茂名市水東灣綜合整治工程對水沙動力影響模擬研究

（1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津300222；2.天津市水利勘測設計院，天津300204；3.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456；4.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222）

茂名市水東灣綜合整治工程對水沙動力影響模擬研究

秦福壽1，楊澤君2，姚姍姍3，李姍4

（1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津300222；2.天津市水利勘測設計院，天津300204；3.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456；4.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222）

通過潮流泥沙及水體交換數學模型試驗，模擬了茂名市水東灣綜合整治工程實施后灣內流場變化、水體交換能力及泥沙淤積情況。研究結果表明，方案實施后，潮汐通道內平均流速最大可增加0.1～0.4 m/s，且灣內水體交換能力大幅提升，月交換率從現狀的65%提高到86%左右。此外，由于灣內泥沙來源不足，方案實施后正常年淤積十分有限，平均年淤強僅0.15 m/a。總體而言，綜合整治方案是有效的。

數學模型；水沙環境；水體交換；泥沙淤積

0 引言

在歷史研究中，對半封閉海灣內工程建設對水沙環境的影響多采用數學模型試驗手段。羅鋒[1]、劉浩[2]等人分別對樂清灣、深滬灣內的納潮量及水體交換情況進行了研究；許雪峰[3]、沈林杰[4]等人探討了圍墾工程建設對三門灣及河口地區水交換及泥沙淤積的影響；王靖鑫[5]利用二維潮流、泥沙數學模型，從水體交換能力和泥沙輸運角度，探尋了旅順琥珀灣工程治理的合理方案。

圖1 擬建工程海區形勢及水下地形Fig.1 Proposed sea area situation and underwater topographic of the project

本文以水東灣綜合整治工程方案為依據，通過平面二維潮流泥沙及水體交換數學模型試驗手段，模擬了整治工程實施后灣內水體交換能力及泥沙沖淤情況，研究結論可為相關決策提供科學依據。

1 研究區域概況

水東灣地貌屬典型沙壩—潟湖體系，潟湖灣與外海通過狹長潮汐通道連接，其中潮汐通道寬700 m、長6 km、深9 m，口外有攔門沙發育。圖1中示意了水東灣海域地形地貌情況。解鳴曉等人于2012年9月—10月曾對水東灣水沙條件開展了較詳盡的現場水文泥沙勘測工作，包括大、中、小潮潮位測量、流速流向測量及泥沙底質取樣及分析等（測站位置見圖2）。據實測數據統計，工程海域潮汐類型為不規則半日潮，潮汐通道內大潮平均流速0.3~0.5 m/s，最大流速可達1.0 m/s，外海主導波向為S-E向。海域含沙量較低，正常天氣下一般在0.06 kg/m3內，懸沙中值粒徑在0.009~0.012 mm。外海床面底質以細沙、中粗砂為主，潟湖內主要為黏土質粉砂，底質分布類型如圖3所示。

圖2 工程海域水文測站位置圖

圖3 水東灣底質類型分布Fig.3 Bottom material type distribution of Shuidong Bay

2 規劃整治方案介紹

為改善當前水東灣內水體交換較差的現狀，修復灣內水質及地貌景觀，規劃綜合整治方案擬將灣內除紅樹林區外水域進行疏浚，疏浚底高程為-3.0 m（56黃海高程，下同），并對大洲島周邊進行適當圍墾造陸，擴大中心島嶼面積。此外，同時考慮正在實施的水東港總體規劃起步方案，其中航道浚深底高程為口外段-14.3 m，口內段-12.3 m。圖4中示意了綜合整治方案的平面布置形式。

圖4 水東灣及水東港總體規劃方案布置圖Fig.4 Overall planning of Shuidong Bay and Shuidong Port

3 數學模型建立及驗證

3.1 潮流數學模型

潮流數學模型理論采用平面二維淺水方程組，其基本形式見式（1）~式（3）。

磨合過程的實質是一個摩擦副從一個機加工的原始狀態經過動態磨損而達到的低磨損的階段過程，即經過一個負載從小到大，轉速從低到高的磨合，使摩擦副處于低磨損表面狀態的過程，這時柴油機才能出廠并在正常的負荷條件下使用。

模擬中計算域剖分采用無結構三角形網格，并采用多尺度模型嵌套手段。圖5中示意了模型計算范圍與網格配置情況，其中最小網格尺度為30 m。大尺度模型潮位邊界條件由東中國海潮波運動模型提供，并考慮8個主要分潮（S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1，M2）。

圖5 模型計算域及網格配置Fig.5 Model calculation domain and grid configuration

式中：h為總水深；g為重力加速度；u和v分別為垂線平均流速在x，y方向上的分量；f為科氏力系數；ρ為水體密度；Ex，Ey分別為x，y方向的水平紊動黏性系數，可由Smagorinsky方程求解；τbx，τby分別為床面剪切力在x，y方向的分量；Sxx，Sxy，Syx，Syy分別為波浪輻射應力的各向分量。

3.2 水體交換數學模型

水體交換模擬采用Euler思路，通過在所研區域內設置守恒性示蹤劑，并根據其對流擴散分布判斷交換情況，控制方程見式（4）。

式中:C為守恒性物質濃度；Dwx，Dwy分別為x，y方向的物質擴散系數，可取為和紊動黏性系數相等；F為物質衰減系數，守恒性物質取為0。

3.3 泥沙數學模型

根據底質分布情況，水東灣潟湖內底質為黏土質粉砂，而外海則為細沙或粗、中砂，因此在泥沙運動模擬中應同時考慮懸移質與推移質作用。懸沙運動基本方程如式（5）。

式中:S為沿深度平均的含沙量；S*為波流共同作用下的挾沙力；α為沉降幾率；ω為泥沙沉速；Dx，Dy分別為泥沙水平擴散系數。

懸沙及底沙引起的地形沖淤變化如式（6），底沙引起的地形沖淤變化如式（7）、式（8）。

式中：ηb為底高程；γb為床面泥沙容重；qx，qy分別為x，y方向的單寬底沙輸移量，可由竇國仁公式求解。

模型驗證依據2012年9月現場實測大、中、小潮水文測驗數據（測點位置見圖2）。為節約篇幅，僅以大潮為例給出了部分測站潮位、流速流向及含沙量驗證結果，如圖6~圖7中所示。其它驗證成果可見文獻[7]。據統計，計算值與實測值吻合良好，符合現行《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》要求。

圖6 大潮潮位、流速流向驗證Fig.6 Verification of the tide level and the flow velocity and direction

圖7 大潮含沙量驗證Fig.7 Verification of the tide sediment concentration

4 綜合整治方案建設對水沙環境影響

4.1 流速變化情況

圖8和圖9中分別示意了現狀及工程實施后大潮漲、落急流速矢量圖。由模擬結果可見，現狀條件下，水東灣海域潮流運動呈典型往復流態，漲、落潮時口門處潮流運動呈輻聚和輻散態，其中外海流速較低，潮汐通道及潟湖內潮溝處流速較高。綜合整治工程實施后，大范圍流態未改變，但灣內由于疏浚加深，從而低潮位不再露灘，灣內景觀效果可得到改善。此外，方案整治后，漲潮時水東灣東部存在小范圍回流。

為比較工程建設后灣內及潮汐通道內流速變化量值，布置取樣點如圖10，各取樣點工程前后平均流速見表1。分析可現，方案實施后，由于疏浚導致灣內納潮容積擴大，從而將吸納更多潮體進入潟湖，而潮汐通道作為聯系外海和潟湖的紐帶，其流速有所增強，大潮平均在0.4~0.6 m/s左右，較工程前增幅介于0.1~0.4 m/s；而對于潟湖內，由于地形浚深，漲落潮時流速略有降低，灣內流速普遍減小，特別是大洲島西側及灣內東北側水域均處在弱流區。

圖8 現狀大潮漲、落急流場圖Fig.8 Flow chart of the maximum ebb and flow of the current tide

圖9 方案實施后大潮漲、落急流場圖Fig.9 Flow chart of the maximum ebb and flow of the tide after construction

圖10 灣內及潮汐通道流速取樣點位置Fig.10 Flow velocity sampling point in the tidal inlet

表1 各取樣點流速特征值及變化Table 1 The characteristic values and changes of the flow velocity in sampling points m·s-1

4.2 水體交換能力

對灣內水體交換的模擬采用基于Euler思路的示蹤劑法。計算初始時刻在水東灣內設置濃度為1.0 g/L的守恒性物質，而其它區域濃度則設置為0，計算時段采用連續潮作用30 d。水體交換率定義為自灣內擴散至灣外的物質總量占灣內初始物質總量的百分比。圖11中給出了現狀及綜合整治方案實施后水東灣的水體交換率時間過程。

經分析，現狀條件下灣內存在廣闊潮灘，落潮時可大面積出露，且灣內地形坑洼不均，使得落潮時相當一部分水體被滯留在灣內，形成水體交換的“死角”，同時，近年來灣內的持續圍墾使得灣內納潮容積進一步降低，導致潟湖內納潮能力不足。因此，現狀條件下灣內月交換率僅在65%左右。

然而，總體規劃方案實施后，灣內浚深使得低潮位時已不再露灘，水體交換的“死角”被消除，且由于灣內及航道疏浚導致納潮容積增大，潮汐通道內流速相應增強，更多外海潮體可被吸納進入灣內，因此水體交換率可有較大幅度提高，月交換率可達86%，較現狀條件下同比提升約10%~30%。

4.3 灣內泥沙淤積

通過泥沙運動及地形沖淤數值模擬，圖12中給出了灣內疏浚后不同位置處的正常年淤強分布。經統計，綜合整治方案實施后，水東灣內平均正常年淤強約0.15 m/a。

總體來說，水東灣內疏浚后，正常年淤積較輕。究其原因，水東灣屬典型半封閉潟湖結構，各向外海來浪均受掩護，且小風區成浪波高較小，從而掀沙能力很弱。其次，由于各條入灣河流上游均已建閘，從而潟湖內無充足沙源補給。第三，水東海域外海屬沙質海岸，泥沙主要以床面附近推移運動為主，特別是在潮汐通道底高程達-14.3 m條件下，推移泥沙運動至潮汐通道時可迅速沉降，自底部運移至灣內的可能性極低。第四，工程海域懸沙濃度本身較小，實測大潮含沙量僅在0.06 kg/m3以內。綜上分析，水東灣內疏浚后無法形成較強的淤積，這與模擬結論相一致。

圖11 水東灣內水體交換率時間過程Fig.11 Time course of the water exchange rate in Shuidong Bay

圖12 規劃方案灣內正常年淤強分布（單位：m/a）Fig.12 The normal sedimentation distribution in Shuidong Bay of the planning（m/a）

5 結語

本文通過潮流泥沙及水體交換數學模型試驗手段，模擬了水東灣綜合整治工程實施后的流場變化、灣內水體交換及泥沙淤積情況，經總結得到以下主要結論。

1）綜合整治方案實施后，灣內及航道疏浚擴大了納潮容積，潮汐通道內流速較現狀有所增強，大潮增幅在0.1~0.4 m/s之間，灣內流速略有減弱。

2）現狀條件下，灣內水體交換不暢，連續潮作用1個月后水體交換率僅65%；方案實施后，水體交換能力大幅改善，月水體交換率可達到86%，較現狀同比提升10%~30%。

3）方案實施后，水東灣內平均正常年淤強0.15 m/a，量級十分有限。

總體而言，水東灣綜合整治方案建設后，可有效增強潮汐通道內流速，并大幅改善水體交換能力，并不會引起較強的灣內淤積，因此方案規劃是有效的。

[1]羅鋒，廖光洪，楊成浩，等.樂清灣水交換特征研究[J].海洋學研究，2011，29（2）：79-88. LUO Feng，LIAO Guang-hong，YANG Cheng-hao，et al.Study on water exchange characteristics in Leqing Bay[J].Journal of Marine Sciences，2011，29（2）：79-88.

[2] 劉浩，潘偉然，駱智斌.深滬灣水交換特性的研究[J].海洋環境科學，2008，27（2）：157-160. LIU Hao，PAN Wei-ran，LUO Zhi-bin.Study on water exchange characters in the Shenhu Bay[J].Marine Environmental Science，2008，27（2）：157-160.

[3]許雪峰，羊天柱.三門灣多個圍墾工程的整體影響數學模型研究[J].海洋學研究，2006，24（S）：49-59. XU Xue-feng，YANG Tian-zhu.Mathematical model study on overall impact of Sanmenwan Bay reclamation project[J].Journal of Marine Sciences，2006，24（S）：49-59.

[4]沈林杰，陳道信，黃惠明.溫州圍墾工程對河口水交換能力的影響[J].海洋學研究，2009，27（4）：72-76. SHEN Lin-jie，CHEN Dao-xin，HUANG Hui-ming.Impact of reclamation project on the water exchange capacity of the estuaries in Wenzhou[J].Journal of Marine Sciences，2009，27（4）：72-76.

[5]王靖鑫.旅順琥珀灣水質整治方案研究[D].大連：大連理工大學碩士學位論文，2013. WANG Jing-xin.Study on water quality improvement plan of Hupo Bay in Lvshun[D].Dalian：Master Dissertation of Dalian University of Technology，2013.

[6]解鳴曉，韓志遠.茂名市水東灣現場水文泥沙勘測及調查資料匯編[R].天津：交通運輸部天津水運工程科學研究院，2012. XIE Ming-xiao，HAN Zhi-yuan.The hydrological and sediment survey on site of Shuidong Bay in Maoming and the survey data collection[R].Tianjin：Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，M.O.T.，2012.

[7]解鳴曉，姚姍姍.茂名市水東灣水動力及水體交換數學模型試驗研究[R].天津：交通運輸部天津水運工程科學研究院，2013. XIE Ming-xiao，YAO Shan-shan.Mathematical model investigation of hydrodynamic force and water exchange of Shuidong Bay in Maoming[R].Tianjin：Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，M.O.T.，2013.

Numerical modeling of the ompact on hydrodynamics and sedimentation of the regulation scenario of Shuidong Bay in Maoming

QIN Fu-shou1，YANG Ze-jun2，YAO Shan-shan3，LI Shan4
（1.CCCC First Harbor Consultants Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China；2.Tianjin Water Survey and Design Institute，Tianjin 300204，China；3.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，M.O.T.，Tianjin 300456，China；4.Tianjin Port Engineering Institute Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Company Ltd.，Tianjin 300222，China）

Based on the mathematical model test of tidal current&sediment and water exchange，the tidal currents variation，water exchange ability，and sedimentation of the regulation scenario of Shuidong Bay is simulated.The results show that after the construction of the regulation scenario，the mean speed increases with the maximum of 0.1~0.4 m/s in the tidal inlet，and the water exchange ability is increased significantly that the monthly water exchange rate increases to 86%compared to the present rate is only 65%.Besides，because the sediment supply is not abundant，the normal sedimentation is very limited after the construction，the mean annual sedimentation rate is only 0.15 m/a.In general，the comprehensive improvement scheme is effective.

numerical model；hydro-sedimentological environment；water exchange；sedimentation

U617

：A

：1003-3688（2014）03-0051-06

10.7640/zggwjs201403010

2013-10-08

2013-11-28

秦福壽（1964— ），男，河北保定人，高級工程師，主要從事港口航道工程研究。E-mail：qinfushou2004@163.com