廈門港劉五店港區(qū)岸線規(guī)劃試驗研究

崔崢，佘小建，林云光，鄭久清

（1.南京水利科學研究院河流海岸研究所，江蘇 南京 210024；2.廈門港口管理局，福建 廈門 361012；3.廈門港務(wù)控股集團有限公司，福建 廈門 361012）

0 引言

劉五店港區(qū)位于廈門市東部的翔安區(qū)[1]，南面隔海與金門島相望，距離金門最近的地方僅1 800m。劉五店港區(qū)水路距大、小金門僅12 km左右，其南部的大嶝島距金門島最近處僅5 km，具有得天獨厚的區(qū)位優(yōu)勢。劉五店港區(qū)地理位置見圖1。

圖1 廈門港劉五店港區(qū)位置

劉五店港區(qū)自然可利用深水岸線約9 km，岸線及后方陸域目前開發(fā)程度低，天然水深條件較好，港口發(fā)展空間大。按照已決策的總體布局方案，劉五店南部港區(qū)擬開發(fā)建設(shè)5個10萬噸級集裝箱泊位，岸線總長2 165m，建設(shè)3個5萬噸級散雜貨泊位，岸線總長785m，南部港區(qū)布置見圖2。港區(qū)規(guī)劃通過能力為集裝箱325萬標箱、散雜貨180萬t。南部港區(qū)工程主要包括后方陸域整治、澳頭碼頭搬遷等工程，為后續(xù)泊位工程建設(shè)提供配套，工程已于2008年9月6日正式開工。根據(jù)廈門港總體規(guī)劃，劉五店港區(qū)的功能定位是：成為廈門港可持續(xù)發(fā)展的主要依托，以集裝箱運輸、臨港工業(yè)開發(fā)為主，并為對臺經(jīng)貿(mào)合作和“三通”服務(wù)。

圖2 廈門港劉五店港區(qū)布置

1 工程海域水流泥沙特點

1.1 潮汐特征

廈門海域?qū)僬?guī)半日潮，潮汐參數(shù)F＝0.34。根據(jù)鼓浪嶼海洋站1908—1950年不連續(xù)潮位資料、1951—1994年連續(xù)潮位資料統(tǒng)計，工程海域為強潮海域，多年平均潮差3.99m，平均高潮位2.54m，平均低潮位-1.45m，最大潮差6.92m，最小潮差0.99m，平均漲潮歷時6.08 h，平均落潮歷時6.22 h。

1.2 潮流特點

圖3為廈門灣2007年8月水文測驗流速矢量圖?？梢钥闯龉こ虆^(qū)海域具有以下特點：1）工程區(qū)海域流場基本為往復流，位于東海域口門外流向為SW～NE向，進入口門后轉(zhuǎn)為SE～NW向；2）具有典型半封閉海灣潮流特點，即灣口區(qū)水流最強，大潮全潮平均流速可達50～60 cm/s；越向灣內(nèi)越弱，大部分范圍全潮平均流速為10～30 cm/s；中間深槽區(qū)水流強，而兩側(cè)灘地水流較弱。3）漲潮期，灣口主流稍近東岸向西北向進入灣內(nèi)，受劉五店南側(cè)水域礁石群阻擋后，流經(jīng)鱷魚嶼與大離畝嶼之間的潮溝后呈掌狀向北和向西方向漫灘擴散；落潮期，灣內(nèi)水流基本按來時路徑流出灣外。

圖3 2007年8月廈門灣海域水文測驗大潮垂線平均流速矢量圖

1.3 廈門島東海域泥沙條件

根據(jù)多年觀測資料分析，東海域平均垂線含沙量為0.04～0.07 kg/m3。根據(jù)2007年8月東海域水文測驗資料統(tǒng)計，大潮期間全潮垂線平均含沙量為0.035 7～0.045 7 kg/m3，垂線平均最大含沙量0.075 1 kg/m3，平均含沙量為0.040 9 kg/m3。小潮期間全潮垂線平均含沙量為0.015 1～0.021 2 kg/m3，最大值0.031 2 kg/m3，平均含沙量為0.018 1 kg/m3。從平面分布上看，總趨勢是淺灘含沙量高于深槽水域。從時間上看漲急落急時段含沙量較高，一般情況下大潮含沙量大于小潮。

根據(jù)2007年8月期間水文測驗[2]懸沙取樣結(jié)果，大潮期間懸沙平均粒徑0.027～0.033mm，小潮期間懸沙平均粒徑0.033～0.04mm，不同站位粒徑差別不大，小潮期間懸沙粒徑大于大潮。

2 模型設(shè)計

廈門灣整體物理模型[3]包括整個廈門灣東西海域范圍，西口門位于嶼仔尾－廈大斷面，東口門位于大嶝島－金門島－小金門島－廈門島處，九龍江河口灣至雞嶼處，九龍江河口灣上游及馬鑾灣采用扭曲水道保持一定的納潮水體，模型東西、南北范圍均約30 km，涵蓋的水域面積近300 km2。模型水平比尺λl=550，垂直比尺λh=80，生潮系統(tǒng)采用尾門和雙向可逆泵系統(tǒng)（圖4）。模型采用跟蹤式水位儀測量水位變化，流速測量采用VDMS測流系統(tǒng)，同時結(jié)合傳統(tǒng)的螺旋槳式流速儀進行驗證。

根據(jù)2007年8月的水文測驗結(jié)果，模型中對其中大潮的水流和潮位情況進行了驗證試驗。試驗結(jié)果表明，驗證情況良好，本物理模型完全可以復演和預演廈門東西海域潮汐水流條件，具備了進行方案試驗的條件。

圖4 廈門灣整體物理模型布置圖

3 試驗成果分析

3.1 試驗方案

劉五店港區(qū)基本布置方案有兩個，（方案布置見圖5）。方案1：廈門港劉五店港區(qū)3 650m港區(qū)岸線，基本方案為折線方案；方案2：劉五店港區(qū)規(guī)劃方案1基礎(chǔ)上碼頭岸線由翔安隧道向劉五店老港區(qū)延伸約3 000m方案。根據(jù)水流試驗成果，模型中對港區(qū)南側(cè)岸線折線走向、北側(cè)岸線布置進行優(yōu)化，分別為方案3-1、方案3-2以及方案1-1、方案2-1。

圖5 廈門港劉五店港區(qū)規(guī)劃方案布置圖

為了分析港區(qū)水流情況，模型中在港區(qū)前布置了一定數(shù)量的流速取樣點，測點與碼頭岸線間距55m，橫向間距100m，縱向間隔200m，測點布置見圖6，測點編號從南端起始為1號，共布置了34排測流斷面。

圖6 劉五店港區(qū)測流點布置及斷面編號

根據(jù)試驗要求，模型試驗組次見表1。

表1 劉五店港區(qū)規(guī)劃方案試驗組次

3.2 工程前規(guī)劃港區(qū)附近水流特點

首先進行了工程前港區(qū)附近水流試驗。

根據(jù)VDMS示蹤粒子采集的港區(qū)漲急、落急流矢圖可以看出，劉五店南部港區(qū)位于東海域灣口處，東海域灣內(nèi)向外海呈喇叭形，來自外海的漲潮流沿喇叭形邊界逐漸匯聚進入東海域，由于近岸側(cè)岸灘水深較淺，主槽靠近中部，因而整個南部港區(qū)岸線范圍水流相對順直，港區(qū)南部東端靠近岸邊的水流受到邊界影響斜向進入灣內(nèi)，北側(cè)端部受到邊界影響稍向東斜。落潮時劉五店南部港區(qū)附近水流流態(tài)與漲潮時基本相同，港區(qū)前水流較為平順，港區(qū)南部水流較漲潮時更加順直，北部水流流向與漲潮時基本相近。

由試驗得到的工程前港區(qū)附近海域漲半潮、落半潮平均流速等值線圖可以看出，劉五店港區(qū)附近工程前漲、落潮平均流速均為45～55 cm/s左右，漲潮時主流偏向岸側(cè)，落潮時主流偏西側(cè)，全潮平均流速45～50 cm/s，沿港區(qū)分布比較均勻。

3.3 基本方案港區(qū)水流流態(tài)

3.3.1 方案1港區(qū)流態(tài)

試驗得到劉五店港區(qū)基本方案1北部岸線附近水域漲急、落急水流流態(tài)?？梢钥闯?，漲潮時方案1北部港區(qū)前水流比較平順，但是在端部工作船碼頭位置出現(xiàn)一定程度的順時針回流，對工作船碼頭前的靠泊有一定的影響，并且容易造成泥沙在該區(qū)域回淤。落潮時，方案1港區(qū)北端與岸采用直角連接時，來自近岸水域的落潮流從側(cè)端進入碼頭前沿，在港區(qū)北部泊位區(qū)位置出現(xiàn)了一定程度的回流區(qū)和緩流區(qū)，同時在碼頭側(cè)面工作船碼頭水域也出現(xiàn)了一定范圍的回流區(qū)和緩流區(qū)。

由劉五店港區(qū)方案1南部岸線前漲、落急時流態(tài)可以看出，漲潮時，主流靠近深槽處，近岸處淺灘流速相對較小，漲潮水流在港區(qū)東南端發(fā)生分流，主流大部分能夠較為平順地沿碼頭岸線前沿進入灣內(nèi)，分流區(qū)東部的水流在東側(cè)岸線外逐漸形成順時針回流，但由于灘面水淺，回流較弱。落潮時，由于方案1岸線為折線連接，中間存在拐點，落潮流沿港區(qū)北部運動通過拐點后，在慣性作用下繼續(xù)沿南部岸線走向流動，在南段岸線北部泊位區(qū)一定范圍出現(xiàn)緩流區(qū)，增加了碼頭前的回淤。

表2為方案1碼頭前不同水域泊位區(qū)漲急和落急流向及與碼頭走向夾角情況，分別為1～3號斷面（南部岸線東側(cè)）、4～8號斷面（南部岸線西側(cè)）、9～14號斷面（北部岸線東側(cè)）和15～20號斷面（北部岸線西側(cè)），其中南側(cè)岸線走向 116°～296°，北側(cè)岸線走向 136°～316°。由表2可見，南側(cè)港區(qū)泊位區(qū)漲落急時水流平均夾角為1°～8°之間，落急時夾角大于漲急；北側(cè)港區(qū)漲急時夾角為2°～5°，落急時9～14號斷面水流夾角只有1°，北部港區(qū)由于落潮時有回流、緩流區(qū)出現(xiàn)，流向與碼頭走向夾角平均達36°。

表2 方案1碼頭前泊位區(qū)漲急、落急流向及與碼頭走向夾角（°）

3.3.2 方案2港區(qū)流態(tài)

方案2在方案1基礎(chǔ)上碼頭岸線由翔安隧道向劉五店老港區(qū)延伸約3 000m，主要分析方案2北部岸線部分水流流態(tài)，基本方案2和方案1一樣，西端采用直角連接。

從劉五店港區(qū)基本方案1北部岸線附近水域漲、落急水流流態(tài)可以看出，漲急時方案2港區(qū)北部碼頭岸線前水流比較平順，在端部側(cè)面位置也出現(xiàn)一定程度的順時針回流，該區(qū)域漲潮為緩流區(qū)，容易造成泥沙的回淤。落潮時，如果北端與岸采用直角連接，來自近岸水域的落潮流從岸側(cè)進入碼頭區(qū)，在港區(qū)北部出現(xiàn)了較大范圍的逆時針回流，回流區(qū)長度約180m，寬度約700m，碼頭北端側(cè)面水域為緩流區(qū)。另外還可以發(fā)現(xiàn)，隨方案2岸線形成后，原先方案1北部岸線落潮時出現(xiàn)的回流和緩流區(qū)將不再出現(xiàn)，碼頭前落潮水流較為平順。

表3為方案2碼頭前泊位區(qū)漲急和落急流向及與碼頭走向夾角情況，方案2北部港區(qū)岸線走向亦為136°～316°?？梢钥闯觯桨?增加岸線南側(cè)泊位區(qū)漲落急時水流平均夾角為0°～1°之間，水流與碼頭走向一致，落急時港區(qū)出現(xiàn)較大范圍回流區(qū)，水流與碼頭夾角較大，平均夾角為-17°～21°，其中北側(cè)近岸處水流流向與外海水流方向相向，這也可以看出碼頭前回流的存在。

表3 方案2北部港區(qū)碼頭前泊位區(qū)漲急、落急流向及與碼頭走向夾角（°）

3.4 基本方案港區(qū)水流強度

從流速分布看，方案1漲潮期間港區(qū)前水域橫向流速分布較為均勻，碼頭前水流較為平順。落潮時，碼頭岸線近岸處水域流速有一定程度的減弱。方案2漲潮期間，主流偏向岸側(cè)，港區(qū)流速分布比較均勻，落潮時，由于挑流作用，碼頭北部岸線前水域流速出現(xiàn)明顯的回流區(qū)和緩流區(qū)，近岸區(qū)平均流速小于30 cm/a，而回流區(qū)外側(cè)流速則有一定程度的增加。

表4為方案1條件下港區(qū)前泊位區(qū)和調(diào)頭區(qū)漲、落半潮和全潮平均流速統(tǒng)計值?？梢钥闯?，方案1條件下漲潮時泊位區(qū)平均流速32～40 cm/s，北側(cè)大于南側(cè)，落潮時由于泊位區(qū)出現(xiàn)回流緩流區(qū)，北側(cè)15～20號斷面、4～8號斷面平均流速相對較??；對于調(diào)頭區(qū)，全潮平均流速37～49 cm/s，除開南部1～3號斷面港池未開挖流速較大以外，港區(qū)北部流速大于南部。

表4 方案1條件下港區(qū)前泊位區(qū)和調(diào)頭區(qū)漲、落半潮和全潮平均流速統(tǒng)計 cm·s-1

表5為方案2北部港區(qū)泊位區(qū)和調(diào)頭區(qū)漲、落半潮和全潮平均流速統(tǒng)計值，可以看出，漲潮時碼頭泊位區(qū)和調(diào)頭區(qū)平均流速45～57 cm/s，落潮時由于出現(xiàn)回流區(qū)，泊位區(qū)流速為 24～27 cm/s，調(diào)頭區(qū)為 39～47 cm/s。

表5 方案2北部港區(qū)泊位區(qū)和調(diào)頭區(qū)漲、落半潮和全潮平均流速統(tǒng)計 cm·s-1

3.5 港區(qū)南段岸線走向優(yōu)化

基本方案1岸線采用折線連接，兩段岸線夾角為20°，其中北部岸線基本上已經(jīng)固定，從水流條件看，南部岸線走向有一定優(yōu)化的余地，模型中進行了不同折線走向優(yōu)化試驗，試驗方案見圖7，其中方案3-1為直線連接，碼頭走向為廈門海洋漁業(yè)局規(guī)劃線位置，岸線走向138°～318°，岸線長度3 300m；方案3-2在方案1岸線基礎(chǔ)上，東端向外伸出200m，與原拐點連接，南部岸線走向120°～300°，北部與南部岸線夾角12°。

圖7 劉五店港區(qū)南部岸線走向優(yōu)化布置圖

1）方案3-1（南部岸線直線連接）。圖8為方案3-1港區(qū)岸線采用直線連接情況下南部港區(qū)附近漲急流態(tài)照片，可以明顯看出，漲潮時在南部港區(qū)前形成較大范圍的回流區(qū)，隨漲潮時間的持續(xù)，回流區(qū)范圍進一步發(fā)展，尺度也逐漸增加。落潮時港區(qū)前水流相對比較平順。

圖8 方案3-1港區(qū)南部漲急時刻流態(tài)照片

2）方案3-2（東部前伸200m，折線連接）。碼頭岸線采用直線連接時，漲潮時港區(qū)南部出現(xiàn)較大范圍的回流區(qū)，而方案1折線夾角20°時，港區(qū)南部落潮時水流與岸線有一定的分離，漲潮時水流與岸線較為貼近，可見岸線仍然可以優(yōu)化。為此，模型中將港區(qū)南端外伸200m，與原拐點連接，兩段岸線夾角變成12°，即為方案3-2。

從方案3-2條件下漲、落急時刻流態(tài)可以看出，漲急時，主流沿碼頭東南角發(fā)生分流后，碼頭前水流相對比較平順，水流流向與碼頭走向基本一致，貼近碼頭區(qū)出現(xiàn)較弱的緩流區(qū)，對碼頭影響不大。落潮時碼頭前水流平順。

表6為方案3-2碼頭前泊位區(qū)漲急和落急流向及與碼頭走向夾角情況，南側(cè)港區(qū)泊位區(qū)漲落急時水流平均夾角為3°～8°之間，與方案1時相差不大，漲潮時夾角稍有增加，落潮時則有所減少。

表6 方案3-2港區(qū)南部碼頭前泊位區(qū)漲急、落急流向及與碼頭走向夾角（°）

從水流條件看，方案3-2岸線前水流條件相對較優(yōu)。

3.6 北端岸線優(yōu)化

方案1和方案2北端采用直角與岸連接時，落潮時在港區(qū)北部均會出現(xiàn)一定范圍的回流區(qū)，方案2回流尺度較大，需要對西端岸線進行適當優(yōu)化。試驗發(fā)現(xiàn)，如果端部采用斜線連接，可以有效改善北側(cè)港區(qū)的水流形態(tài)，其中，方案1將直角改變?yōu)樾苯沁B接，即方案1-1，虛線為方案1岸線位置，與碼頭北部前沿線走向夾角為49°。方案2將岸線北端削角，削角處岸線走向169°～349°，與原碼頭前沿岸線走向夾角29°，即方案2-1。方案布置見圖9。

圖9 港區(qū)北端岸線優(yōu)化布置圖

1）方案1北端優(yōu)化。從方案1-1條件下港區(qū)北部水域漲、落急流態(tài)可以看出，漲急時港區(qū)北部水域水流比較平順，碼頭端部基本上觀察不到回流出現(xiàn)。落潮時，北端岸線采用斜線連接后，落急時碼頭北部沒有形成明顯的回流區(qū)，只在靠近岸線區(qū)出現(xiàn)一定的緩流區(qū)，碼頭前流態(tài)有了一定程度改善。

2）方案2北端優(yōu)化。從方案2-1條件下港區(qū)北部水域漲、落急流態(tài)可以看出，漲急時，港區(qū)北部水域水流比較平順，側(cè)面也沒有出現(xiàn)明顯的回流區(qū)。落潮時，北端岸線采用削角折線連接后，落急時沒有形成明顯的回流區(qū)，只是在靠近岸線區(qū)出現(xiàn)一定的緩流區(qū)，碼頭前流態(tài)出現(xiàn)明顯的改善。

3.7 劉五店港區(qū)對附近海域影響

根據(jù)試驗結(jié)果，劉五店港區(qū)方案對同安灣潮位沒有明顯影響，對同安灣內(nèi)流速強度影響很小。方案1條件下，同安灣納潮量減少0.9%；方案2減少1.9%。

4 懸沙回淤估算

4.1 計算方法

4.1.1 港池回淤計算

港池懸沙回淤計算一般均采用劉家駒公式，該式物理概念清晰，使用方便，深受海岸工程界的歡迎，在我國近海港口航道（航槽）工程回淤計算中廣為應(yīng)用，該公式目前已被中國工程建設(shè)標準化協(xié)會水運工程委員會推薦作為規(guī)范在國內(nèi)試行。劉家駒公式[4]形式如下：

式中：P為年回淤率，m/a；ω0為黏性細顆粒泥沙絮凝沉速，m/s；S為當?shù)啬昶骄沉?，kg/m3；T為1 a的總秒數(shù)，s；H1，H2分別為灘面水深和航道水深，m；V1，V2分別為工程前灘面流速和工程后航道流速，m/s；K1，K2為經(jīng)驗系數(shù)，分別取為0.35和0.13；θ為水流流向與航槽走向的夾角，（°）；γ0為淤積泥沙干容重，kg/m3。

4.1.2 回流區(qū)回淤估算

試驗表明，當港池航道水域邊界為曲折岸線時，由于主流與邊界的分離，近岸區(qū)會產(chǎn)生尺度不等的回流，回流區(qū)一般是泥沙回淤區(qū)。迄今還缺乏完整描述回流淤積規(guī)律的理論和方法，一般的做法是考慮到泥沙向后運動在回流區(qū)出現(xiàn)二次淤積，計算時將泥沙回淤量加倍。

4.2 方案回淤估算

根據(jù)幾次東海域水文測驗資料，同安灣含沙量有逐年減小的趨勢，回淤計算時懸沙含沙量取大潮期間平均含沙量0.04 kg/m3。規(guī)劃方案中僅給出方案1港池開挖情況，模型中只計算方案1條件下港池回淤情況，根據(jù)港區(qū)規(guī)劃，集裝箱碼頭和散雜貨碼頭前泊位區(qū)水深為17.5m，調(diào)頭區(qū)水深16.5m。

根據(jù)式（1）和模型試驗中潮量的工程前、后水流流速流向變化情況，可以計算出港區(qū)不同水域泊位區(qū)、調(diào)頭區(qū)漲、落半潮年平均回淤率（m/a），結(jié)果如表7所示，計算結(jié)果沒有考慮回流回淤和天然回淤，僅為工程后引起的回淤。表8為方案1實施后港區(qū)不同水域年平均回淤率（m/a）和回淤量（萬m3/a）。從表中可以看出，一般情況下，泊位區(qū)回淤率大于調(diào)頭區(qū)，落潮回淤大于漲潮。港區(qū)泊位區(qū)漲潮時回淤率為0.03～0.06m/a，落潮回淤為0.05～0.09m/a，年平均回淤率0.09～0.13m/a；調(diào)頭區(qū)漲、落潮平均回淤率0.02～0.05m/a，年平均回淤率0.04～0.08m/a。集裝箱碼頭港池總回淤量10萬m3，散雜貨碼頭港池回淤總量為5.6萬 m3。

表7 劉五店港區(qū)港池漲、落潮平均回淤率 m·a-1

表8 劉五店港區(qū)年平均回淤率和回淤量

需要說明的是，一般碼頭建成初期，由于施工、地形調(diào)整、邊坡坍塌等因素影響，回淤量往往較計算值大，但是隨著碼頭正常運營后，回淤量會逐漸趨于穩(wěn)定。另外，靠近港區(qū)端部出現(xiàn)回流的區(qū)域，局部回淤量會加倍。

5 結(jié)語

1）劉五店港區(qū)建設(shè)，對同安灣內(nèi)潮位、納潮量和流速強度影響甚小。

2）試驗結(jié)果表明，劉五店港區(qū)方案1和方案2均可行。從增加碼頭陸域考慮，港區(qū)南部岸線建議采用方案3-2，港區(qū)東端在方案1基礎(chǔ)上外伸150～200m；方案1北端岸線建議采用斜線連接的方案1-1，方案2北端岸線建議采用削角方案2-1連接形式；

3）從回淤計算結(jié)果看，劉五店南部港區(qū)泊位區(qū)年平均回淤率 0.09～0.13m/a；調(diào)頭區(qū) 0.04～0.08m/a。

[1] 鄭久清.劉五店港區(qū) 未來廈門港又一顆璀璨明珠 [J].中國港口，2006，5：33-34.

[2] 廈門高集海堤開口改造工程補充水文泥沙測驗及分析報告[R].廈門：國家海洋局第三海洋研究所，2007.

[3] 崔崢，佘小建.廈門港劉五店港區(qū)潮流物理模型試驗研究[R].南京：南京水利科學研究院，2008.

[4] 劉家駒.淤泥質(zhì)海岸航道和港池的淤積計算[M].北京：人民交通出版社，1990.