙底质

研究海域泥沙来源主要包括本海域泥沙的再起动、外海来沙、安铺港东侧径流来沙以及英罗港北侧径流来沙。由于没有较大河流注入，含沙量的来源、分布及变化取决于风、浪、流及地形等。根据水文观测，海域水体总体清澈，含沙量较低。夏季大、中、小潮平均含沙量分别为0.007 kg/m3、0.005 kg/m3、0.006 kg/m3，冬季大、中、小潮平均含沙量分别为0.019 kg/m3、0.010 kg/m3、0.008 kg/m3。悬沙中值粒径范围在0.005～0.032 mm之间。

根据海域表层沉积物粒度分析，海域沉积物类型主要包括砂、粉砂质砂、砂-粉砂-黏土以及黏土质粉砂4 种，砂含量2.4%～99.9%，粉砂含量0.1%～63.7%，黏土含量0～41.2%。沉积物中值粒径在0.005～0.859 mm 之间，总体表现为工程海域深槽区潮流动力作用较强，底质沉积物的粒径稍大，主要以砂为主；在浅滩区域，潮流动力较弱，底质沉积物粒径稍小，主要以粉砂质砂及黏土质粉砂为主。

1.3 工程布置

滨海电厂新建取排水口及码头工程位置及布局见图1。

新建码头为大件码头，布置在现有龙头沙码头西南侧。码头采取离岸布置形式，经南侧新建栈桥与岸边相连，利用海域自然深槽建设，均为高桩透水结构。大件码头停泊水域设计底标高为-6.30 m，回旋水域设计底标高-5.50 m，进出港航道设计底标高-4.10 m，对标高不足的区域进行开挖。大件码头东侧局部开挖并抛石护底作为取水区，取水区底部标高-6.30 m。取水口采用喇叭口式，进水窗底标高为-5.20 m，与港池的底标高-6.2 m 间有1 m 的防淤高度；进水窗顶标高为-4.00 m，99%低潮位工况下最小淹没深度为0.60 m，按规划容量6 台机组的总取水量18.5 m3/s 一次建设完成。排水口布置于大件码头航道边，距离取水口约1 470 m，采用分散式排水口。

2 研究方法

2.1 数学模型

2.1.1 二维潮流数学模型

对于平面大范围的自由表面流动、平面尺度远大于水深尺度、垂向流速小的浅水流动，可用静水压力取代动水压力，并沿水深方向进行积分来简化N-S 方程，整合水平动量方程和连续方程，得到水动力模型的控制方程。

连续方程：

动量方程：

式中：t为时间；x、y、z为笛卡尔坐标系坐标；h=η+d为总水深；η 为水位；d为静止水深；u、v分别为流速在x、y方向上的分量；ρ 为水的密度；ρ0为参考水密度；Pa为当地的大气压；f为科氏力参数，f=2Ωsin Φ（Ω 为地球自转角速率，Φ为地理纬度）；和为地球自转引起的加速度；τsx、τbx、τsy、τby分别为风应力和底切应力分量；sxx、sxy、syx、syy为辐射应力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy为水平黏滞应力分量；S为源汇项；（us，vs）为源汇项水流流速。横线表示流速的垂向平均值。

2.1.2 二维泥沙数学模型

本海区泥沙粒径较小，以粉砂为主，泥沙输运以悬移为主，因此选用二维悬沙输运模型来计算泥沙输运。黏性泥沙输运模型涉及泥沙在水体中的运动以及泥沙与底床的相互作用。悬移泥沙的输运一般建立在水动力模型中的对流项中，可用以下方程来描述：

式中：为悬沙含量的垂向平均值，g/m3；U、V为各分量流速的垂向平均值，m/s；Dx、Dy分别为x、y方向的泥沙扩散系数，m2/s；h为水深；QL为单位面积的流量源强，m3/（s·m2）；CL为源强流量的泥沙浓度，g/m3；s为泥沙冲淤函数，g/（m3·s）。悬移质泥沙的输运采用被动分量输运求解（对流扩散模块）。

床面冲淤变化方程：

式中：γd为泥沙干容重；ηb为海底床面的竖向位移（即冲淤变化量）。

2.1.3 波浪数学模型

采用SWAN 模型对工程海域的波浪场进行计算，计算得到的波浪辐射应力再加入到潮流泥沙模型中进行波流耦合计算。球面坐标下的波作用量平衡方程可表示为：

式中：（，σ，θ，t）为球面坐标下的波作用密度；N为笛卡尔坐标下的波作用密度；=（φ，λ）为球面坐标；φ 为纬度；λ 为经度；（，σ，θ，t）为球面坐标下波浪作用源强；S=Sin+Snl+Sds+Sbot+Ssurf为笛卡尔坐标下的波作用源强，等号右边5 项分别代表风能输入、波波相互作用和由白浪、底摩、深度破碎引起的能量损耗；Cφ、Cλ、Cσ、Cθ分别为φ、λ、σ、θ 空间的波浪传播速度；θ 为波向；σ=2πfr为角频率；E=E（σ，θ）为能量密度。

若局地笛卡尔坐标下的波作用密度为N，则满足如下坐标转换关系：

2.2 模型建立

潮流模型模拟采用嵌套计算。大模型范围包括整个北部湾，模拟水域范围13 万km2，采用非结构网格单元，最小网格单元边长约100 m。小模型范围主要包括英罗湾、安铺港和铁山港及其附近海域，模拟水域面积3 640 km2，采用非结构网格单元，最小网格单元边长约40 m（图2）。模型地形采用工程海域附近1∶10 000 和1∶1 000 水域地形图以及ETOP01 全球海洋地形数据等水下地形数据对模型网格地形进行内插，模型地形最终统一到1985 国家高程基准下。模型计算边界采用“TMD_toolbox”软件提取的潮位数据。在计算中同时考虑电厂取排水工程运行期的作用，在取排水口位置分别设置相应的点源流量。

图2 模型计算范围示意图Fig.2 Schematic diagram of the model calculation

采用MIKE21FM 模型进行计算，模型海域的初始潮位取各边界潮位的平均值，初始流速取0 m/s。涡粘系数取0.28，曼宁糙率取0.026，干湿判断水深为0.01 m，模型计算时间步长60 s，最小时间步长取0.01 s，CFL 数取0.8。在泥沙模型计算中，采用2013 年冬季、2014 年夏季以及2016 年夏季全潮水温观测资料进行率定、验证，经率定后确定临界冲刷值取0.25 N/m2，临界淤积值取0.07 N/m2，冲刷率取0.000 005，泥沙沉降速度设为空间变化，范围为0.000 4～0.000 5 m/s，海域泥沙中值粒径根据底质资料进行插值。泥沙数学模型的目的是计算工程后该海域的年内冲淤演变情况以及风暴潮作用期间的泥沙骤淤量。根据工程海域2013—2014 年的含沙量实测结果，工程海域年含沙量为0.000 5～0.026 8 kg/m3，两次全潮水文观测中以冬季观测数据与该值较吻合，因此年内泥沙计算以冬季水文观测期间的潮型作为计算典型潮进行全年泥沙计算。考虑风暴潮期间的骤淤情况，选择项目波浪观测站位实测波浪观测资料为基础，对原型观测波浪过程（1409 号台风，近40 a 以来登陆工程附近区域最强的热带气旋）进行放大，作为风暴潮期间泥沙计算的波浪边界，有效波高统计图见图3，海域波高统计表见表1。

表1 海域波高要素统计表Table 1 Statistical table of sea area wave height elements

图3 有效波高示意图Fig.3 Schematic diagram of significant wave height

2.3 模型率定验证

利用2013 年冬季、2014 年夏季、2016 年5月及2018 年夏季和冬季的全潮水文观测资料对大、小范围模型进行率定、验证，本次给出2018年率定结果，验证点位置见图4。计算时段内铁山港、廉江等站位潮位平均误差均在0.10 m 内，潮位率定结果如图5、图6 所示；模型含沙量计算结果与现场实测结果基本一致，如图7、图8所示，因此建立的泥沙模型能比较合理地反映波浪、潮流作用下的泥沙输送。

图4 率定验证位置Fig.4 Verification location of calibration point

图5 夏季潮位率定结果Fig.5 Calibration results of tidal level in summer

图6 冬季潮位率定结果Fig.6 Calibration results of tidal level in winter

图7 夏季含沙量率定结果Fig.7 Calibration results of sediment concentration in summer

图8 冬季含沙量率定结果Fig.8 Calibration results of sediment concentration in winter

3 结果与分析

3.1 流场计算结果与分析

图9 所示分别为推荐方案工程前后的涨落急流场对比图。图10 为推荐方案工程前后流速变化等值线图。落急时刻，龙头沙渔港码头出海航道的东侧至大件码头区域（即新建大件码头港池区域）流速减小，流速减小幅度在-0.24～-0.31 m/s 之间，工程后该区域流速很小，会形成泥沙的落淤区；大件码头以南偏东区域流速亦有一定幅度减小，流速减小幅度在-0.04～-0.22 m/s 之间，该区域工程后落急时流速同样很小；龙头沙渔港南防波堤东南区、大件码头新建栈桥以北的取水口前池布置区域工程后落急时刻流速有所增加，增加幅度在0.04～0.08 m/s 之间；大件码头新开挖航道所在区域流速亦有所减小，流速减小幅度在-0.04～-0.17 m/s 之间。此外其它区域流速变化均较小。

图9 工程前后流场示意图Fig.9 Schematic diagram of flow field before and after project construction

图10 工程前后流速变化示意图Fig.10 Schematic diagram of velocity before and after project construction

涨急时候，流速同样变化主要集中在大件码头及大件码头周边区域，涨急流速减小区域主要包括龙头沙渔港码头南防波堤南侧、大件码头及新建栈桥北侧区域，流速减小幅度在-0.05～-0.33 m/s 之间，其中流速减小的最大值出现在港池回旋水域位置；流速增大区域主要是在大件码头西南区域，流速增加幅度在0.01～0.10 m/s 之间，最大流速增大区域出现在大件码头西侧前沿。

工程后由于大件码头及新建栈桥的阻水及束流作用，龙头沙渔港码头以南至大件码头以北区域流速减小，泥沙将在此淤积，大件码头西南区域流速有增加，该区域将会有所冲刷。

3.2 冲淤演变分析

图11、图12 所示分别为工程前后冲淤情况以及对比图。工程后冲淤变化主要集中在工程附近区域。冲淤变化比较明显的区域是龙头沙渔港码头以南、大件码头以北，港池、航道及取水前池开挖区域。龙头沙渔港码头港池区域淤积较工程前稍有增强，工程前淤强为0.062 m/a，工程后淤强为0.065 m/a，工程后淤强增加了0.003 m/a。取水箱涵洞与大件码头新建栈桥东北段之间区域淤积明显比工程前加大，工程后淤积强度在0.026～0.61m/a 之间。龙头沙渔港码头西防波堤南端的西侧（5 号，采样点布置见图1（b）），淤积增强，工程后淤积强度为0.059 m/a。大件码头平台西侧、西南侧工程后有所冲刷，工程后大件码头两侧冲刷强度为-0.018 m/a。大件码头航道有所淤积，淤积强度在0.011～0.031 m/a 之间，再往南航道淤积有所减小，至大件码头引桥以南较远的航道则淤积稍有增大，工程后淤积强度在0.031～0.063 m/a 之间。虽然大件码头北侧港池、航道区域在工程后流速明显减小，但由于此区域泥沙来源有限，并未造成工程后大幅度的淤积，该区域工程后的淤积仅比工程前增加0.024～0.038 m/a。

图11 工程前后冲淤情况Fig.11 Schematic diagram of erosion and deposition before and after project construction

图12 工程前后冲淤强度变化等值线图Fig.12 Contour map of erosion and deposition intensity change before and after project construction

3.3 风暴潮骤淤计算与分析

如图13 所示为工程后最大风暴潮作用下的冲淤情况。工程后可能最大风暴潮作用下，工程位置附近冲淤变化明显的区域包括龙头沙渔港码头西防波堤西南边以及大件码头西侧，其中又分为3 个区（图中所示1 区、2 区和3 区），其中1 区和3区以冲刷为主，1 区冲刷幅度在-0.02～-0.10 m，3 区冲刷幅度在-0.02～-0.06 m，中间2 区则以淤积为主，其位置为大件码头港池、回旋水域以及进出港航道区域，淤积幅度在0.04～0.12 m 之间，其中龙头沙渔港码头航道出口处淤积较大，最大淤积厚度达0.16 m。其他区域冲淤变化幅度基本在0.01 m 以下。

图13 风暴潮期间冲淤厚度Fig.13 Erosion and deposition thickness during the storm surge

4 结语

本次基于工程所在海域水沙运动规律、地貌演变规律等，采用二维水流泥沙数学模型模拟计算分析了滨海电厂与码头港池一体建设的取排水口所在海域水动力条件变化和冲淤演变规律，研究结论如下：

1） 工程所在海岸为台地溺谷，潮汐类型为不正规全日潮，潮差较大，潮流动力强劲，潮汐水道发育良好。工程海域陆域和海域来沙不多，底质泥沙偏粗，水下地形长期稳定。

2） 工程建设后，受码头及港池开挖影响，大件码头港池区域流速减小明显。水流进入取水口前池形成环流，取水口前池流速增大，并且在落急时刻最为明显。大件码头进出港航道区域受水深加深影响，流速呈减小趋势。

3） 工程建设后，龙头沙渔港码头以南、大件码头以北，港池、航道及取水前池开挖区域淤积较为明显。龙头沙渔港码头港池区域及西防波堤南端的西侧淤积较工程前稍有增强，新建大件码头栈桥东北段与排水箱涵之间以及大件码头航道淤强较工程前增加明显。大件码头平台西侧、西南侧工程后呈明显冲刷趋势。

4） 最大风暴潮作用下，龙头沙码头西防波堤西南侧以及大件码头西侧可能冲淤变化较为明显。大件码头港池、回旋水域、航道区域在风暴浪作用下以淤积为主，其中龙头沙码头航道出口处淤积最大，可达0.16 m。