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(xué)重點(diǎn)實驗室，浙江杭州310012）

通過二維潮流數(shù)值模型計算工程前后的潮流形態(tài)，利用實測水文泥沙資料確定懸沙沉降方程中的相關(guān)系數(shù)，同時考慮波浪對泥沙沉降的影響。再運(yùn)用經(jīng)過懸沙垂向分布參數(shù)β修正過的半理論半經(jīng)驗懸沙沉降方程計算工程后的沖淤強(qiáng)度，分析比較參數(shù)β對圍涂工程沖淤強(qiáng)度計算值的優(yōu)化效果。結(jié)果表明：通過對懸沙沉降公式的簡單修正，預(yù)測的沖淤值在準(zhǔn)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(guān)系數(shù)由91%提高到98%。說明此修正對岔道交錯，流場復(fù)雜，懸沙垂向分布在局部不同區(qū)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(jīng)驗公式；參數(shù)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(fù)雜，目前對圍涂促淤的預(yù)測主要是基于工程實踐的半經(jīng)驗半理論公式。半經(jīng)驗半理論公式具有運(yùn)用簡單、準(zhǔn)確性符合工程需要的特點(diǎn)，在實踐運(yùn)用中得到廣泛應(yīng)用并均取得較好的預(yù)測效果。

在一個潮周期中，含沙量隨著潮汐的漲落過程有規(guī)律的變化，懸沙垂向濃度的差異對沉降方程在不同海區(qū)的運(yùn)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(shù)β，重點(diǎn)考慮近底層懸沙對沖淤量變化的貢獻(xiàn)。

1　工程海區(qū)水沙運(yùn)動概況

據(jù)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(guī)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(guī)駐波性質(zhì)。平均漲潮流多強(qiáng)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(yōu)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(zhì)為黏土質(zhì)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(yùn)動方程，包括連續(xù)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(qū)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(zhì)海岸的1個潮周期淤積強(qiáng)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(fù)。根據(jù)數(shù)值模擬工程應(yīng)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(tài)，即S1=S*1。

式（4）簡化為：

則1 a的沖淤強(qiáng)度為：

式中：n為1 a中潮數(shù)；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(yīng)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(xiàn)懸移質(zhì)與床沙的相互轉(zhuǎn)換。近底層懸沙應(yīng)該是大部分海床沖淤的物質(zhì)來源，因此對式（5）進(jìn)行改寫為：

為求解方程（7），本文引入?yún)?shù)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(shù)，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(qiáng)度值。

2.3挾沙能力公式

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

參數(shù)k、m和α需根據(jù)實測資料進(jìn)行率定；波生流Vw計算時波浪數(shù)據(jù)采用工程布設(shè)在9號站的1 a實測資料。

根據(jù)釣梁二期工程實測的水文泥沙資料對挾沙力公式進(jìn)行參數(shù)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(jù)Koelzer提出的計算淤積物干重度與淤積歷時關(guān)系的經(jīng)驗公式[5]：

式中：γ0=1 750d0.18350為床面泥沙初始干重度；d50為底質(zhì)中值粒徑；B為常數(shù)，根據(jù)杭州灣底質(zhì)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(jù)竇國仁的假定：豎向脈動流速的出現(xiàn)幾率等于泥沙的沉降幾率[7]α=0.5+φ（ω/σ），函數(shù)φ（ω/σ）可由ω/σ與φ（ω/σ）對應(yīng)關(guān)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(shù)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(jù)9個測站的水文泥沙數(shù)據(jù)建立簡單的計算公式：式中：系數(shù)η通過實測資料擬合得到，本研究區(qū)域η取值0.02。根據(jù)實測水文泥沙資料，釣梁工程區(qū)域的β取值約為1.1～1.6。

3　二維潮流數(shù)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(wǎng)格，網(wǎng)格最大空間步長200 m，在工程區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格加密至20 m。形成25 620個單元和9 520個節(jié)點(diǎn)的計算網(wǎng)格。動邊界采用0.05 m作為“干濕”判斷標(biāo)準(zhǔn)的臨界水深，時間步長1min。模型根據(jù)2012年8—9月實測的水文資料進(jìn)行驗證。本模型潮位站1個、潮流站9個，布設(shè)如圖1所示。

圖1　工程區(qū)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(jié)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(jìn)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(nèi)。大潮期間模擬流向與實測流向誤差在10°以內(nèi)，個別時刻誤差較大?？傮w而言，模擬的流向和流速令人滿意，基本反映了工程區(qū)潮流的實際變化情況，可以用于沖淤計算。

2號驗證結(jié)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(tài)進(jìn)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(tài)產(chǎn)生了較大影響。漲潮時刻，通過螺門漁港水道進(jìn)入釣梁海域的潮流北進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(cè)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(nèi)。這主要是因為螺門深槽基本呈現(xiàn)東西走向，與兩側(cè)岸線走向平行，潮流進(jìn)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(qū)布設(shè)了82個網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行每年的水深定點(diǎn)監(jiān)測（圖1）。

由于圍墾北堤到2007年7月竣工，潮流二維數(shù)學(xué)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(jìn)行實測與計算的對比。

實測淤積量和計算淤積量的部分結(jié)果見表1。表中計算值b為未引入?yún)?shù)β計算結(jié)果，計算值c為引入?yún)?shù)β計算結(jié)果。優(yōu)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(guān)性大小確定整體計算結(jié)果的優(yōu)化效果，運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)原理計算其擬合優(yōu)化度，計算值b與實測值a相關(guān)系數(shù)91%，計算值c與實測值的相關(guān)系數(shù)98%，結(jié)果表明引入?yún)?shù)β對預(yù)測結(jié)果有較大改進(jìn)。

北堤修建前，流經(jīng)釣梁海域的潮流強(qiáng)勁，水流挾沙力強(qiáng)，泥沙主要以過境形式運(yùn)移，整個工程海域處于沖淤平衡狀態(tài)。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(jìn)入螺門漁港水道時在水道深槽內(nèi)大量淤積。年淤積速率1.9 m/a。潮流繼續(xù)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(diǎn)引入?yún)?shù)β后的沖淤量計算值與沒有引入?yún)?shù)的計算值情況相比，優(yōu)化率在5%～30%之間，部分結(jié)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(shù)β的引入對計算結(jié)果的改進(jìn)效果明顯，優(yōu)化率值達(dá)20%以上。圍區(qū)北部暨水深較淺區(qū)域，潮流紊動較大，懸沙垂向混合良好，這些區(qū)域優(yōu)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(jié)語

運(yùn)用引入懸沙垂向分布參數(shù)β的懸沙沉降方程對工程所引起的海床沖淤變化進(jìn)行計算，分析工程前后潮流的變化形態(tài)，對比釣梁海域在引入?yún)?shù)β前后兩種情況下計算的沖淤強(qiáng)度?？傻贸鋈缦陆Y(jié)論；

1）北堤的修建顯著地改變了釣梁海區(qū)的潮流形態(tài)，圍區(qū)內(nèi)最大流速減小幅度達(dá)55%，黃它山附近潮流速度增加了20%左右。泥沙運(yùn)移形態(tài)由過境輸移轉(zhuǎn)變?yōu)獒疄硟?nèi)沉積。在螺門漁港水道泥沙淤積值達(dá)1.9m/a，向灣內(nèi)隨流速減小，淤積強(qiáng)度減弱。

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

3）浙江沿海是臺風(fēng)暴潮影響嚴(yán)重地區(qū)，如何全面的考慮其對圍涂促淤的影響需深入研究，且參數(shù)β的計算公式也需有更多數(shù)據(jù)去優(yōu)化擬合。

[1]劉家駒，喻國華.淤泥質(zhì)海岸保灘促淤計算及預(yù)報[J].海洋工程，1990，8（1）：51-59. LIU Jia-ju,YU Guo-hua.Calculation and forecast of the beach protection and accretion acceleration on the silt beach[J].The Ocean Engineering,1990,8(1):51-59.

[2]許雪峰，孫志林，聶源.潮流通道堵壩工程的沖淤影響計算[J].水利發(fā)電學(xué)報，2011，30（1）：101-106. XU Xue-feng,SUN Zhi-lin,NIEYuan.Calculation of siltation by a blockingdam in tidal currentchannel[J].Journal of Hydroelectric Engineering,2011,30(1):101-106.

[3]竇國仁，董其舞.河口海岸泥沙數(shù)學(xué)模型研究[J].中國科學(xué)：A輯，1995，25（9）：995-1 001. DOU Guo-ren,Dong Qi-wu.Sedimentmathematicalmodel for estuarine and coastal research[J].Science in China:A Series, 1995,25(9):995-1 001.

[4]曹文洪，舒安平.潮流和波浪作用下懸移質(zhì)挾沙能力研究述評[J].泥沙研究，1999（5）：74-79. CAOWen-hong,SHU An-ping.Reviews on suspended sediment carrying capacity in combined actions ofwaves and tidal current[J]. Journalof SedimentResearch,1999(5):74-79.

[5]武漢水利電力學(xué)院.河流泥沙工程學(xué)上冊[M].北京：水利電力出版社，1980：13-15. Wuhan Instituteof Hydraulic and Electric Engineering.River sedimentengineering(volume 1)[M].Beijing:Water Resources and Electric Power Press,1980:13-15.

[6]王義剛，林祥，吳中.河口邊灘圍墾后淤積計算方法研究[J].海洋工程，2000，18（3）：67-70. WANGYi-gang,LIN Xiang,WU Zhong.Amethod for calculating depositional rateafterwarping the bank in the silty estuary[J].The Ocean Engineering,2000,18(3):67-70.

[7]任方方，郭巨海，黃惠明.非均勻沙恢復(fù)飽和系數(shù)研究綜述[J].浙江水利科技，2014（5）：5-8. REN Fang-fang,GUO Ju-hai,HUANG Hui-ming.Summary of non-uniform sediment coefficient of saturation recovery[J].Zhejiang Hydrotechnics,2014(5):5-8.

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(yè)科研專項（201305009）；國家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)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(yīng)用研究。E-mail：13342262085@163.com