連島工程促淤計算方法

王誠超，潘國富，季有俊

連島工程促淤計算方法

王誠超，潘國富，季有俊

（國家海洋局第二海洋研究所，工程海洋學重點實驗室，浙江杭州310012）

通過二維潮流數值模型計算工程前后的潮流形態，利用實測水文泥沙資料確定懸沙沉降方程中的相關系數，同時考慮波浪對泥沙沉降的影響。再運用經過懸沙垂向分布參數β修正過的半理論半經驗懸沙沉降方程計算工程后的沖淤強度，分析比較參數β對圍涂工程沖淤強度計算值的優化效果。結果表明：通過對懸沙沉降公式的簡單修正，預測的沖淤值在準確性上較修正前提高了5%～30%，整體計算沖淤值與實測沖淤值之間的相關系數由91%提高到98%。說明此修正對岔道交錯，流場復雜，懸沙垂向分布在局部不同區域變化大的舟山海域圍墾沖淤計算中有一定實際參考意義。

圍涂工程；潮流模擬；經驗公式；參數β

舟山淺灘、島嶼資源豐富，連島圍涂工程可有效緩解日益緊張的土地局勢。但近海動力條件復雜，目前對圍涂促淤的預測主要是基于工程實踐的半經驗半理論公式。半經驗半理論公式具有運用簡單、準確性符合工程需要的特點，在實踐運用中得到廣泛應用并均取得較好的預測效果。

在一個潮周期中，含沙量隨著潮汐的漲落過程有規律的變化，懸沙垂向濃度的差異對沉降方程在不同海區的運用有較大影響。近底層水沙交換作用直接影響海床沖淤，本文在懸沙沉降計算方程中引入懸沙垂向分布參數β，重點考慮近底層懸沙對沖淤量變化的貢獻。

1　工程海區水沙運動概況

據釣梁圍墾二期工程水沙測驗資料分析，釣梁海域潮汐類型屬正規半日淺海潮，平均潮差2.34 m，實測最大潮差3.62 m，潮波具有不正規駐波性質。平均漲潮流多強于平均落潮流，實測最大漲落潮流速1.67～1.80 m/s，位于黃它山以東水道。平均含沙量0.26~0.55 kg/m3，隨水深增加含沙量逐漸升高。懸浮體的主要粒級為0.002~ 0.032 mm，優勢粒級為0.004~0.016 mm，顆粒組成以粉砂為主，其次為黏土，表層沉積物分析表明工程水域底質為黏土質粉砂。

2　潮流泥沙計算模型

2.1二維潮流模型

采用平面二維的淺水潮波運動方程，包括連續方程和動量方程[1]：

邊界處理：固邊界取法向流速為零；潮灘區用動邊界處理；開邊界采用水位控制[2]。

2.2沖淤計算方程

粉砂質海岸的1個潮周期淤積強度的計算方程[3]為：

式中：S1、S2為工程前后的含沙量，kg/m3；S*1、S*2為工程前后的挾沙能力，kg/m3；ω為懸沙沉降速度；α為沉降幾率；γc為泥沙干重度。以淤積為正，沖刷為負。根據數值模擬工程應用實例，泥沙的邊界條件按工程前后不變計算，即S1=S2；工程實施前該海域為沖淤平衡狀態，即S1=S*1。

式（4）簡化為：

則1 a的沖淤強度為：

式中：n為1 a中潮數；T為潮周期，s。

在二維的泥沙計算模型中，挾沙力、含沙量是以垂向平均值的形式給出的，沒能反應含沙量或挾沙力在垂向上的梯度分布。近底層高含沙水體與底床泥沙直接接觸，實現懸移質與床沙的相互轉換。近底層懸沙應該是大部分海床沖淤的物質來源，因此對式（5）進行改寫為：

為求解方程（7），本文引入參數β，即近底層的含沙量值與垂向平均含沙量值的比。則式（7）為：

挾沙力S*1、S*2為時間T的函數，式（8）在1個潮周期上對T積分，即可得1個潮周期時間段的沖淤強度值。

2.3挾沙能力公式

近岸海區含沙量不僅與風浪和潮流關系密切，也與水深和泥沙沉降速度等有關。參考劉家駒[4]對近岸水體挾沙力的研究，在風浪和潮流作用下挾沙力公式為：

參數k、m和α需根據實測資料進行率定；波生流Vw計算時波浪數據采用工程布設在9號站的1 a實測資料。

根據釣梁二期工程實測的水文泥沙資料對挾沙力公式進行參數擬合，得到式（9）中k=5.21，m=1.85，α=0.53。

2.4淤積物干重度γt

根據Koelzer提出的計算淤積物干重度與淤積歷時關系的經驗公式[5]：

式中：γ0=1 750d0.18350為床面泥沙初始干重度；d50為底質中值粒徑；B為常數，根據杭州灣底質特性本文取值160。

2.5絮凝沉速ω

釣梁海域懸沙主要以絮凝體沉降，懸沙沉速受水流速度控制，可表示為[6]：ω=0.01 cm/a，|v|≥50 cm/s；ω=0.06-0.001×|v|，|v|＜50 cm/s。

2.6沉降概率α

根據竇國仁的假定：豎向脈動流速的出現幾率等于泥沙的沉降幾率[7]α=0.5+φ（ω/σ），函數φ（ω/σ）可由ω/σ與φ（ω/σ）對應關系查得。計算概率α主要分布在0.45～0.65。

2.7含沙量垂線分布參數β

底部含沙量濃度一般高于其他層次的濃度，因此β取值大于1。根據9個測站的水文泥沙數據建立簡單的計算公式：式中：系數η通過實測資料擬合得到，本研究區域η取值0.02。根據實測水文泥沙資料，釣梁工程區域的β取值約為1.1～1.6。

3　二維潮流數值模型驗證

模型計算范圍為舟山本島以東黃大洋海域，東至黃大洋東部海域，北接衢山列島，南到普陀山。模型采用曲線正交網格，網格最大空間步長200 m，在工程區域將網格加密至20 m。形成25 620個單元和9 520個節點的計算網格。動邊界采用0.05 m作為“干濕”判斷標準的臨界水深，時間步長1min。模型根據2012年8—9月實測的水文資料進行驗證。本模型潮位站1個、潮流站9個，布設如圖1所示。

圖1　工程區域及測站位置示意Fig.1 Sketch map of the project area and observation stations

潮位驗證：限于篇幅，本文僅列出大潮期明顯驗證結果。由圖2所示，模擬的潮位值與實測值擬合良好。

潮流驗證：本模型選取9個工程水文測站中的2號、6號、9號潮流測站進行驗證。工程后大潮最大漲潮流速和最大落潮流速與實測值誤差在0.1～0.3m/s，誤差率控制在15%以內。大潮期間模擬流向與實測流向誤差在10°以內，個別時刻誤差較大。總體而言，模擬的流向和流速令人滿意，基本反映了工程區潮流的實際變化情況，可以用于沖淤計算。

2號驗證結果如圖3所示。

圖2　模型潮位驗證Fig.2 Validation of sim ulated tide

圖3　2號測站流速、流向驗證Fig.3 The verification of velocity and direction in 2nd station

4　流場變化分析

圖4（a）是工程實施前大潮漲急流場，圖4（b）是北Ⅰ、北Ⅱ堤建成后大潮漲急流場。對工程前后的漲潮流流態進行對比，釣梁二期北堤的修建因阻斷騾門漁港水道潮汐通道，對工程附近海域潮流形態產生了較大影響。漲潮時刻，通過螺門漁港水道進入釣梁海域的潮流北進受阻，螺門漁港水道最大漲潮流速由1.30 m/s減小為0.58 m/s，減小幅度為55%。而黃它山—梁橫山水道成為潮流北溯進入灌門水道的唯一通路，大潮最大流速由1.20 m/s增大了0.20 m/s，增加幅度為16%。漲潮流進入螺門漁港水道后，因為北堤的阻斷，潮流因無法北溯而迅速減小，在北堤南側減小到0.2m/s。

圖4　大潮漲急流場Fig.4 The rising fashion field

北堤修建后，螺門漁港水道落潮最大流速由1.19 m/s減小到0.68 m/s，減小幅度為43%。黃它山—梁橫山水道漲落潮流流速增大不到20%，變化幅度小于螺門漁港水道。漲落潮流向在工程實施前后基本不變，漲落潮流向變化幅度均控制在10°以內。這主要是因為螺門深槽基本呈現東西走向，與兩側岸線走向平行，潮流進入水道后因岸線的束窄集流，流向在工程前后變化不大。

5　海床沖淤變化分析

為分析工程實施后的促淤效果，釣梁二期工程項目對圍區布設了82個網格點進行每年的水深定點監測（圖1）。

由于圍墾北堤到2007年7月竣工，潮流二維數學模型模擬的工程后的工況是圍墾北堤建成后的情況，因此本文選取圍墾北堤建成后2008— 2010年共3 a的實測沖淤資料對促淤效果進行實測與計算的對比。

實測淤積量和計算淤積量的部分結果見表1。表中計算值b為未引入參數β計算結果，計算值c為引入參數β計算結果。優化率d=（c-b）/a。通過比較計算值b和計算值c與實測值a相關性大小確定整體計算結果的優化效果，運用統計學原理計算其擬合優化度，計算值b與實測值a相關系數91%，計算值c與實測值的相關系數98%，結果表明引入參數β對預測結果有較大改進。

北堤修建前，流經釣梁海域的潮流強勁，水流挾沙力強，泥沙主要以過境形式運移，整個工程海域處于沖淤平衡狀態。北堤修建后工程海域潮動力顯著減弱，但外海潮動力變化很小，釣梁海域來沙變化不大，造成淤積的因素主要是挾沙力的減小。從外海挾帶的大量泥沙進入螺門漁港水道時在水道深槽內大量淤積。年淤積速率1.9 m/a。潮流繼續流向西北，流速向北減小，但水體含沙量亦沿程減少，從螺門向北至北堤附近泥沙淤積量減少（圖5）。大部分測點引入參數β后的沖淤量計算值與沒有引入參數的計算值情況相比，優化率在5%～30%之間，部分結果如表1。螺門漁港水道等水深較深處，懸沙垂向含量差異顯著，參數β的引入對計算結果的改進效果明顯，優化率值達20%以上。圍區北部暨水深較淺區域，潮流紊動較大，懸沙垂向混合良好，這些區域優化率偏小，一般不到10%。

表1　沖淤效果對比表Table 1 The comparison of erosion and deposition

圖5　沖淤效果Fig.5 Effect of erosion and deposition

6　結語

運用引入懸沙垂向分布參數β的懸沙沉降方程對工程所引起的海床沖淤變化進行計算，分析工程前后潮流的變化形態，對比釣梁海域在引入參數β前后兩種情況下計算的沖淤強度。可得出如下結論；

1）北堤的修建顯著地改變了釣梁海區的潮流形態，圍區內最大流速減小幅度達55%，黃它山附近潮流速度增加了20%左右。泥沙運移形態由過境輸移轉變為岙灣內沉積。在螺門漁港水道泥沙淤積值達1.9m/a，向灣內隨流速減小，淤積強度減弱。

2）計算參數β在對懸沙沉降方程的改進上提高了預測計算的準確性，優化率在5%～30%之間。從本研究案例看，本預測模型對潮汐岔道交錯、峽道效應明顯的島域圍墾工程運用有一定實際意義。

3）浙江沿海是臺風暴潮影響嚴重地區，如何全面的考慮其對圍涂促淤的影響需深入研究，且參數β的計算公式也需有更多數據去優化擬合。

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Calculation methods of siltation in islands link project

WANG Cheng-chao,PANGuo-fu,JIYou-jun
（Second Institute ofOceanography,SOA,Key Laboratory ofEngineering Oceanography,Hangzhou,Zhejiang 310012,China）

Through the before and after wave form of two-dimensional tidal current numerical model calculation of engineering,and using the equation of suspended sediment coefficient of correlation which was confirmed by observed hydrological and sediment data,also taking into account the impact of waves on sediment deposition,and further by applying the intensity of sediment thatwas calculated by the revised semi-theoretical semi-empirical settlementof suspended sediment equation,the sem i-theoretical semi-empirical was corrected by suspended sediment vertical distribution parameterβ,we analyzed and compared the optimize impact of parameterβfor erosion and deposition coating engineering strength calculation values.The results show that:through simple correction of the equation of suspended sediment coefficient of correlation,the predicted erosion values on accuracy would be increased by 5%to 30%then before final correction,the overall correlation coefficientvaluesbetween calculated erosion and measured erosion increased from 91%to 98%.Itproofs that thisamendment has the certain actual reference value for reclamation erosion calculations in Zhoushan sea area where contains different local regions changes,especially on the placesof fork in the staggered,complex flow field,the vertical suspended sediment.

reclamation project;tidal current simulation;empirical formula;parametersβ

U656.2；TV148.6；P753

A

2095-7874（2016）04-0020-06

10.7640/zggw js201604006

2015-11-19

2015-12-29

海洋公益性行業科研專項（201305009）；國家海洋局第二海洋研究所基本科研業務費專項（JT1307）

王誠超（1990—），男，江西撫州市人，碩士，主要從事河口海岸過程及工程應用研究。E-mail：13342262085@163.com