電廠取排水工程對淤泥質海床演變的影響研究

陸 琴，鄧安軍，王崇浩

（中國水利水電科學研究院，北京100048）

擬建的某電廠循環水系統采用海水一次循環，直流供水，單機取水流量為62.7 m3/s。海域工程包括循環水系統的進水渠構筑物、排水構筑物、防波堤、護岸以及核電站專用裝卸碼頭、港池等。電廠取排水工程的建設，將影響工程海域附近的潮流流態和海床演變。文中通過對某電廠的實測資料進行分析以及模型試驗，研究了天然條件下淤泥質海床的演變及電廠取排水后工程海域的海床演變趨勢。

1 海域和工程情況

1.1 海域動力條件

工程海區總體上呈不規則半日潮，一日內出現2次高潮和2次低潮，資料統計分析表明，潮位（當地基面）特征值為：歷史最高潮位3.19 m，歷史最低潮位-2.27 m；平均高潮位0.52 m；平均低潮位-1.02 m；最大潮差4.36 m；平均潮差1.54 m，平均漲潮歷時5 h 50 min，平均落潮歷時6 h 35 min。本海域潮流為往復流，NW向漲潮流最大流速在0.43～0.58 m/s，SE向落潮流最大流速為0.116～0.166 m/s［1-3］。

波浪以混合浪為主，且涌浪成份較多。年出現頻率最多的波向為SE（21.9%），次之為SSE（18.4%），SWNNW各方位的波浪出現的頻率較少，其總出現頻率不足8%；海域H1/10波高介于0.5～1.4 m較多，H1/10的年平均值約0.6 m。

1.2 海域泥沙條件

工程海域海水含沙量較小，懸沙主要由粉砂質粘土和粘土質粉砂組成，海床主要為淤泥［2］。通過分析海域14個連續測站冬、夏季的大、中、小潮期調查資料，懸沙含沙量有如下特點［4-5］：（1）夏季含沙量小于冬季含沙量，冬季波浪掀沙作用明顯，懸移質泥沙較粗，而夏季主要受珠江口下泄徑流的影響，懸移質泥沙較細。夏季大、中、小潮測站的平均中值粒徑為0.006 8 mm，而冬季為0.011 1 mm，且冬季大、中、小潮懸沙中值粒徑變幅較小，中值粒徑在0.01 mm左右，而夏季中值粒徑變幅較大，中值粒徑在0.005～0.01 mm。（2）大潮的平均含沙量遠大于中潮和小潮的平均含沙量，而中、小潮期平均含沙量相差不多，冬季大潮含沙量平均值為0.015 6 kg/m3，中、小潮含沙量平均值分別為0.007 7 kg/m3、0.007 1 kg/m3；夏季大潮含沙量平均值為0.011 4 kg/m3，中、小潮含沙量平均值分別為 0.009 4 kg/m3、0.007 5 kg/m3。

廠區表層底質主要為粉細砂和中粗砂。附近海域地貌上屬于濱海相沉積地貌，海床地形平緩。泥沙垂線平均級配曲線相差不大，中值粒徑一般在0.032 mm附近，平均中值粒徑為0.032 mm［1］。

2 天然海域海床的演變

本文所用資料為2006年出版的工程海域海圖（實際測量年份為1964年）和1997年實測海床地形圖。由于海圖數據較少，插值誤差較大，所以將海圖上有高程標注的點摘出來，并根據坐標在1997年實測地形上查找相應的海床高程，對比分析1964年與1997年海床的沖淤演變情況。分析結果見圖1，圖1為北京坐標系，數字表示淤積厚度。從圖1可以看出各測點海床均發生泥沙淤積，淤積厚度在0.13～0.78 m，多數測點的淤積厚度在0.4 m左右，所有測點平均淤積厚度為0.31 m，年均淤積厚度約0.009 m，所以長期來看，海域海床處于微淤狀態［1］。

3 修建港池等海域工程后海床的演變

3.1 工程布置

海域工程總體布置為西側取水，東側排水，取排水口相距約2 km，平面布置見圖2。港池由東、南、西防波堤等圍成，港池口門朝西，口門寬約300 m，池底部高程為-9 m。

電廠排水隧洞共6條，隧洞總體布置形式為一機一洞，均為有壓隧洞，內徑5.6 m，洞底高程均為-8.0 m，1#和2#，3#和4#，5#和6#隧洞都為平行布置，相距約20 m。

3.2 修建港池等海域工程后海床的演變

圖3為工程前后海域的沖淤演變情況，圖中黑色表示淤積，顏色越深，淤積厚度越大；白色表示沖刷，但不能表達沖刷深度。總體來講，由于防波堤的修建，使得港池以內海域水流流速減小，港池發生淤積，港池以外海域水流更為集中，海域附近發生較大的沖刷，并且受防波堤影響越大的區域，沖刷強度越大，受防波堤影響越小的區域，沖刷強度越小，甚至發生淤積。具體來講：（1）在修建防波堤后港池內呈淤積狀態；（2）在港池口門以外的區域（Ⅰ區域），也發生了少量淤積，除了在南防波堤下方，由于堆積造成大量淤積外，其他區域淤積厚度一般在0.5 m以內，平均約為0.2 m；（3）在東、南防波堤附近，防波堤的修建使水流更為集中，所以發生了明顯的沖刷，離防波堤較近的Ⅱ區，沖刷強度最大，沖深一般在0.6～1.0 m，在離防波堤較遠的Ⅲ區，沖刷深度減小，為0.2～0.6 m，在離防波堤較遠的Ⅴ區，受防波堤束水導流作用已很小，沖刷深度一般在0.2 m以下，一些區域還發生微淤，平均淤積厚度不到0.1 m，在Ⅴ區以東，距東南防波堤更遠，防波堤影響已很小，在Ⅵ區，海床有沖有淤，總體表現為微淤，平均淤積厚度約為0.04 m；（4）防波堤的影響主要在東南區域，而對西側及西南區域影響較小，在Ⅶ區海床一般都發生不同程度的淤積，淤積厚度一般在0.1 m左右，最大淤積厚度約為0.4 m，平均淤積厚度約為0.15 m，這主要是由于在防波堤附近的沖刷使得帶往防波堤西南海域的泥沙增多，導致泥沙淤積增加。

為了進一步分析工程海域的海床演變，將工程前后地形等深線套匯進行比較（圖4），圖4中黑邊框為測圖邊界（或者海床水邊界），從北向南分別表示為8 m、9 m、10 m及11 m等深線，其中實線為工程后海床等深線，虛線為工程前海床等深線。從圖4上可以看出，總體來說，在防波堤以東海域，等深線內移（向海岸一側移動），即海床發生沖刷，并且8 m、9 m等深線內移距離較大，10 m等深線稍有內移，而11 m等深線變化不大；在防波堤以西海域，等深線主要表現為外移（向深海一側移動），即海床發生淤積，變化幅度與以東區域等深線外移幅度相反，即8 m等深線變化不大，9 m等深線外移距離較大，而10 m、11 m等深線外移距離最大。

綜上所述，修建防波堤等工程后，由于防波堤的束水導流和導沙作用，使得海域防波堤東南側發生明顯沖刷，沖刷起來的泥沙被漲潮流帶向西南側海域，并且這時水流擴散，挾沙能力下降，泥沙發生淤積，所以港池外西南側附近海域仍發生淤積。

根據波浪潮汐模型試驗理論［7-8］進行了模型試驗研究，模型試驗［1］表明，淤泥質海床在修建防波堤等工程后，海床變化速度較快，而在工程修建后地形的基礎上進行試驗，海床繼續發生沖刷，但沖刷速度較慢，研究范圍內年平均沖刷深度在0.02～0.04 m。

4 電廠取排水后海床的演變

6臺機取水后，取排水流量為376.2 m3/s，由于工程尚未運行，沒有取排水后海域的海床資料，本文通過物理模型試驗［1］研究了取排水后海床的演變情況。試驗的初始地形是工程后海域實測地形，試驗水沙條件采用實測半月潮，試驗時間為1 a。

試驗表明，由于排水口排水出流及東、南防波堤的束水導流作用，排水口附近和東、南防波堤外側附近海床發生不同程度的沖刷，而港池的西南側海床變化不大。具體來講：（1）在排水口附近發生較大沖刷，形成明顯的沖刷坑（圖5），圖5中顏色越深，表示沖刷越多，在1～6#排水口前都分別形成1個沖刷坑，并且相互聯結，6個沖刷坑形狀相似，都呈橢圓形，沖刷坑最大深度約2.5 m，沖刷坑長度約100 m。沖刷深度在0.2 m以上的區域也呈橢圓形，長軸約600 m，短軸約130 m，面積約55 000 m2。而在橢圓以外的區域沖刷深度一般小于0.2 m，一般距排水口距離越大，沖刷深度越小。（2）除了排水口附近發生較大局部沖刷外，港池以外其他區域海床總體來說仍發生沖刷，但最大沖刷深度一般不超過0.2 m。通過一些斷面地形比較，在排水口附近的一些斷面，電廠取排水后沖刷幅度較不取水時大，且越靠近排水口，沖刷越多，在港池口門西側，取水和不取水時海床沖淤變化基本一致。

5 結論

對于淤泥質海床，天然條件下，海域處于微淤狀態，年平均淤積厚度約0.009 m；修建防波堤等港池工程后，防波堤的束水導流和導沙作用使得海域防波堤東南側發生明顯沖刷，最大沖刷深度一般在0.6～1.0 m，且距防波堤越遠，沖刷深度越小，沖刷起來的泥沙被漲潮流帶向工程西南側，并在工程西南側附近海域發生淤積。電廠取排水后，主要在排水口前發生較大沖刷，分別形成1個沖刷坑，6個沖刷坑都呈橢圓形，沖刷坑最大深度都在2.5 m左右，長度約100 m，取排水對外海其他區域影響較小。

［1］鄧安軍，陳建國.陽江核電站泥沙運移、海床演變物理模型試驗研究［R］.北京：中國水利水電科學研究院，2009.

［2］楊景飛.廣東陽江核電站1989～1990年觀測資料海流分析成果報告［R］.天津：國家海洋信息中心，1998.

［3］徐錫禎.陽江核電站海域海流、水溫、鹽度和泥沙分析報告［R］.廣州：中國科學院南海海洋研究所，1998.

［4］JTJ213-98，海港水文規范［S］.

［5］中國水利學會泥沙專業委員會.泥沙手冊［M］.北京：中國環境科學出版社，1989.

［6］錢寧，萬兆惠.泥沙運動力學［M］.北京：科學出版社，1983.

［7］竇國仁.河口海岸全沙模型相似理論［C］//竇國仁.竇國仁論文集.北京：中國水利水電出版社，2003.

［8］SL155-1995，水工（常規）模型試驗規程［S］.