曹妃甸開發布局與灘槽格局協調性研究

季榮耀，陸永軍，孫 路，左利欽，佘小建

(1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；2.交通運輸部規劃研究院，北京 100028)

曹妃甸開發布局與灘槽格局協調性研究

季榮耀1，陸永軍1，孫 路2，左利欽1，佘小建1

(1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；2.交通運輸部規劃研究院，北京 100028)

渤海灣曹妃甸近岸海區多個潮汐深槽與沙島相伴而生并構成極為復雜的海岸動力地貌體系，而維護既有的灘槽宏觀格局是保持灘槽穩定與合理開發布局的重要基礎。曹妃甸開發遵循因勢利導的原則，對淺灘與深槽進行了科學保護和合理利用，通過尋找深水岸線開發、灘涂匡圍與環境影響之間的平衡點，在開發合理規劃布局與維護灘槽動力地貌格局現狀之間實現了很好的協調性。工程實踐效果表明，由于曹妃甸開發布局規劃科學合理，沒有改變整個海區的灘槽動力地貌格局和潮汐深槽形成的動力機制，因而深槽及周邊海區在開發工程實施后穩定性良好。

灘槽格局；開發布局；穩定性；協調性；曹妃甸

Abstract:In the Caofeidian sea area of China’s Bohai Bay,there are several tidal channels and barrier islands which constitute a complex coastal morphodynamic system.Maintaining the existing pattern of the shoals and the channels is the key to keep the seabed stability during the implementation of the Caofeidian development layout.Based on the site conditions of the Caofeidian sea area,by finding the balance point among the deepwater shoreline development,shoal reclaiming and environmental impacts,the shoals and the deep channels get scientific protection and reasonable utilization,which helps to achieve the good harmonization between the development layout and the existing pattern of the shoals and the channels.The engineering practice shows that the seabed is stable since 2004 and basically in a state of erosion-deposition equilibrium on the whole,which proves that the development of the Caofeidian harbor area does not change the macro pattern of the shoals and the dynamic conditions of the deep channel.

Keywords:morphodynamic pattern of shoal and channel; development layout; stability; harmonization; Caofeidian

河口海岸地區發育有眾多的水下深槽，并常伴生有各種島嶼、水下沙脊與淺灘等海岸地貌單元，共同組成了特性各異的海岸動力地貌體系，如沙壩潟湖型潮汐通道、海灣型潮汐通道、河口攔門沙灘槽體系、江蘇輻射沙洲潮汐通道、浙江群島峽道深槽等。這些海岸動力地貌體系常因深水岸線和灘涂資源豐富，具有十分重要的港口航道建設前景與圍涂造地開發價值。大量的工程實踐證明，缺乏科學論證的高強度開發可能會破壞原海岸體系的水動力環境和泥沙沖淤動態平衡，加劇海岸侵蝕或造成泥沙淤積，進而嚴重影響灘槽的穩定性，給沿海開發保護帶來很大的不確定性。如法國Maumusson潮汐通道體系自1821年來，因為灣內人工養殖使得納潮量減少35%，導致了口門深槽的淤淺和擺動[1]；1932年荷蘭Zuiderzee大壩的建成破壞了Texel潮汐通道系統的穩定性，致使落潮三角洲向陸侵蝕后退[2]；Florida半島Gulf海岸的防波堤工程引起了Blind通道和Big Sarasota通道下游海岸的侵蝕，導致了通道的不穩定和封閉[3]；澳大利亞西海岸Currumbin Creek兩側防波堤的建設雖然穩定了口門位置，但由于新形成的環流模式把大量泥沙帶入口門通道內而出現淤積，造成了排洪和通航問題[4]；Wadden海5個不同潮汐通道系統由于受到人類活動的干擾，至少需要一個世紀的時間才能達到新的地貌平衡狀態[5]。國內沿海開發過程中也出現了許多類似案例，如海南島小海和粵西博賀灣都出現了因大規模圍涂使得納潮水域和納潮量的急劇減少，導致潮流動力明顯減弱，進而造成口門深槽淤淺萎縮的現象[6-7]。因此，如何通過科學規劃布局合理開發保護既有的灘槽動力地貌體系，不僅對于維護灘槽長期穩定和減小開發負面效應具有重要意義，也是我國新一輪沿海開發戰略實施中亟待解決的關鍵技術難題。

渤海灣曹妃甸海區具有豐富的灘涂與深水岸線資源，為其開發建設提供了得天獨厚的條件與優勢；但由于該海區地貌環境獨特，動力條件復雜，自然環境對海岸工程較為敏感，特別是巨大的灘槽高差和陡峻的水下岸坡讓其在開發建設中不得不面對灘槽能否長期保持穩定的難題。曹妃甸開發總體謀劃始于20世紀70年代，自90年代初針對深水港區規劃布局系統論證開始，眾多學者圍繞港區開發灘槽穩定性影響這一核心問題開展了大量的調查分析和論證研究。如王艷等[8]分析了該海區的歷史灘槽沖淤演變，指出灘槽形勢基本穩定；Lu等[9-11]和Kuang等[12]采用數學模型研究了曹妃甸港區規劃方案對周邊海區水沙動力環境的影響；季榮耀等[13-14]則重點討論了曹妃甸深槽和老龍溝攔門沙的形成演變機制。本研究在闡明曹妃甸海岸體系動力地貌特征及其形成演變機制的基礎上，著重探討了開發規劃布局與灘槽動力地貌格局兩者之間的協調性，科學論證了可維護灘槽穩定的曹妃甸綜合開發總體布局，并已得到了工程實踐的成功證明。

1 曹妃甸灘槽動力地貌格局與開發關鍵難題

曹妃甸原為渤海灣口北側的帶狀沙島，其以岬角形態向南伸入渤海灣，前沿水下岸坡陡峻，35 m深槽距岸僅約400～500 m(圖1)。曹妃甸近岸海區雙重岸線特征明顯，內側大陸岸線為古灤河三角洲發育的沖積海積平原，外側是曹妃甸和東坑坨等沙島構成的沙質島嶼岸線；沙島與陸岸之間則發育有潟湖灣和大片潮灘，沙島間還有潮汐深槽發育。從海岸地貌、水動力與泥沙輸移等特征綜合分析，本岸段可劃分為曹妃甸岬角-深槽、老龍溝潟湖-潮汐通道和南堡潮流沙脊-深槽等3個相對獨立且緊密聯系的潮汐深槽動力地貌體系。已有研究成果表明，上述三個海岸體系中潮汐深槽形成的動力機制存在明顯差異[13]。其中曹妃甸岬角地貌引起的局部潮流增大是曹妃甸深槽形成的主要動力條件，而潟湖漫灘水流歸槽和狹窄口門束水作用導致流速增大則是維持老龍溝通道深槽水深的主要動力；對于南堡深槽-潮流沙脊體系，脊槽相間的水下地形格局使得深槽內產生有較強的貼岸流，加之潮灘岬角效應引起的局部潮流增大，這種獨特的動力條件成為南堡深槽能夠長期維持的重要原因(圖2)。

曹妃甸海區獨特的海岸地貌體系是古灤河廢棄三角洲沉積體長期被改造的產物。灤河多沙是這種海岸地貌形成發育的基本條件，因此其演變與灤河來沙狀況密切相關。隨著古灤河的改道東移與近年來入海泥沙的急劇減少，本海區泥沙明顯供給不足，使得月坨、東坑坨到曹妃甸一線沿岸目前均處于輕微侵蝕沖刷狀態。1996—2006年沖淤分析表明，離岸沙壩外側海區整體上以沖刷態勢為主，海床平均沖深多在1～2 m之間。

曹妃甸海區具有豐富的灘涂與深水岸線資源，為其開發建設提供了得天獨厚的條件與優勢。其中曹妃甸深槽為渤海灣最深水域，最大水深達41 m，是渤海灣唯一不需要開挖港池航道即可建設30萬噸級大型深水泊位的天然港址；沙島與陸岸之間則發育有數百平方千米的潮灘，為大規模圍涂造地提供了良好的基礎。但曹妃甸作為一個復雜的海岸動力地貌體系，巨大的灘槽高差和陡峻的水下岸坡，在周邊海區整體處于侵蝕沖刷態勢及深槽強勁的潮流動力作用下，其開發建設中不得不面對灘槽能否長期保持穩定的難題。特別是考慮到深水岸線屬于開發利用的核心資源，因而如何通過科學規劃開發布局，在充分利用與保護現有深水岸線資源的基礎上維護灘槽的長期穩定，成為評判曹妃甸海區能否成功開發建設的關鍵依據。

圖1 曹妃甸海區灘槽動力地貌體系Fig.1 Coastal morphology system and vector diagram of flow velocities in Caofeidian sea area

圖2 曹妃甸海區平均流速空間分布Fig.2 Mean velocity of the tidal current in Caofeidian sea area

2 開發布局與灘槽格局的協調性分析

曹妃甸總體開發布局圍繞灘槽穩定性這一核心問題，自20世紀90年代以來經歷了多個階段的優化論證[15]，其中2007年確定的最終優化方案在開發總體布局與灘槽動力地貌格局之間實現了很好的協調性(圖3)，主要體現在：

1)灘槽宏觀格局的維護

曹妃甸灘槽動力地貌宏觀格局能否維持是影響其穩定性變化趨勢的控制性因素。特別是曹妃甸外側島鏈對淺灘的掩護作用至關重要，是形成現狀灘槽動力地貌格局的關鍵，因此開發布局應以島鏈外緣作為參照界，不宜破壞或延伸至其外側。有鑒于此，2007年優化方案中充分利用灘槽穩定的格局實施港區水陸域的總體布局，圍填?？刂凭€采用凸岸形式從甸頭沿5 m等深線向東北方向延伸至蛤坨附近，順應了現有的離岸沙壩群的外圍和走勢，很好的遵循了本海區的水沙運移規律，也有效減弱了工程開發引起的動力地貌環境演變效應。

2)深水岸線資源的保護

曹妃甸前沿深水岸線屬于開發利用核心資源，應特別注意近期的合理利用和遠期的有效保護。曹妃甸沙島發育時間長，砂基深厚，已形成穩定的沙質島嶼；而沙島形成的岬角地貌構成了潮汐深槽的邊界條件，由此引起的局部潮流增大是深槽形成與維持的動力條件。因此，曹妃甸開發規劃布局應以維護岬角地貌為原則，即甸頭保持其岬角形態，同時充分利用深槽水深穩定、深水近岸的特點規劃建設20萬噸級以上大型深水碼頭泊位。曹妃甸三個階段的開發布局方案都較好保護了原有的岬角地貌特征，因而沒有改變甸頭前沿潮汐深槽的動力形成機制，不會影響灘槽的穩定性。此外，老龍溝潮汐通道體系的潟湖灣與口門深槽也得到了科學利用，前者被布局開挖成深水港池，后者則規劃為進港航道。

3)潮溝與淺灘與的綜合利用

本海區老龍溝、二龍溝等潮溝具有潮汐通道的性質，是內港開發的優良水域資源；而曹妃甸淺灘在性質和功能上則屬于潮汐通道體系中的潟湖納潮水域，也具有良好的匡圍條件。由于大規模圍涂造地會顯著減少潟湖納潮水域和納潮量進而可能影響深槽水深的維持，故曹妃甸開發中需要通過論證尋求納潮量維持與淺灘圍涂兩者資源開發效益最大化的平衡點。2007年優化方案在考慮淺灘圍填的同時規劃布置3個挖入式港池以擴充岸線的使用，其中為了維持老龍溝潮汐動力和納潮量，三港池保持4 km寬水域作為納潮區。該方案與1997年和2005年提出的開發布局相比，在顯著增加圍涂造陸面積的同時，有效維持了各潮溝原來的納潮水域功能，減小了淺灘圍填對潟湖納潮量的影響，實現了潮溝與淺灘的綜合開發與科學利用。

4)潮溝水交換功能的維持

曹妃甸海區未開發前，老龍溝與二龍溝存在一定的水交換，漲、落潮期間在曹妃甸淺灘的灘脊附近存在明顯的匯流和分流現象。2007年優化方案中充分考慮了這一自然條件，以綠色港口的開發建設理念為指導，沿潮溝走向規劃布置開挖納潮河，使得曹妃甸東西兩側港池相連通以利于水體交換，整體上形成前島后陸的布置格局。納潮河的寬度設計為1 000 m，水深7 m，保持了一定的過水斷面，對于提高挖入式港池水體交換能力、改善港區整體水環境質量起到了重要作用。

上述不同階段的開發布局優化方案在一定程度上反映了對曹妃甸海岸動力地貌體系認識的逐步深入與開發理念的進步。如1997年提出的優化方案，港區岸線規劃及圍涂基本局限在以利用甸頭深槽與連接后方陸域為主；隨著對海岸動力地貌體系認識的深入，2005年提出的優化方案擴大了內港池和圍涂造陸面積；2007年則經過進一步論證，遵循因勢利導的原則，以保持灘槽穩定為前提，通過尋找深水岸線開發、灘涂匡圍與環境影響之間的平衡點，提出了以曹妃甸—蛤坨為軸心、老龍溝-納潮河為分界的前島后陸的總體開發布局形態，與灘槽動力地貌宏觀格局之間取得了很好的協調性。

圖3 曹妃甸海區歷年開發規劃布局Fig.3 Spatial layout of coastal development in Caofeidian sea area in different years

3 開發布局實施動力地貌演變效應

筆者曾建立曹妃甸海區波流作用下的二維泥沙數學模型，預測了最終優化方案實施后的水沙動力環境影響與海床沖淤變化[9-10]；其中甸頭前沿深槽區流速有所增加，港池、航道內流速有所減??；與工程前相比，由于港區大面積圍填阻擋了波浪向淺灘的傳播，使其含沙量大幅減小，外海含沙量則變化不大；開發布局方案實施1年后，甸頭前沿深槽沖深約0.15～0.48 m，港池和老龍溝內則淤厚約0.35～1.31 m，預計方案實施2～3年后工程引起的海床沖淤基本達到平衡狀態。

當前曹妃甸開發布局方案正在快速實施過程中，截止到2013年底已經累計圍涂造地超過250 km2(圖3(d))。曹妃甸前沿深槽的沖淤演變與穩定性變化趨勢一直是最引人關注的問題，也是該海區灘槽穩定的標志之一。2004—2012年期間的多次地形觀測結果表明[11]，曹妃甸開發過程中甸頭前沿深槽基本處于沖淤平衡并略有輕微沖刷的狀態，深槽水深維持良好，平面位置沒有出現明顯擺動，周邊海區海床沖淤變化幅度也相對較小，整個海區灘槽穩定性良好(圖4和圖5)。由此可見，開發工程實施后的海床沖淤變化幅度與數學模型預測結果有著很好的一致性，這也充分說明曹妃甸總體開發布局方案規劃科學合理，沒有改變整個海區的灘槽動力地貌整體格局和潮汐深槽的動力形成機制，因而深槽及周邊海區在開發工程實施后可以保持灘槽穩定。

曹妃甸作為我國規模最大的單體圍填海開發工程，不僅需要匡圍數百平方千米的淺灘水域，還涉及海堤建設、港池開挖、航道整治、碼頭棧橋等各類海岸工程，因此開發過程中對周邊海區的影響也不容忽視。如大量的港池開挖與陸域吹填工程不僅使得局部海區海床大幅下切(見圖5斷面D07)，還會造成水體含沙量大幅增加，大量泥沙隨潮流輸移后落淤，造成了臨近海域較大范圍的淤積[13]，這也是海床沖淤變化實測值與數學模型計算結果存在局部差異的主要原因。此外，需要特別注意的是，由于圍涂造陸需要大量吹填，本海區在老龍溝口門淺灘、南堡潮流沙脊等附近出現了多處大規模海床采砂現象(圖3(d))。由于這些大規模海床采砂沒有規劃、缺乏論證，可能對未來本海區的灘槽演變和動力地貌格局會產生重要影響。因此，亟待加強相關活動的監管，特別是靠近離岸沙壩的淺灘區應禁止采砂，以防止破壞沙島的基礎及岸灘的穩定性。

圖4 曹妃甸海區2006—2009年等深線變化Fig.4 Comparison of isobathic line in 2006 and 2009

圖5 典型斷面2006—2012年海床沖淤變化Fig.5 Seabed elevation changes in 2006 and 2012

4 結 語

1)曹妃甸灘槽穩定是其開發利用的基礎，而灘槽動力地貌宏觀格局能否維持則是影響其穩定性變化趨勢的控制性因素。曹妃甸綜合開發遵循因勢利導的原則，通過尋找深水岸線開發、灘涂匡圍與環境影響之間的平衡點，在維護灘槽動力地貌宏觀格局現狀的基礎上對淺灘與深槽進行科學保護和合理利用，提出了可維護灘槽穩定的曹妃甸綜合開發總體布局，在開發布局與灘槽動力地貌格局之間實現了很好的協調性。

2)工程實踐效果表明，曹妃甸開發過程中甸頭前沿深槽水深維持良好，平面位置沒有出現明顯擺動，整個海區灘槽穩定性良好；表明曹妃甸總體開發布局方案規劃科學合理，沒有改變整個海區的灘槽動力地貌格局和潮汐深槽形成的動力機制，因而深槽及周邊海區在開發工程實施后可以保持灘槽穩定。未來需要密切關注大規模海床采砂對灘槽演變和動力地貌格局可能產生的影響。

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Harmonization between development layout and coastal morphodynamic system in the Caofeidian sea area

JI Rongyao1,LU Yongjun1,SUN Lu2,ZUO Liqin1,SHE Xiaojian1

(1.Nanjing Hydraulic Research Institute,State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing 210029,China; 2.Transport Planning and Research Institute,Ministry of Transport,Beijing 100028,China)

P753

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.01.009

1005-9865(2016)01-0065-06

2015-02-02

國家自然科學基金資助項目(41306081，51379127)；國家科技支撐計劃資助項目(2012BAC07B02)

季榮耀(1978-)，男，山東臨沂人，高級工程師，博士，主要從事河流海岸動力學與環境演變研究。