大連長(zhǎng)興島建港條件研究

李孟國(guó)，韓志遠(yuǎn)，李文丹，麥苗

（交通運(yùn)輸部天津水運(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）

長(zhǎng)興島位于遼東半島中西部，瓦房店市西側(cè)，四面環(huán)渤海，總面積252.5 km2，是中國(guó)第五大島，長(zhǎng)江以北第一大島，島內(nèi)深水岸線長(zhǎng)，環(huán)島岸線長(zhǎng)達(dá)91.6 km。長(zhǎng)興島西北岸海域?qū)掗煟端罨驹?5～-10m以上，-25m水深離岸約1～2 km，擁有我國(guó)北方地區(qū)為數(shù)不多可供建設(shè)大量20萬(wàn)～30萬(wàn)噸級(jí)碼頭的優(yōu)良深水岸線資源。

長(zhǎng)興島西北岸是待開發(fā)的大型深水港區(qū)（圖1），即長(zhǎng)興島北港區(qū)，岸線南起馬家咀子，北至高腦子角，總長(zhǎng)約10.6 km，馬家咀子海域的西側(cè)離岸約1.4 km處有一天然形成的沙質(zhì)淺灘——馬家淺灘，可利用馬家淺灘修建防波堤兼護(hù)岸，能大大降低防波堤的工程造價(jià)。

圖1 長(zhǎng)興島海域示意圖

根據(jù)港區(qū)規(guī)劃[1-2]，長(zhǎng)興島北港區(qū)將通過建設(shè)東西防波堤環(huán)抱形成單口門港池（圖2），港池水域面積約430萬(wàn)m2。東防波堤從高腦子角向西南延伸，呈二段折線形布置，堤身總長(zhǎng)3604m；西防波堤依托馬家淺灘建設(shè)，防波堤總長(zhǎng)4965.78m，與岸之間回填成陸；圍堰總長(zhǎng)6190.11m，其中東圍堰為永久護(hù)岸，長(zhǎng)2926.62m，西圍堰為臨時(shí)圍堰，長(zhǎng)3263.49m。東防波堤外側(cè)通過棧橋建設(shè)30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭區(qū)，西防波堤外側(cè)通過棧橋建設(shè)30萬(wàn)噸級(jí)大宗干散貨泊位。

圖2 北港區(qū)規(guī)劃方案示意圖

本文針對(duì)大連長(zhǎng)興島北港區(qū)規(guī)劃涉及到的水動(dòng)力泥沙問題進(jìn)行了研究。

1 建港自然條件分析

如上所述，長(zhǎng)興島北港區(qū)近岸水深基本在-5～-10m以上，-25m水深離岸約1～2 km，是環(huán)渤海地區(qū)最為優(yōu)良的深水岸線資源，是遼東半島尚未開發(fā)的優(yōu)良深水港灣[3-4]。

1.1 潮汐潮流

1）按潮汐性質(zhì)分類屬不正規(guī)半日混合潮型，即一潮汐日內(nèi)有二次高潮和二次低潮，潮高不等現(xiàn)象嚴(yán)重。平均潮差為1.03m，最大潮差為2.58m，漲潮歷時(shí)略大于落潮歷時(shí)。

2）本海區(qū)的潮流屬不規(guī)則半日淺海潮流性質(zhì)，往復(fù)流（圖3），但具有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)。由于馬家咀的挑流作用，馬家咀北側(cè)與馬家淺灘之間漲潮形成順時(shí)針回流，無(wú)論漲落潮，流向都維持一個(gè)方向（落潮方向，圖3的C4號(hào)站）。

圖3 大潮流速矢量圖（2008年8月測(cè)）

3）流速大。受高腦子角和馬家咀的挑流影響，漲潮流速大于落潮流速，其中大潮時(shí)漲、落潮平均流速分別為 0.67～0.85m/s、0.46～0.75m/s，漲、落潮最大流速分別為1.13～1.58m/s、0.95～1.35 m/s。馬家咀外側(cè)流速是最大區(qū)，最大表層流速約2m/s。

4）大流速持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。馬家咀外側(cè)的C12號(hào)站漲潮表層流速超1m/s的時(shí)間持續(xù)超過6 h。

5）最大流速發(fā)生時(shí)刻與對(duì)應(yīng)潮位規(guī)律特殊，半潮位、低潮位、高潮位都有可能發(fā)生最大流速。由于資料少，暫未找到規(guī)律。

1.2 余流

C1號(hào)、C12號(hào)余流為0.10～0.16m/s，為東北或西北向。其余各站除C3號(hào)、C4號(hào)余流為0.20～0.57m/s外，基本為0.01～0.20m/s，其方向大部分為東向，東偏南向，少部分為西向。

1.3 波浪

根據(jù)長(zhǎng)興島馬家咀附近2004年12月—2007年11月3 a測(cè)波資料分析，長(zhǎng)興島海域以風(fēng)浪為主，最多風(fēng)浪向秋、冬、春季為NE向，夏季為SW向，風(fēng)浪方向具有明顯的季節(jié)性；最多涌浪向?yàn)閃SW向和N向。常浪向?yàn)镹E向，頻率為17.6%，次常浪向?yàn)镾W向，頻率為9.6%；強(qiáng)浪向?yàn)镹NE向，最大波高為5.4m，次強(qiáng)浪向?yàn)镹E向，最大波高為5.2m。全年H1/10波高主要集中于0.0～1.0m，頻率占75.8%，H1/10波高1.1～2.0m占頻率16.6%，H1/10波高大于3.0m僅占頻率1.0%。

1.4 含沙量及懸沙粒徑

本海域總體上含沙量不大，據(jù)2004年冬季和2005年夏季水文全潮的泥沙觀測(cè)資料，大潮時(shí)漲、落潮平均含沙量冬季分別為0.090 kg/m3、0.084 kg/m3，夏季均為0.004 kg/m3；2008年8月漲、落潮平均含沙量大潮分別為0.025 kg/m3、0.021 kg/m3，小潮均為0.012 kg/m3，垂線平均最大含沙量除C10號(hào)、C11號(hào)大潮漲落潮達(dá)0.112～0.247 kg/m3外，均在0.047 kg/m3、0.041 kg/m3以下，小潮時(shí)在0.026 kg/m3、0.034 kg/m3以內(nèi)，這充分說明該海域水體含沙量是很低的。

海域懸沙d50平均為0.013mm，為黏土質(zhì)粉砂物質(zhì)。

1.5 底質(zhì)

工程區(qū)近岸沉積物顆粒很粗，馬家咀—高腦子角范圍由西向東依次分布主要為粗砂、中砂、細(xì)砂、粉砂，臨近岸邊主要為粗砂物質(zhì)組成。粗顆粒部分為礫-中砂、粗-中砂、中砂和中細(xì)砂，中值粒徑為0.282～0.421mm，細(xì)顆粒部分為砂質(zhì)粉砂、粉砂和黏土質(zhì)粉砂，中值粒徑為0.002～0.036mm。馬家淺灘灘頂-5m等深線以內(nèi)的中值粒徑為0.23～0.446mm，平均0.31mm，馬家淺灘西側(cè)深水區(qū)底質(zhì)中值粒徑為0.0079～0.0363mm。

1.6 泥沙來(lái)源

由于該海域水體含沙量很小，泥沙來(lái)源有限。泥沙來(lái)源主要為波浪潮流作用下海岸侵蝕和局部泥沙隨潮流搬運(yùn)以及冬季融冰的挾沙沉積，附近河流來(lái)沙可以忽略。

2 岸灘演變分析

據(jù)1960年、1972年、1998年和2005年海圖、水深圖等深線（-2m，-5m，-10m，-20m）對(duì)比，分析認(rèn)為，該海域水深地形長(zhǎng)期以來(lái)除局部略有沖淤變化外，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 馬家淺灘成因及穩(wěn)定性分析

馬家淺灘南北長(zhǎng)約4 km，東西寬約1 km，離岸約1.4 km，沙脊最淺處頂高-1.5m，淺灘內(nèi)側(cè)水深約-10～-15m，淺灘外側(cè)水深-20～-25 m以上。由于要借助馬家淺灘建設(shè)西防波堤，所以必須弄清楚馬家淺灘這一天然“底座”的成因及穩(wěn)定性。

韓志遠(yuǎn)等[5]搜集了能找到的最早歷史水深圖，對(duì)馬家淺灘進(jìn)行了表層底質(zhì)取樣、柱狀取樣、馬家淺灘鉆探取樣等現(xiàn)場(chǎng)工作，采用懸浮泥沙衛(wèi)星遙感分析、歷史地形圖沖淤演變分析、沉積物礦物特征分析、14C年代測(cè)定、210Pb測(cè)年法、波浪作用下表層泥沙起動(dòng)分析等手段，對(duì)馬家淺灘的成因和穩(wěn)定性進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究和分析，有以下結(jié)論性認(rèn)識(shí)：

1）馬家淺灘是全新世海積沉積物，非現(xiàn)代潮流作用下形成。根據(jù)14C年代測(cè)定結(jié)果，形成時(shí)間距今2100～4500 a，可能為冰后期海面上升時(shí)形成的殘留沉積，經(jīng)現(xiàn)代潮流作用改造過后，逐漸與現(xiàn)代水文泥沙環(huán)境保持動(dòng)態(tài)平衡。

2）根據(jù)1935—2005年海圖對(duì)比分析，馬家淺灘規(guī)模、尺度、形態(tài)和位置在該70 a間保持穩(wěn)定，說明馬家淺灘的存在是與區(qū)域海洋動(dòng)力條件相適應(yīng)的，是經(jīng)長(zhǎng)期調(diào)整適應(yīng)的結(jié)果，這種狀態(tài)將繼續(xù)保持下去。

3）馬家淺灘表層底質(zhì)主要為粗顆粒的粗-中砂，中砂和中細(xì)砂，在年平均波浪作用下，馬家淺灘上的泥沙不會(huì)發(fā)生移動(dòng)。在大風(fēng)浪作用下使灘面上泥沙僅發(fā)生表面移動(dòng)，不發(fā)生全面推移，因此難以被波浪掀起，不會(huì)隨潮流發(fā)生輸沙運(yùn)移，礦物特征分析表明，泥沙無(wú)明顯的搬運(yùn)痕跡。

4）馬家淺灘水體含沙量低，漲落潮水體含沙量小，懸沙為黏土質(zhì)粉砂物質(zhì)，在淺灘上基本不發(fā)生水沙交換。

5）1935—2005年，雖然海區(qū)附近多次發(fā)生大風(fēng)浪，但馬家淺灘的形狀和位置都保持穩(wěn)定。因此在大浪作用下，馬家淺灘不會(huì)發(fā)生大沖、削灘，否則將難以恢復(fù)。

6）西防波堤實(shí)施后，防波堤西側(cè)馬家淺灘潮流流速減弱，為泥沙淤積環(huán)境，馬家淺灘仍會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)顛覆性的沖刷和不穩(wěn)定。

4 設(shè)計(jì)波浪要素計(jì)算

使用1988—2007年20 a間影響長(zhǎng)興島海域的臺(tái)風(fēng)、寒潮等惡劣大風(fēng)天氣過程，利用ECMWF（歐洲中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)研究中心）和NCEP（美國(guó)國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心）歷史再分析風(fēng)場(chǎng)資料和區(qū)域氣候模式MM5計(jì)算出工程附近海域10m高度的再分析風(fēng)場(chǎng)，用海浪數(shù)值模式SWAN計(jì)算對(duì)應(yīng)的浪場(chǎng)，得到了外海深水處-30m等深線的極值波要素，通過P–III型極值分布分析得到了深水處重現(xiàn)期 （2 a、5 a、10 a、25 a、50 a）設(shè)計(jì)波要素[6-7]。50 a一遇強(qiáng)浪向N有效波高4.90m，平均周期8.24 s，次強(qiáng)浪向NNE向有效波高4.20m，平均周期7.7 s。

5 潮流泥沙場(chǎng)及其變化計(jì)算

5.1 潮流泥沙數(shù)值模擬

采用TK-2D軟件，建立了長(zhǎng)興島附近海域的考慮波浪作用的二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型[3]，數(shù)學(xué)模型的西邊界至 120°56′E，北邊界至 39°45′N，南邊界至39°24′N，東邊界至岸邊。計(jì)算域的東西距離為50.4 km，南北距離39.8 km，西邊界至馬家咀頭部23.2 km。用不規(guī)則三角形網(wǎng)格剖分計(jì)算域，為較好地概括岸線和地形特征，在工程海區(qū)的高腦子角與馬家咀之間進(jìn)行了網(wǎng)格加密。最大空間步長(zhǎng)（三角形網(wǎng)格最大邊長(zhǎng)）484.26m，最小空間步長(zhǎng)（三角形網(wǎng)格最小邊長(zhǎng)）30.27m，三角形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)57281個(gè)，三角形單元數(shù)113093個(gè)。采用2004年冬季大潮、2005年夏季大潮和2008年夏季大、小潮（2008年測(cè)點(diǎn)位置見圖2）4個(gè)潮過程對(duì)模型進(jìn)行了潮位、流速、流向過程驗(yàn)證，采用2008年夏季大、小潮2個(gè)潮過程對(duì)模型進(jìn)行了含沙量過程驗(yàn)證。在驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對(duì)工程海區(qū)工程前后的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算并分析，圖4、圖5分別為工程前漲落急流場(chǎng)圖，圖6、圖7分別為工程后漲落急流場(chǎng)圖。

圖4 工程海區(qū)漲急流場(chǎng)圖

圖5 工程海區(qū)落急流場(chǎng)圖

圖6 工程海區(qū)規(guī)劃方案實(shí)施后漲急流場(chǎng)圖

圖7 工程海區(qū)規(guī)劃方案實(shí)施后落急流場(chǎng)圖

5.2 工程前流場(chǎng)及沙場(chǎng)特征

根據(jù)實(shí)測(cè)資料和數(shù)值模擬結(jié)果，工程海區(qū)現(xiàn)狀下的潮流特征[3]是：

1）流態(tài)特征：工程海區(qū)（高腦子角與馬家咀之間）潮流場(chǎng)基本為順著島岸線的往復(fù)流（圖4，圖5），漲潮近東北方向，落潮近西南方向。漲潮時(shí)，漲潮水流受馬家咀挑流作用后跨越馬家淺灘到達(dá)岸邊然后順岸邊北上，落潮時(shí)，落潮水流順著岸邊流動(dòng)經(jīng)過馬家咀離開工程區(qū)。

受突出海岸的馬家咀影響，漲潮時(shí)在馬家咀北側(cè)形成一個(gè)順時(shí)針的回流區(qū)，使得在馬家咀北側(cè)附近的漲潮流為落潮方向，落潮時(shí)，受馬家咀挑流的影響，落潮流速較大，是本工程海區(qū)落潮流速最大地區(qū)，落潮流速在馬家咀南側(cè)形成一個(gè)逆時(shí)針回流區(qū)。在馬家咀凸角與馬家淺灘之間無(wú)論是漲潮還是落潮，流速均是一個(gè)方向，即落潮方向。

2）流速量值特征：2008年夏季實(shí)測(cè)資料表明，大潮漲潮平均流速為0.25～0.85m/s，最大流速為0.48～1.58m/s；大潮落潮平均流速為0.37～0.75m/s，最大流速為0.48～1.58m/s；小潮漲潮平均流速為 0.16～0.63m/s，最大流速為 0.33～1.11m/s；小潮落潮平均流速為0.32～0.60m/s，最大流速為0.56～1.04m/s。

3）根據(jù)2008年夏季大潮模擬的含沙量場(chǎng)模擬結(jié)果看，含沙場(chǎng)有如下特征：

①工程海區(qū)的含沙量很小，漲落潮平均含沙量小于0.03 kg/m3；

②含沙量分布有從岸向外海逐漸減小的規(guī)律；

③馬家淺灘灘頂含沙量略高。

5.3 工程后流場(chǎng)特征

1）規(guī)劃方案實(shí)施后，工程海區(qū)的總體潮流場(chǎng)仍為繞島順島岸線流動(dòng)的往復(fù)流（圖6，圖7）；

2）由于西防波堤的建設(shè)，馬家咀北側(cè)不再存在環(huán)流現(xiàn)象；

3）工程方案的東防波堤和馬家咀起到挑流作用，主流線被挑離到了30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭和干散貨碼頭的調(diào)頭圓和航道區(qū)，使這些地區(qū)流場(chǎng)平順，使碼頭泊位區(qū)流速減??；

4）規(guī)劃方案實(shí)施后，東西防波堤外側(cè)及碼頭區(qū)水流平順，沒有環(huán)流現(xiàn)象；

5）規(guī)劃方案實(shí)施后，東西防波堤之間的內(nèi)港池流速明顯減?。?/p>

6）規(guī)劃方案實(shí)施后，漲潮時(shí)，內(nèi)港池均有環(huán)流現(xiàn)象。

5.4 30萬(wàn)噸級(jí)碼頭與潮流夾角

潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明[3]：東防波堤碼頭與大潮漲潮最大流速和平均流速的夾角分別為6°～9°和4°～7°，與落潮最大流速和平均流速的夾角分別為 1°～4°和 0°～5°；西防波堤碼頭與大潮漲潮最大流速和平均流速的夾角均為1°～7°，與落潮最大流速和平均流速的夾角分別為 2°～7°和 0°～4°。30萬(wàn)噸級(jí)碼頭與潮流流向夾角小于10°，非常平順。

5.5 內(nèi)港池進(jìn)港航道橫流

橫流為最大流速沿垂直于航道軸線方向的分量，橫流速度大小關(guān)系著船舶航行的安全，是需要了解的重要參數(shù)。潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明[3]，漲潮流速與航道夾角為4°～42°，橫流速度為0.01～0.94m/s，最大流速發(fā)生在航道最外端，口門處橫流為0.55m/s，向內(nèi)逐漸減??；落潮流速與航道交角 0°～33°，橫流速度為 0.00～0.90m/s，最大流速發(fā)生在航道最外端，口門處橫流僅為0.08m/s，向內(nèi)逐漸減小。內(nèi)港池進(jìn)港航道橫流不大。

5.6 內(nèi)港池回流

經(jīng)數(shù)學(xué)模型多方案的計(jì)算[3]，內(nèi)港池漲潮時(shí)的環(huán)流不可避免。規(guī)劃方案（圖2）內(nèi)港池回流范圍最小，流速最弱，大潮時(shí)漲潮回流最大流速為0.1～0.3m/s，回流區(qū)漲落潮平均流速為0.08～0.25m/s。

6 泥沙回淤與驟淤計(jì)算

根據(jù)考慮波浪作用的潮流泥沙模型，對(duì)工程方案港池航道調(diào)頭圓的泥沙淤積進(jìn)行了計(jì)算，并用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了校核。泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明[3]，東防波堤外30萬(wàn)噸級(jí)碼頭區(qū)淤積量17.7萬(wàn)m3/a，平均淤?gòu)?qiáng)0.09m/a；西防波堤外30萬(wàn)噸級(jí)碼頭區(qū)淤積量8.2萬(wàn)m3/a，平均淤?gòu)?qiáng)0.07m/a；內(nèi)港池及進(jìn)港航道區(qū)淤積量54.3萬(wàn)m3/a，平均淤?gòu)?qiáng)0.11m/a；全港淤積量80.2萬(wàn)m3/a，平均淤?gòu)?qiáng)0.10m/a，淤積輕微。

驟淤是海岸工程中人們較為關(guān)注的問題，是指短時(shí)間內(nèi)，在特殊惡劣的大風(fēng)浪天氣下產(chǎn)生的淤積。由于底質(zhì)泥沙在較強(qiáng)水流動(dòng)力下容易起動(dòng)、運(yùn)移、淤積，因此較強(qiáng)的動(dòng)力條件（如大風(fēng)浪、臺(tái)風(fēng)等）是近岸工程可能發(fā)生驟淤的前提條件。經(jīng)計(jì)算，在50 a一遇波浪作用下各方案港池航道的24 h驟淤厚度均小于1 cm，說明本工程沒有驟淤問題。

7 結(jié)語(yǔ)

1）工程海區(qū)水深條件好，底床及岸灘穩(wěn)定，水體含沙量小，泥沙淤積輕微，沒有驟淤問題。

2）馬家淺灘是全新世海積沉積物，形成時(shí)間距今2100～4500 a，馬家淺灘是穩(wěn)定的，工程后也將繼續(xù)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3）內(nèi)港池進(jìn)港航道橫流不大，內(nèi)港池回流持續(xù)時(shí)間短，回流速度小。

4）鑒于工程海區(qū)泥沙淤積輕微，底床及岸灘穩(wěn)定，潮流速不大，港口布局及防波堤設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮波浪的作用。

綜上所述，長(zhǎng)興島北港區(qū)開發(fā)建設(shè)30萬(wàn)噸級(jí)深水港具有良好的前景。

[1] 大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司.大連長(zhǎng)興島北港區(qū)防波堤及臨時(shí)圍堰工程工程可行性研究報(bào)告[R].2009.

[2] 大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司.大連長(zhǎng)興島北港區(qū)防波堤及圍堰工程初步設(shè)計(jì)[R].2009.

[3] 李孟國(guó)，麥苗，李文丹.大連長(zhǎng)興島北港區(qū)自然條件分析、潮位計(jì)算與潮流泥沙數(shù)學(xué)模型研究[R].天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.

[4] 麥苗，郝青玲，李孟國(guó).大連長(zhǎng)興島北港區(qū)自然條件分析與泥沙淤積計(jì)算[J].水道港口，2012，33（2）：124-129.

[5] 韓志遠(yuǎn)，閆新興，李孟國(guó).大連長(zhǎng)興島北港區(qū)馬家淺灘成因及穩(wěn)定性調(diào)查研究報(bào)告[R].天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.

[6] 肖輝，李孟國(guó).長(zhǎng)興島附近深水設(shè)計(jì)波要素推算[R].天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.

[7] 肖輝，李孟國(guó).大連港長(zhǎng)興島北港區(qū)波浪數(shù)學(xué)模型研究報(bào)告[R].天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.