象山縣西滬港海洋生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程物理模型試驗(yàn)研究*

范紅霞，王建中，朱立俊

(南京水利科學(xué)研究院 南京 210024)

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象山縣西滬港海洋生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程物理模型試驗(yàn)研究*

范紅霞，王建中，朱立俊

(南京水利科學(xué)研究院 南京 210024)

在分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料和進(jìn)行大米草阻力模擬水槽試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了象山港海域整體潮流泥沙物理模型，取得了模型潮汐水流及泥沙運(yùn)動(dòng)與原體的較好相似，分別通過潮汐水流定床和懸沙淤積動(dòng)床模型試驗(yàn)，對(duì)象山縣西滬港海洋生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程實(shí)施前后工程區(qū)附近潮汐運(yùn)動(dòng)特征、潮流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化和海床淤積情況進(jìn)行了研究，并分析了工程對(duì)軍港等重要設(shè)施的影響，為項(xiàng)目立項(xiàng)報(bào)批及決策提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)今后我國大米草綜合治理以及類似的海洋生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程具有重要的指導(dǎo)意義。

西滬港；大米草；環(huán)境修復(fù)工程；模型試驗(yàn)；影響

在20世紀(jì)80年代寧波市為了消浪保堤開始從國外引進(jìn)大米草，到90年代末開始，“灘涂殺手”大米草在象山港中部支港西滬港的下沙海涂繁殖蔓延，至近年經(jīng)測(cè)量總面積已近1 000 hm2。由于大米草的快速生長，造成西滬港內(nèi)納潮空間縮小、潮流動(dòng)力削弱、灘涂快速淤漲，并改變了灘涂泥質(zhì)條件，減弱了海水的交換能力，使得水質(zhì)惡化，自然水產(chǎn)資源銳減，海洋生態(tài)環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，同時(shí)也對(duì)西滬港軍事港區(qū)的通航條件和軍事設(shè)施安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

為治理大米草對(duì)西滬港造成的生態(tài)危害，象山縣政府?dāng)M啟動(dòng)西滬港海洋生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程。其委托國家海洋局寧波海洋開發(fā)研究院就西滬港大米草的治理方法進(jìn)行了專題研究[1-2]，后者認(rèn)為在化學(xué)除草劑治理尚存在巨大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的情況下，人工機(jī)械開挖是清除大米草最有效的方法。因此，確定了采取挖除大米草堆放于港底圍堤區(qū)域內(nèi)作為修復(fù)工程的主體措施。本研究采用潮流泥沙整體物理模型試驗(yàn)的技術(shù)手段，通過潮汐水流定床和懸沙淤積動(dòng)床模型試驗(yàn)，對(duì)工程前后工程區(qū)附近潮汐運(yùn)動(dòng)特征、潮流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化和海床淤積情況進(jìn)行了研究，并分析了工程的主要影響，為項(xiàng)目立項(xiàng)報(bào)批及決策提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)今后我國大米草綜合治理以及類似的海洋生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程具有重要的指導(dǎo)意義。

1 自然條件

1.1 潮波、潮汐與潮流

象山港在浙江省東部穿山半島和象山半島之間，為一個(gè)由東北向西南深入內(nèi)陸的狹長半封閉型港灣，縱深約60 km[3-8]。大米草危害嚴(yán)重的西滬港位于象山港上中部的南岸，是象山港三大支港之一。象山港附近海域的潮波運(yùn)動(dòng)主要是由于太平洋潮波引起的諧振動(dòng)形成，進(jìn)入港內(nèi)潮波不再保持外海前進(jìn)波的性質(zhì)，表現(xiàn)為以駐波為主的混合潮波。

2011年7月22日至8月21日，大、中、小潮水文測(cè)驗(yàn)資料表明：象山港海區(qū)屬于正規(guī)半日潮，潮差較大，且從口門往港底逐漸增大?？陂T蒲門站最大潮差為4.79 m，上中部西滬港站最大潮差為5.38 m，而接近港底強(qiáng)蛟站的最大潮差達(dá)5.9 m。西滬港口門站最高、最低潮位分別為3.65 m和-1.73 m；象山港水域呈現(xiàn)漲潮歷時(shí)長于落潮歷時(shí)的不對(duì)稱現(xiàn)象，支港西滬港漲落潮歷時(shí)相差1 h 48 min。

象山港及支港西滬港的海岸廊線和地形對(duì)潮汐水流運(yùn)動(dòng)起控制作用，灣內(nèi)以往復(fù)流形式為主，漲、落潮流方向與海床等深線方向基本一致。落潮流動(dòng)力強(qiáng)于漲潮流，如象山港大橋附近大潮期的漲、落潮垂線平均流速分別為0.42 m/s和0.66 m/s，西滬港口門內(nèi)大潮期的漲、落潮垂線平均流速分別為0.35 m/s和0.63 m/s；最大流速為1.92 m/s，中潮為1.42 m/s，小潮為0.87 m/s。西滬港內(nèi)大潮實(shí)測(cè)最大流速為0.93 m/s。漲潮流最大流速出現(xiàn)在最高潮位前2～3 h，而落潮流最大流速則出現(xiàn)在最低潮位前2～3 h，憩流或轉(zhuǎn)流多發(fā)生在平潮前后。

1.2 泥沙

象山港及支港西滬港海域懸沙主要來源于流域輸沙、海域供沙及鄰近灘槽泥沙交換供沙。泥沙向港內(nèi)輸送量十分有限，象山港平均含沙量在0.032 8～0.098 9 kg/m3之間，西滬港內(nèi)大、小潮平均含沙量僅為0.036 kg/m3、0.022 kg/m3，明顯比西滬港口門外的含沙量低。

象山港懸沙中值粒徑為6.02 μm。西滬港內(nèi)大、小潮汛時(shí)懸沙中值粒徑分別為0.005 7 mm和0.005 2 mm。海床底質(zhì)分為3類：黏土質(zhì)粉砂、含貝殼黏土質(zhì)粉砂和貝殼砂。

2 西滬港海床演變分析

西滬港位于象山港上中部的南岸。西滬港口小腹大，形若罌湖，是典型的封閉型港灣港，縱深約14 km。其中入口段長約5 km，亦稱為高泥港(軍港)，寬一般在1 200～1 800 m，入口段水深較深，最深處礁門礁外達(dá)43 m，貓頭嘴外達(dá) 44 m。西滬港北向東延伸形成一支港——白墩港。西滬港港內(nèi)腹部水深一般僅3～6 m，風(fēng)平浪靜，潮緩灘淺，四周分布有亂堍大涂等8個(gè)舌狀灘涂，各灘涂間均有溪流和潮水沖刷的溝道，宛若伸展的五指。

2.1 西滬港海床前期變化(1964—2005年)

1964—2005年間，西滬港口門段的岸線穩(wěn)定，海床沖淤變形極小，軍港航道和碼頭前沿的水深條件保持良好。白墩港的進(jìn)港航道繼續(xù)保持由寬變窄，由深漸淺的狀況，一般水深維持在1～3 m。西滬港內(nèi)5 m深槽和東側(cè)灘涂略有沖刷，南側(cè)和西側(cè)灘涂略有淤積，亂堍大涂與西側(cè)近岸間出現(xiàn)半封閉漲潮溝。總體來看，42年間西滬港海床保持相對(duì)穩(wěn)定，沖淤變化不大。

2.2 西滬港海床近期變化(2005—2011年)

近年來西滬港入口段海床略有沖淤，但幅度較小，白墩港進(jìn)港航道內(nèi)有輕微的淤積，港內(nèi)潮間帶灘涂上大米草瘋長蔓延而導(dǎo)致潮流動(dòng)力減弱，挾沙能力降低，從而引起灘面淤高，涂面年淤厚速率可達(dá)0.05～0.10 m/s；灘涂間的指狀潮溝和亂堍涂西側(cè)近岸潮溝均發(fā)生不同程度的淤積，淤厚一般在0.05～0.80 m。因此，應(yīng)及早根除大米草，還西滬港一方潮漲潮落、自由呼吸的空間。

3 工程方案概況

本項(xiàng)工程主要目的為修復(fù)大米草對(duì)西滬港造成的嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境破壞。治理的范圍為整個(gè)西滬港內(nèi)大米草灘涂分布區(qū)，根據(jù)2011年5月西滬港內(nèi)大米草集中分布區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，共計(jì)13處集中區(qū)塊，總面積約953.33 hm2。擬采取由灘面向下挖除1 m的措施根除大米草，同時(shí)在港底新建海堤一條，將棄土置于圍堤內(nèi)。涉海工程主要由大米草挖除、一條海堤(堤長3 700 m，堤內(nèi)面積為405.6 hm2)、兩座納排閘等組成。

4 潮流泥沙整體模型試驗(yàn)

4.1 模型概況

4.1.1 模型設(shè)計(jì)

由于試驗(yàn)的主要任務(wù)是研究互花米草集中區(qū)塊挖除及圍堤后西滬港內(nèi)潮流場(chǎng)變化及因回流和緩流引起的懸沙淤積情況，采用潮流定床及懸沙淤積模型試驗(yàn)為主的技術(shù)手段來滿足研究需要。模型設(shè)計(jì)除應(yīng)滿足水流運(yùn)動(dòng)相似外，還應(yīng)滿足懸沙運(yùn)動(dòng)相似和河床變形相似[9-10]。

模型水平比尺λL=900，垂直比尺λH=125。整體模型模擬象山港口門至港底天然海域長約65 km，主港寬度約3～8 km，最大寬度(西滬港)約15 km。模型比尺見表1。

表1 模型比尺匯總

續(xù)表

4.1.2 模型沙選擇

4.1.3 大米草的模擬

為確保在模型中用塑料草來模擬大米草阻力有較好的相似性，進(jìn)行了阻力特性水槽試驗(yàn)。水槽寬0.5 m，高1 m，長30 m，中間設(shè)玻璃壁面觀察段3 m。

從西滬港內(nèi)灘涂上齊根割取的大米草株叢高1～3.0 m，株的直徑在0.5～1.8 cm之間。將截?cái)嗪蟮拇竺撞輼颖矩Q向均勻密排固定在水槽底部，測(cè)量不同水深和流速條件下試驗(yàn)觀察段的水面比降變化，共進(jìn)行了約80組的糙率測(cè)定試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，大米草糙率與排列密度基本成線性相關(guān)關(guān)系。當(dāng)每平方米大米草排列密度分別為200株、400株、600株和800株時(shí)，其平均糙率分別為0.10、0.14、0.175和0.213。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查狀況，西滬港內(nèi)大米草的排列密度最高可達(dá)800株，因此其糙率可達(dá)0.213，而一般海床糙率在0.018～0.02左右，兩者相差10多倍，可見西滬港大米草的阻力很大，阻水作用相當(dāng)明顯。

根據(jù)以往的試驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)，選用單叢12株，高7 cm，叢徑1.7～3 cm的塑料草來模擬大米草。試驗(yàn)結(jié)果表明：在不同流量和水流條件下，每平方米塑料草排列密度分別為320叢、640叢、960叢和1 280叢的平均糙率分別為0.13、0.175、0.21和0.251。由此選定排列密度為1 280叢/m2的塑料草作為模型試驗(yàn)中大米草的柔性模擬物，符合本模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)中糙率比尺為0.833的相似要求。

4.2 模型驗(yàn)證

4.2.1 潮汐水流定床模型驗(yàn)證

采用收集到的2011年7-8月象山港海域?qū)崪y(cè)大、中、小潮全潮水文測(cè)驗(yàn)(包含4個(gè)臨時(shí)潮位站、13條定點(diǎn)垂線)、2011年4-5月西滬港海域?qū)崪y(cè)大、小潮全潮水文測(cè)驗(yàn)(包含1個(gè)臨時(shí)潮位站、9條定點(diǎn)垂線)資料，對(duì)模型進(jìn)行了水動(dòng)力驗(yàn)證。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：所建立的物理模型較好地復(fù)演了象山港海域潮汐水流運(yùn)動(dòng)情況。

4.2.2 懸沙淤積動(dòng)床物理模型驗(yàn)證

實(shí)測(cè)地形資料表明：2009年9月至2011年9月間，象山港中下部懸山附近海床總體處于微淤狀態(tài)，共淤積458萬m3。懸沙淤積動(dòng)床模型驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果為共淤積了553萬m3，淤積量誤差為20.8%。模型較好地模擬了工程區(qū)附近海域的泥沙運(yùn)動(dòng)，其淤積形態(tài)基本相似、淤積總量接近。

4.3 潮汐水流定床工程方案試驗(yàn)

4.3.1 工程后流態(tài)變化

西滬港口門至徐家軍港碼頭段漲、落潮流往復(fù)運(yùn)動(dòng)特征明顯，工程前冬季期海面有大量的大米草枯枝敗葉隨波逐流，流態(tài)較差，且碼頭后方灘涂有大片的大米草，過流嚴(yán)重不暢；工程后進(jìn)港航道、碼頭前沿及碼頭后方流線較平順，特別是冬季期間流態(tài)改善較明顯，同時(shí)大米草集中區(qū)高程疏浚下降1 m后，潮流動(dòng)力明顯增強(qiáng)，漲潮時(shí)漫向?yàn)┟鏀U(kuò)散，落潮時(shí)集中歸槽，灘面流態(tài)明顯改善；工程前港底擬建圍堤附近有零星大米草生長，緩流和回流特征較明顯，工程后圍堤前沿流態(tài)較平順。

4.3.2 工程后潮量變化

潮汐通道內(nèi)的進(jìn)潮量和落潮量的變化，是衡量工程興建對(duì)潮流場(chǎng)影響程度的重要指標(biāo)之一。工程后象山港口門的漲、落潮量變化范圍為-0.26%～-0.30%，工程對(duì)象山港口門的潮量影響甚微；工程后西滬港口門潮量僅減小-0.39%～-0.46%。雖然工程海堤建設(shè)占用了西滬港部分海域面積，但由于大米草挖除使得納潮空間擴(kuò)大，對(duì)潮量有增加的貢獻(xiàn)，基本抵消了工程因圍堤對(duì)潮量損失的影響。

4.3.3 工程后流速變化

在典型大潮(2011年4月)工況條件下，工程后，西滬港口門區(qū)漲、落潮流速小幅增加0.01～0.03 m/s；13塊大米草集中挖除區(qū)潮流動(dòng)力增強(qiáng)，流速自0～0.10 m/s增加至0.10～0.40 m/s；西滬港內(nèi)灘涂間有較發(fā)育的潮溝，工程后溝內(nèi)潮流動(dòng)力有所減弱，流速減小的幅度為-0.02～-0.06 m/s；擬建圍堤至西滬港中部區(qū)域?yàn)榱魉贉p小區(qū)，近堤流速最大減幅達(dá)接近0.20 m/s；象山港上中部流速輕微的減小在-0.01 m/s左右，象山港下部海域及支港黃墩港、鐵江港海域的流速基本不變(圖1)。

圖1 工程前后漲潮最大流速變化等值線

4.4 懸沙淤積動(dòng)床工程方案試驗(yàn)

(1)5年后西滬港口門至軍港碼頭段淤厚為0.03～0.07 m，其淤積變化亦屬于正常自然沖淤。工程前進(jìn)港航道和碼頭前沿水深10～35 m，工程后輕微的淤積對(duì)船舶的正常航行基本沒有影響(圖2)。

圖2 工程后5年末泥沙淤積厚度分布

(2)西滬港內(nèi)中部海域水深3～6 m，工程后流速略有減小，引起海床略有淤積，淤積量比正常自然淤積量略大，5年后中部海域的平均淤厚在0.06～0.07 m，最大淤厚在0.22～0.34 m，淤積幅度較小。

(3)工程后擬建圍堤截?cái)嗔说躺硖幵械臐q、落潮流路，堤前海域出現(xiàn)較大范圍的緩流區(qū)，因此工程后堤前海床不可避免地表現(xiàn)為一定量的淤積。試驗(yàn)結(jié)果表明：方案實(shí)施后5年末堤前海床平均淤厚為0.26 m，最大淤厚為0.67 m，其0.2 m淤厚的最大影響范圍為2 300 m×2 250 m，淤積總量分別為50.5萬m3。

(4)大米草集中挖除區(qū)灘面降低，過灘潮流動(dòng)力增強(qiáng)，輸沙量相對(duì)增大，從而引起回淤。5年末回淤厚度為0.10～0.40 m；各挖除區(qū)內(nèi)的年均回淤速率為0.025～0.064 m/a。；回淤率為12%～30%；回淤量與挖除區(qū)面積、回淤速率密切相關(guān)，總回淤量為230.3萬m3。

(5)工程實(shí)施5年后，象山港航道口門附近航道內(nèi)呈現(xiàn)0.05～0.15 m的少量淤積，年淤積速率小于0.04 m/a；象山港大橋以內(nèi)的航道內(nèi)有不連續(xù)的局部輕微淤積。

5 結(jié)論

基于實(shí)測(cè)資料分析，通過水槽試驗(yàn)和整體潮流泥沙物理模型試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論。

(1)1964—2005年間，西滬港海床演變保持相對(duì)穩(wěn)定。2005年至今，港內(nèi)潮間帶灘涂上大米草瘋長蔓延而導(dǎo)致潮流動(dòng)力減弱，引起灘面淤高；若大米草瘋長態(tài)勢(shì)不加控制，則納潮空間將進(jìn)一步壓縮，軍港、民用港航道條件和海洋生態(tài)功能將嚴(yán)重惡化。

(2)概化水槽試驗(yàn)表明：大米草糙率高達(dá)0.213，阻水作用相當(dāng)明顯，排列密度為1 280叢/m2的塑料草作為模型試驗(yàn)中大米草的柔性模擬物，其糙率約0.251，符合模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)中阻力相似要求。

(3)工程后西滬港口門潮量僅減小-0.39%～-0.46%，由于大米草挖除使得納潮空間擴(kuò)大，對(duì)潮量有增加的貢獻(xiàn)，抵消了工程因圍堤對(duì)潮量損失的影響。工程后西滬港入口段航道及海軍碼頭前沿流速均有輕微增加，港內(nèi)中部深水區(qū)域潮流流速略有降低；圍堤前沿流速減?。桓蹆?nèi)灘涂大米草挖除區(qū)過灘漲、落潮流動(dòng)力明顯增強(qiáng)。

(4)工程后西滬港口門段航道、軍港碼頭前沿基本沒有淤積影響，港內(nèi)中部海域海床淤積比正常自然淤積量略大，堤前海床出現(xiàn)一定量的淤積。大米草挖除區(qū)將出現(xiàn)一定程度的回淤，5年末回淤厚度為0.10～0.38 m，年均回淤速率為0.025～0.064 m/a，回淤率為12%～29%。

(5)綜合工程對(duì)流態(tài)、潮量、流場(chǎng)、淤積的影響情況，工程的興建不會(huì)改變象山港的潮汐運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和整體潮流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征，對(duì)西滬港外海域沒有淤積影響。采取浚深1 m、機(jī)械挖除大米草并把棄土堆放在港底高灘圍堤內(nèi)的措施，其工程負(fù)面影響很小。本工程思路和研究成果可作為我國其他地區(qū)大米草綜合治理以及類似的海洋生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程可行性論證借鑒。

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P74;X171;X820

A

1005-9857(2015)03-0086-05