溫州淺灘二期促淤工程霓嶼—小霓嶼方案研究

孫決策，趙洪波，李孟國(guó)

（1.溫州市甌江口開發(fā)建設(shè)總指揮部，溫州325027；2.交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

溫州淺灘二期促淤工程霓嶼—小霓嶼方案研究

孫決策1，趙洪波2，李孟國(guó)2

（1.溫州市甌江口開發(fā)建設(shè)總指揮部，溫州325027；2.交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

基于TK-2D軟件建立了甌江口海區(qū)波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行了充分驗(yàn)證，對(duì)溫州淺灘二期促淤工程中的霓嶼與小霓嶼之間不同的促淤方案進(jìn)行了研究，并對(duì)促淤效果進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明：小霓嶼至霓嶼間布設(shè)堤頂標(biāo)高-7.0 m的潛堤與不布設(shè)潛堤相比，平均促淤厚度僅增加0.04 m，促淤量?jī)H增加229萬(wàn)m3，促淤效果不明顯。

潮流；泥沙；霓嶼；促淤；甌江口；溫州淺灘

甌江為山溪性河流，其出?？诒混`昆島分為南口和北口（圖1）。甌江口外島嶼林立，淺灘密布，灘槽交錯(cuò)，地形復(fù)雜。甌江口外有溫州淺灘、三角沙、中沙3大沙灘，有沙頭水道、中水道、黃大岙水道、南水道、重山水道等幾條水道，青山島和狀元岙之間存在一個(gè)深水區(qū)，龍灣和七里有溫州港龍灣港區(qū)和七里港區(qū)；中水道—黃大岙水道是目前溫州港的出海航道，在中水道和黃大岙水道之間有攔門沙淺灘。

溫州淺灘是甌江口外規(guī)模最大，發(fā)育最完善的攔門沙灘，位于靈昆島與霓嶼島之間（圖1）。溫州淺灘圍涂工程就是沿淺灘南北兩側(cè)建2條連接靈昆島和霓嶼的海上大堤（北堤順淺灘0 m等深線，南堤為靈昆島—小霓嶼—霓嶼堤），將淺灘人工圍墾為陸地（圖1），圍墾面積達(dá)88 km2，目前14.5 km長(zhǎng)的靈霓北堤和一期工程（21 km2）建設(shè)已經(jīng)完成，二期圍涂促淤處于科學(xué)論證階段。

溫州淺灘二期圍涂區(qū)的灘面高程較低，霓嶼—小霓嶼之間是一個(gè)深槽，水深普遍在10 m以上，最深處接近25 m，因此二期圍涂區(qū)開發(fā)成建設(shè)用地需要大量的土石方填筑。為減少回填工程量，節(jié)約建設(shè)成本，圍涂開發(fā)需要采取必要的工程促淤措施，借助自然之力完成部分圍涂。在二期圍涂促淤研究中［1］已經(jīng)論證靈霓南堤段（圖1中的東南角至小霓嶼）建成堤頂高程+0.2 m（85基面）是合適的，霓嶼—小霓嶼之間是否要建設(shè)潛堤是關(guān)鍵。

在河口海岸地區(qū)，引起泥沙運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿σ蛩厥浅绷骱筒ɡ?，“波浪掀沙、潮流輸沙”被公認(rèn)為是泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)制。目前考慮波浪潮流共同作用的泥沙數(shù)學(xué)模型被廣泛采用［2-5］，通常的做法是通過波浪輻射應(yīng)力、波流底切應(yīng)力、波流挾沙力來考慮“波浪掀沙、潮流輸沙”，因此該類泥沙模型涉及“四場(chǎng)”的計(jì)算，即波浪場(chǎng)、潮流場(chǎng)、懸沙場(chǎng)和底床沖淤場(chǎng)。本文建立了綜合考慮多種因素的多向不規(guī)則波波浪場(chǎng)數(shù)學(xué)模型、考慮波浪作用的二維潮流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型、二維懸沙場(chǎng)數(shù)學(xué)模型、懸沙底沙造成的底床沖淤數(shù)學(xué)模型，在充分驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對(duì)溫州淺灘二期圍涂促淤工程中的霓嶼—小霓嶼之間促淤方案形式進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1 基于TK-2D軟件數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 考慮波浪及其破碎作用的潮流數(shù)學(xué)模型

1.1.1基本方程及定解條件

連續(xù)方程

圖1 甌江口形勢(shì)圖Fig.1 Sketch of the Oujiang estuary

動(dòng)量方程

式中：x、y為直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；u、v分別為x、y方向的流速分量；g為重力加速度；ρ為海水密度；Nx、Ny分別為x、y方向的水平渦動(dòng)粘性系數(shù)；t為時(shí)間；f為柯氏參數(shù)；ζ為相對(duì)xy平面的水面起伏；h為靜水深；Sxx、Sxy、Syx、Syy為考慮波浪破碎的輻射應(yīng)力張量的4個(gè)分量；Rxx、Rxy、Ryx和Ryy為破波波卷產(chǎn)生的切應(yīng)力；τx和τy分別為波浪、潮流共同作用下的底部剪切應(yīng)力矢量沿x、y方向的分量。

1.1.2 數(shù)值方法

在時(shí)間方向采用向前差分格式，空間偏導(dǎo)數(shù)采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格有限差分格式離散［6］，即可得到顯示格式差分方程。

1.2 二維泥沙數(shù)學(xué)模型

1.2.1 基本方程

式中：S為鉛直方向積分的水體含沙濃度；Dx、Dy分別為x、y方向的泥沙擴(kuò)散系數(shù)；FS為泥沙源匯函數(shù)或床面沖淤函數(shù)，按下面方法確定

式（5）中：S*為水體的挾沙力，一般采用根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料的經(jīng)驗(yàn)公式法或半理論方法確定；ω為泥沙沉降速度；α為泥沙沉降幾率。本文采用經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料得到的挾沙力公式［7］

式中：U為潮流流速；Uw為波浪水質(zhì)點(diǎn)在床面的最大軌跡速度；g為重力加速度；ω為泥沙沉降速度；β為系

數(shù)，取0.4。

1.2.2 數(shù)值方法

時(shí)間偏導(dǎo)數(shù)用前差離散，空間偏導(dǎo)數(shù)用顯式離散，對(duì)流項(xiàng)使用“迎風(fēng)”格式離散［6］，即可得到顯式差分方程。

1.3 底床沖淤數(shù)學(xué)模型

1.3.1 懸沙造成的底床沖淤基本方程

式中：ηs為懸沙引起的海底床面沖淤厚度；γ0為懸沙干容重。

1.3.2 底沙造成的底床沖淤基本方程

式中：ηb為海底床面底沙引起的沖淤厚度；γb為床面底沙干容重；qx和qy分別為單位時(shí)間內(nèi)單寬底沙輸移量qb沿x和y方向的分量，qb采用竇國(guó)仁公式。

用基于不規(guī)則三角形網(wǎng)格的有限差分方法顯式離散式（7）和式（8），同時(shí)考慮懸沙和底沙的底床沖淤變化為ηs+ηb。

1.4 計(jì)算域的確定及網(wǎng)格剖分［1］

數(shù)學(xué)模型計(jì)算域西邊界到甌江的梅岙，北邊界到樂清灣頂，南邊界到北麂島，東邊界至121°30′經(jīng)線，計(jì)算域的東西距離為90.4 km，南北距離85.7 km（圖1）。用不規(guī)則三角形網(wǎng)格剖分計(jì)算域，考慮大小島嶼43個(gè)，最大空間步長(zhǎng)（三角形網(wǎng)格最大邊長(zhǎng)）1138.97 m，最小空間步長(zhǎng)（三角形網(wǎng)格最小邊長(zhǎng)）31.12 m，三角形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)73580個(gè)，三角形單元數(shù)142999個(gè)。數(shù)學(xué)模型的外海開邊界由Chinatide軟件計(jì)算提供［8］，波浪要素由波浪數(shù)學(xué)模型提供［9］。

1.5 模型驗(yàn)證［1］

采用2005年6月～7月的甌江口內(nèi)外大、中、小3個(gè)潮次的潮流測(cè)驗(yàn)資料對(duì)模型進(jìn)行了潮流懸沙驗(yàn)證：潮位測(cè)站17個(gè)，大潮潮流懸沙測(cè)站19個(gè)（圖1），中潮潮流懸沙測(cè)站16個(gè)，小潮潮流懸沙測(cè)站23個(gè)；使用2002年和2005年2次水深圖的沖淤分析結(jié)果對(duì)溫州淺灘沖淤和甌江北口沖淤進(jìn)行了驗(yàn)證。圖2給出了部分測(cè)站的流速、流向和潮位過程的驗(yàn)證，圖3給出了溫州淺灘沖淤驗(yàn)證。各項(xiàng)驗(yàn)證均符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》［10］的要求。

2 霓島—小霓嶼不同工程方案潮流場(chǎng)及地形沖淤模擬計(jì)算

2.1 工程方案

圖2 流速、流向和潮位驗(yàn)證Fig.2 Verification of flow velocity,flow direction and tidal level evolution

對(duì)霓島—小霓嶼2種工程方案進(jìn)行了研究，即霓島—小霓嶼建設(shè)潛堤（堤頂高程-7.0 m，85基面）方案和不建設(shè)潛堤方案（現(xiàn)狀），其與靈霓南堤段（圖1中的東南角至小霓嶼）建成堤頂高程+0.2 m（85基面）的潛堤組合成為二期促淤工程方案。

2.2 潮流泥沙模擬計(jì)算

采用上述經(jīng)過驗(yàn)證的潮流泥沙數(shù)學(xué)模型對(duì)本工程方案進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算考慮了甌江口海區(qū)年均波浪影響、甌江徑流和輸沙過程以及大、中、小潮不同潮型的組合情況。計(jì)算得出了方案實(shí)施后的潮流場(chǎng)和地形基本達(dá)到平衡時(shí)的沖淤變化結(jié)果。圖4和圖5分別給出了建設(shè)潛堤方案和不建設(shè)潛堤方案下的漲、落急潮流場(chǎng)，圖6和圖7分別給出了2種方案實(shí)施后的地形沖淤變化情況。

圖3 地形沖淤驗(yàn)證（單位：m）Fig.3 Verification of deposition and erosion depths

2.3 潮流場(chǎng)變化分析

由圖4和圖5可知，總體上2個(gè)方案的漲落潮流場(chǎng)相差不大，但在小霓嶼與霓嶼間水域，建設(shè)潛堤方案的流速明顯比不建設(shè)潛堤的方案大。這主要是因?yàn)榍罢咴谛∧迬Z與霓嶼間布設(shè)了潛堤，使得進(jìn)出圍堤內(nèi)的過水?dāng)嗝鏈p小，增大了該處的流速。

2.4 地形沖淤變化及促淤效果比較

從圖6和圖7可知，靈霓大堤西側(cè)潛堤建成后，2個(gè)方案

均具有一定的促淤效果。從淤積趨勢(shì)看，2個(gè)方案在圍堤內(nèi)均形成了一定范圍的淤積區(qū)，淤積分布為靠近潛堤水域大、向靈霓大堤方向漸小。該淤積分布除與潛堤阻水擋沙有關(guān)外，還與其所處位置的原始水深有關(guān)，即水深越大淤積也相應(yīng)越大。

從促淤堤內(nèi)的沖淤分布看，2個(gè)方案有所不同：（1）建設(shè)潛堤方案的淤積范圍大于不建設(shè)潛堤方案；（2）建設(shè)潛堤方案在小霓嶼與霓嶼潛堤兩側(cè)形成了較大的沖刷，但促淤堤內(nèi)的淤積范圍大于不建設(shè)潛堤方案，前者中小霓嶼與霓嶼間受該處潛堤影響，產(chǎn)生了一定范圍的沖刷（約2.0 m以上），后者基本沒有沖刷產(chǎn)生。

從促淤效果看，根據(jù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)出了2個(gè)方案至基本平衡后促淤堤內(nèi)的平均淤積厚度，建設(shè)潛堤方案圍堤范圍內(nèi)的平均淤厚為0.55 m，促淤量為3144萬(wàn)m3，不建設(shè)潛堤方案平均淤厚為0.51 m，促淤量為2915萬(wàn)m3。2個(gè)方案促淤量相差229萬(wàn)m3。

由此分析可知，建設(shè)潛堤方案促淤堤內(nèi)淤積范圍相對(duì)較大，但小霓嶼與霓嶼間的局部地形有所沖刷。不建設(shè)潛堤方案促淤堤內(nèi)淤積范圍略小，但內(nèi)部基本沒有沖刷影響。

圖4 建設(shè)潛堤方案漲落潮流態(tài)圖Fig.4 Flood and ebb flow vectors of the scheme with submerged dyke

圖5 不建設(shè)潛堤方案漲落潮流態(tài)圖Fig.5 Flood and ebb flow vectors of the scheme without submerged dyke

圖6 潛堤工程方案沖淤變化量（“-”表示沖刷）Fig.6 Evolution of the scheme with submerged dyke

3 結(jié)論

采用潮流泥沙數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算手段，對(duì)溫州淺灘二期促淤工程中霓嶼—小霓嶼建設(shè)潛堤方案與不建設(shè)潛堤方案的促淤效果進(jìn)行了研究論證，得出以下結(jié)論：

（1）從水流角度來看，2個(gè)方案主要差異在小霓嶼與霓嶼間水域，建設(shè)潛堤方案的流速明顯比不建設(shè)潛堤方案大，其原因是前者在小霓嶼與霓嶼間布設(shè)了潛堤，使得進(jìn)出圍堤內(nèi)的過水?dāng)嗝鏈p小，增大了該處的流速。

（2）2個(gè)方案均具有一定的促淤效果。從淤積趨勢(shì)看，2個(gè)方案在圍堤內(nèi)均形成了一定范圍的淤積區(qū)，淤積呈靠近潛堤水域大、向靈霓大堤方向漸小的分布。

（3）建設(shè)潛堤方案在小霓嶼與霓嶼潛堤兩側(cè)形成了較大的沖刷（最大可在2.0 m以上），不建潛堤方案中基本沒有沖刷產(chǎn)生。建設(shè)潛堤方案在促淤堤內(nèi)的淤積范圍大于不建設(shè)潛堤方案。

（4）從促淤效果看，工程實(shí)施至基本平衡后，建設(shè)潛堤方案圍堤范圍內(nèi)的平均淤厚為0.55 m，促淤量為3144萬(wàn)m3，不建設(shè)潛堤方案平均淤厚為0.51 m，促淤量為2915萬(wàn)m3。2方案促淤量?jī)H相差229萬(wàn)m3，平均促淤厚度僅相差0.04 m。

參考文獻(xiàn)：

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［10］JTJ/T233-98，海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程［S］.

Study on schemes between Niyu and Xiaoniyu in phase II deposit-promoting project of Wenzhou Shoal

SUN Jue-ce1，ZHAO Hong-bo2，LI Meng-guo2
（1.General Headquarters for Exploitation&Construction of Oujiang Estuary in Wenzhou，Wenzhou 325027，China；2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment of Ministry of Communications，Tianjin 300456，China）

In this paper，tidal current and sediment mathematical models of the Oujiang estuary were developed based on TK-2D software.On the basis of sufficient verification against in situ data，studies were carried out on different schemes between Niyu and Xiaoniyu in phase II deposit-promoting project of Wenzhou Shoal，and comparisons were also made from the point of view of deposit-promoting effect.The study results show that，according to the comparison of the schemes with and without submerged dyke between Niyu and Xiaoniyu，the deposit-promoting effect is not obvious with only 0.04 m increase in thickness and only 2.29×106m3in sediment quantity.

tidal current；sediment；deposit-promoting；the Oujiang estuary；Wenzhou Shoal；Niyu

TV 148+.1；O 242.1

A

1005-8443（2010）05-0438-06

孫決策（1977-），男，工程師，碩士，從事水環(huán)境與水生態(tài)研究及水利工程建設(shè)管理工作。

Biography：SUN Jue-ce（1977-），male，engineer.