象山縣西滬港海洋生態環境修復工程物理模型試驗研究*

范紅霞，王建中，朱立俊

(南京水利科學研究院 南京 210024)

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象山縣西滬港海洋生態環境修復工程物理模型試驗研究*

范紅霞，王建中，朱立俊

(南京水利科學研究院 南京 210024)

在分析現場實測資料和進行大米草阻力模擬水槽試驗的基礎上，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動與原體的較好相似，分別通過潮汐水流定床和懸沙淤積動床模型試驗，對象山縣西滬港海洋生態環境修復工程實施前后工程區附近潮汐運動特征、潮流場結構變化和海床淤積情況進行了研究，并分析了工程對軍港等重要設施的影響，為項目立項報批及決策提供科學依據，對今后我國大米草綜合治理以及類似的海洋生態環境修復工程具有重要的指導意義。

西滬港；大米草；環境修復工程；模型試驗；影響

在20世紀80年代寧波市為了消浪保堤開始從國外引進大米草，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，至近年經測量總面積已近1 000 hm2。由于大米草的快速生長，造成西滬港內納潮空間縮小、潮流動力削弱、灘涂快速淤漲，并改變了灘涂泥質條件，減弱了海水的交換能力，使得水質惡化，自然水產資源銳減，海洋生態環境及生態系統遭到破壞，同時也對西滬港軍事港區的通航條件和軍事設施安全構成嚴重威脅。

為治理大米草對西滬港造成的生態危害，象山縣政府擬啟動西滬港海洋生態環境修復工程。其委托國家海洋局寧波海洋開發研究院就西滬港大米草的治理方法進行了專題研究[1-2]，后者認為在化學除草劑治理尚存在巨大的環境風險的情況下，人工機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域內作為修復工程的主體措施。本研究采用潮流泥沙整體物理模型試驗的技術手段，通過潮汐水流定床和懸沙淤積動床模型試驗，對工程前后工程區附近潮汐運動特征、潮流場結構變化和海床淤積情況進行了研究，并分析了工程的主要影響，為項目立項報批及決策提供科學依據，對今后我國大米草綜合治理以及類似的海洋生態環境修復工程具有重要的指導意義。

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，為一個由東北向西南深入內陸的狹長半封閉型港灣，縱深約60 km[3-8]。大米草危害嚴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動主要是由于太平洋潮波引起的諧振動形成，進入港內潮波不再保持外海前進波的性質，表現為以駐波為主的混合潮波。

2011年7月22日至8月21日，大、中、小潮水文測驗資料表明：象山港海區屬于正規半日潮，潮差較大，且從口門往港底逐漸增大。口門蒲門站最大潮差為4.79 m，上中部西滬港站最大潮差為5.38 m，而接近港底強蛟站的最大潮差達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；象山港水域呈現漲潮歷時長于落潮歷時的不對稱現象，支港西滬港漲落潮歷時相差1 h 48 min。

象山港及支港西滬港的海岸廊線和地形對潮汐水流運動起控制作用，灣內以往復流形式為主，漲、落潮流方向與海床等深線方向基本一致。落潮流動力強于漲潮流，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。西滬港內大潮實測最大流速為0.93 m/s。漲潮流最大流速出現在最高潮位前2～3 h，而落潮流最大流速則出現在最低潮位前2～3 h，憩流或轉流多發生在平潮前后。

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。西滬港內大、小潮汛時懸沙中值粒徑分別為0.005 7 mm和0.005 2 mm。海床底質分為3類：黏土質粉砂、含貝殼黏土質粉砂和貝殼砂。

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43 m，貓頭嘴外達 44 m。西滬港北向東延伸形成一支港——白墩港。西滬港港內腹部水深一般僅3～6 m，風平浪靜，潮緩灘淺，四周分布有亂堍大涂等8個舌狀灘涂，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。白墩港的進港航道繼續保持由寬變窄，由深漸淺的狀況，一般水深維持在1～3 m。西滬港內5 m深槽和東側灘涂略有沖刷，南側和西側灘涂略有淤積，亂堍大涂與西側近岸間出現半封閉漲潮溝。總體來看，42年間西滬港海床保持相對穩定，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，白墩港進港航道內有輕微的淤積，港內潮間帶灘涂上大米草瘋長蔓延而導致潮流動力減弱，挾沙能力降低，從而引起灘面淤高，涂面年淤厚速率可達0.05～0.10 m/s；灘涂間的指狀潮溝和亂堍涂西側近岸潮溝均發生不同程度的淤積，淤厚一般在0.05～0.80 m。因此，應及早根除大米草，還西滬港一方潮漲潮落、自由呼吸的空間。

3 工程方案概況

本項工程主要目的為修復大米草對西滬港造成的嚴重生態環境破壞。治理的范圍為整個西滬港內大米草灘涂分布區，根據2011年5月西滬港內大米草集中分布區域的現場測量結果，共計13處集中區塊，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，同時在港底新建海堤一條，將棄土置于圍堤內。涉海工程主要由大米草挖除、一條海堤(堤長3 700 m，堤內面積為405.6 hm2)、兩座納排閘等組成。

4 潮流泥沙整體模型試驗

4.1 模型概況

4.1.1 模型設計

由于試驗的主要任務是研究互花米草集中區塊挖除及圍堤后西滬港內潮流場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為主的技術手段來滿足研究需要。模型設計除應滿足水流運動相似外，還應滿足懸沙運動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，進行了阻力特性水槽試驗。水槽寬0.5 m，高1 m，長30 m，中間設玻璃壁面觀察段3 m。

從西滬港內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。將截斷后的大米草樣本豎向均勻密排固定在水槽底部，測量不同水深和流速條件下試驗觀察段的水面比降變化，共進行了約80組的糙率測定試驗。試驗結果表明，大米草糙率與排列密度基本成線性相關關系。當每平方米大米草排列密度分別為200株、400株、600株和800株時，其平均糙率分別為0.10、0.14、0.175和0.213。根據現場調查狀況，西滬港內大米草的排列密度最高可達800株，因此其糙率可達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，阻水作用相當明顯。

根據以往的試驗研究經驗，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。試驗結果表明：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中大米草的柔性模擬物，符合本模型試驗設計中糙率比尺為0.833的相似要求。

4.2 模型驗證

4.2.1 潮汐水流定床模型驗證

采用收集到的2011年7-8月象山港海域實測大、中、小潮全潮水文測驗(包含4個臨時潮位站、13條定點垂線)、2011年4-5月西滬港海域實測大、小潮全潮水文測驗(包含1個臨時潮位站、9條定點垂線)資料，對模型進行了水動力驗證。驗證試驗結果表明：所建立的物理模型較好地復演了象山港海域潮汐水流運動情況。

4.2.2 懸沙淤積動床物理模型驗證

實測地形資料表明：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，共淤積458萬m3。懸沙淤積動床模型驗證試驗結果為共淤積了553萬m3，淤積量誤差為20.8%。模型較好地模擬了工程區附近海域的泥沙運動，其淤積形態基本相似、淤積總量接近。

4.3 潮汐水流定床工程方案試驗

4.3.1 工程后流態變化

西滬港口門至徐家軍港碼頭段漲、落潮流往復運動特征明顯，工程前冬季期海面有大量的大米草枯枝敗葉隨波逐流，流態較差，且碼頭后方灘涂有大片的大米草，過流嚴重不暢；工程后進港航道、碼頭前沿及碼頭后方流線較平順，特別是冬季期間流態改善較明顯，同時大米草集中區高程疏浚下降1 m后，潮流動力明顯增強，漲潮時漫向灘面擴散，落潮時集中歸槽，灘面流態明顯改善；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較平順。

4.3.2 工程后潮量變化

潮汐通道內的進潮量和落潮量的變化，是衡量工程興建對潮流場影響程度的重要指標之一。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大，對潮量有增加的貢獻，基本抵消了工程因圍堤對潮量損失的影響。

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潮流動力增強，流速自0～0.10 m/s增加至0.10～0.40 m/s；西滬港內灘涂間有較發育的潮溝，工程后溝內潮流動力有所減弱，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域為流速減小區，近堤流速最大減幅達接近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 懸沙淤積動床工程方案試驗

(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。工程前進港航道和碼頭前沿水深10～35 m，工程后輕微的淤積對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)工程后擬建圍堤截斷了堤身處原有的漲、落潮流路，堤前海域出現較大范圍的緩流區，因此工程后堤前海床不可避免地表現為一定量的淤積。試驗結果表明：方案實施后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)大米草集中挖除區灘面降低，過灘潮流動力增強，輸沙量相對增大，從而引起回淤。5年末回淤厚度為0.10～0.40 m；各挖除區內的年均回淤速率為0.025～0.064 m/a。；回淤率為12%～30%；回淤量與挖除區面積、回淤速率密切相關，總回淤量為230.3萬m3。

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

5 結論

基于實測資料分析，通過水槽試驗和整體潮流泥沙物理模型試驗研究，得到如下結論。

(1)1964—2005年間，西滬港海床演變保持相對穩定。2005年至今，港內潮間帶灘涂上大米草瘋長蔓延而導致潮流動力減弱，引起灘面淤高；若大米草瘋長態勢不加控制，則納潮空間將進一步壓縮，軍港、民用港航道條件和海洋生態功能將嚴重惡化。

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

(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大，對潮量有增加的貢獻，抵消了工程因圍堤對潮量損失的影響。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，港內中部深水區域潮流流速略有降低；圍堤前沿流速減小；港內灘涂大米草挖除區過灘漲、落潮流動力明顯增強。

(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，港內中部海域海床淤積比正常自然淤積量略大，堤前海床出現一定量的淤積。大米草挖除區將出現一定程度的回淤，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)綜合工程對流態、潮量、流場、淤積的影響情況，工程的興建不會改變象山港的潮汐運動性質和整體潮流場結構特征，對西滬港外海域沒有淤積影響。采取浚深1 m、機械挖除大米草并把棄土堆放在港底高灘圍堤內的措施，其工程負面影響很小。本工程思路和研究成果可作為我國其他地區大米草綜合治理以及類似的海洋生態環境修復工程可行性論證借鑒。

[1] 楊和福， 等. 象山縣西滬港大米草治理方法研究專題報告[R]. 寧波: 國家海洋局寧波海洋開發研究院， 2012．

[2] 馮輝強. 象山港生態環境修復治理探討[J]. 海洋開發與管理， 2010， 27(9): 54-56．

[3] 毛翰宣， 張亦飛， 寧順理，等. 象山港海灣資源開發累積生態效應的解釋結構分析[J]. 海洋環境科學， 2013(1): 99-103．

[4] 朱軍政. 象山港三維潮流特性的數值模擬[J]. 水力發電學報， 2009， 28(3): 145-151．

[5] 謝鳴，等. 奉化市象山港避風錨地建設工程水文測驗報告[R]. 杭州: 國家海洋局第二海洋研究所， 2011．

[6] 魏輝，等. 象山縣西滬港海洋生態環境修復工程水文、泥沙測驗分析報告[R]. 寧波: 中國人民解放軍92899部隊， 2011．

[7] 曾相明， 管衛兵， 潘沖. 象山港多年圍填海工程對水動力影響的累積效應[J]. 海洋學研究， 2011，29(1): 73-83．

[8] 周鴻權， 李伯根. 象山港航道沖淤變化初步分析[J]. 海洋通報， 2007，26(4): 34-40．

[9] 竇希萍， 王向明， 婁斌，等.模型變率對潮流定床和動床模型試驗結果的影響研究[J]. 泥沙研究， 2007(4): 1-9．

[10] 王建中，范紅霞，朱立俊.象山縣西滬港海洋生態環境修復工程物理模型試驗研究報告[R]. 南京: 南京水利科學研究院， 2013.

水利部“948”項目(201303)；國家重點基礎研究計劃“973”項目(2012CB417001).

P74;X171;X820

A

1005-9857(2015)03-0086-05