半封閉海灣內電廠建設水沙條件研究

李文丹，鄭 瑋，韓志遠，解鳴曉

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業重點 實驗室，天津 300456；2.中交疏浚(集團)股份有限公司，北京 100013)

某電廠位于莆田市秀嶼區埭頭鎮翁厝行政村爐厝村，地理坐標東經119°19′44″、北緯25°14′27″。廠址北距福州市92 km、福清市53 km，西北距莆田市39 km，西距埭頭鎮13 km，西南距泉州83 km(圖1)。

圖1 工程海域示意圖Fig.1 Schematic map of engineering sea area

電廠采用明取明排(明渠取水，明渠排水)的結構形式，取水布置在爐厝岬角西側，取水口位于-7.5 m等深線。排水口布置在岬角東北側灣內(圖1)。

本文通過現場實測的波浪、潮位、潮流、含沙量、底質等資料分析，岸灘演變分析以及沿岸輸沙數值模擬和波浪、潮流、泥沙數學模型計算，對福建省莆田市興化灣西側海域建設某電廠的水動力泥沙條件進行了研究論證。

1 自然條件

1.1 地形地貌

1.1.1 地貌

工程海區位于興化灣西側，在平海和石城之間，屬于平海灣的一部分。根據現場地貌踏勘結果，沿岸地貌有如下特點：

(1)爐厝—石城。

該段為一小型岬灣型砂質海岸，該灣中間由于雞甲嶼的存在，又被分成兩個小型岬灣。該岬灣內海灘地勢較平緩，岸線保持穩定，在岬角處有局部侵蝕存在。從石南碼頭兩側海灘寬度和高程沒有明顯差異可以看出，該處海灘泥沙的縱向輸移特征是不明顯的，泥沙以橫向運動為主。

(2)嶼仔山—爐厝。

牛頭山—爐厝岸段砂質海灘寬度很窄且坡度大，灘上有礫石堆積，局部有侵蝕特點；嶼仔山—牛頭山之間為凹入陸地近1 km的小海灣，灣口處有碎石堤，堤內為低潮出露的平坦的沙灘。

1.1.2 地形

爐厝岬角兩側水下地形，0～5 m等深線基本與岸線平行，0～5 m等深線之間的邊坡為2‰～3‰；6～10 m等深線均向外海突出，地形坡度平緩，6～10 m等深線之間的邊坡為1‰?？梢姞t厝附近海域為一片水深小于10 m，水下地形十分平坦的水域，是南日水道西側漲落潮水流較緩的水域。

1.2 波浪

據2009年8月～2010年10月廠址岸邊波浪站目測波浪資料統計，該工程水域波浪類型主要是混合浪。該海域波浪在一個觀測年中常浪向為E、S、ESE及SSE向。常浪向在季節分布上呈現為春季SSE向、夏季S向，秋、冬兩季為E向。全年各向H1/10平均波高為0.29～0.84 m，H1/10年平均波高為0.60 m，H1/10平均波高在各月中以10月份為較大，以5月為較小。

全年中H1/10波高波浪主要集中于0.10～0.50 m和0.50～1.50 m波級，出現頻率合計達98.52%，而≥1.50 m波級占1.49%，其中≥3.0 m波級頻率僅占0.01%，而此時主要為臺風所致。

該海域強浪向為SE向、SSW向、S向、E向，最大波高Hmax分別達7.09 m、3.95 m、3.10 m、3.00 m，其最大值7.09 m出現在2010年9月11#凡亞比臺風期間，對應的譜峰周期TP為9.66 s(SSE向)。

1.3 潮汐潮流

1.3.1 潮汐

工程海域處于臺灣海峽西北側，臺灣海峽及其附近海域的潮波由其北部蛻化旋轉潮波與南部前進潮波系統構成，進入工程區海域的潮汐主要來自北部系統的影響。根據潮位調和分析，本海區潮汐屬規則半日潮類型。該海域平均潮差為4.73 m，最大潮差為7.11 m。工程區潮位與鄰近兩站相比，該海域潮差由東向西逐漸增大，潮時由東向西逐漸推遲。

1.3.2 潮流

2-a 大潮2-b 小潮圖2 潮流矢量圖Fig.2 Vectorgraph of tidal current

根據工程海域2009年8月14日～8月21日(夏季)和2009年12月23日～2010年1月3日(冬季)12個站位大、中、小潮的水文全潮潮流測驗資料調和分析，該工程海域潮流性質為正規半日潮流。由于工程區水域潮流性質為正規半日潮流。鄰近廠址的2#～4#站和開闊水域的8#、9#，潮流運動為帶有逆時針旋轉流的性質，其他各站潮流運動主要表現為往復流的性質。該海域潮流特征為[1]：

(1)興化灣潮流運動是由南日水道和興化水道二股漲、落潮流運動所形成。漲潮時興化水道漲潮流由東南向西北運動，南日水道漲潮流由南偏東向北運動，并在南日島的西北側與興化水道漲潮流頂托，并擠壓興化水道的漲潮流，從而使得興化灣南側莆田岸側岸線水域主要為南日水道漲潮流所占據，而興化灣北側水域主要為興化水道漲潮流占據。落潮時興化灣內納潮水體分別經興化水道和南日水道隨潮位的降低而流向東海海域。

(2)工程水域處于石城—后石井岬灣中，離南日水道深槽西側還有近7 km距離，且灣頂是泥沙淤積區，該段岸線處于南日水道漲潮水流的邊灘緩流區之中，同時又是灣頂納潮水體向南日水道落潮水流擴散的范圍。

(3)整體上看，該海域流速呈現大潮大于中潮、中潮大于小潮、敞開海域大于近岸、深槽大于邊灘、夏季大于冬季的變化規律，以南日水道和興化水道最大。1#～5#漲落潮平均流速介于0.06～0.33 m/s。6#～10#漲落潮平均流速為0.22～0.47 m/s。11#、12#漲落潮平均流速為0.30～0.43 m/s。

(4)由于各站所處海域水流位置不同，其漲、落潮流的歷時也不盡相同。主流區(6#～12#)漲潮流歷時大于落潮流歷時，工程區域(1#～5#)卻完全相反，這為電廠取排水工程布局創造了良好的有利條件。

1.4 含沙量

1.4.1 水文全潮懸沙觀測

該海域含沙量整體較小，且沿垂線分布較為均勻。據夏、冬季大、中、小潮共6次水文全潮含沙量觀測結果，各站平均表層含沙量僅為0.036 kg/m3，中層、底層分別為表層的1.14倍、1.39倍。表明含沙量的垂線分布仍然呈現表層最小、底層最大、由表至底逐漸增大的變化規律。

夏季各站漲、落潮平均含沙量大潮為0.040 kg/m3，中潮為0.036 kg/m3，小潮為0.042 kg/m3。冬季各站漲、落潮平均含沙量，大潮為0.056 kg/m3，中潮為0.036 kg/m3，小潮為0.034 kg/m3。

1.4.2 工程附近定點取樣觀測

根據測驗要求，在取水口附近利用每次回收儀器數據時進行懸沙樣的采集并進行含沙量的分析工作。在觀測期間，含沙量較大的月份主要為2009年9月16日、10月30日、12月24日和2010年8月17日、11月11日。含沙量達0.045～0.080 kg/m3，而其他時間含沙量僅在0.045 kg/m3以下。總體而言，該水域含沙量相對較小，最大僅在0.1 kg/m3左右，但其大、小潮變化及季節變化也是相對較大的。

1.5 懸沙粒徑及底質

1.5.1 懸沙粒徑

工程海域夏季懸沙d50為0.018 5 mm，冬季懸沙d50為0.009 8 mm，夏季懸沙粒徑明顯大于冬季懸沙粒徑，夏冬季懸沙d50平均中值粒徑為0.014 2 mm。工程海域夏季懸沙以粉砂為主，冬季在工程區內及其附近水域為粘土質粉砂物質為主。

1.5.2 底質

圖3 沉積物中值粒徑Fig.3 Median particle size

工程區近岸及潮間帶均為較粗顆粒的砂質沉積物分布，主要為中粗砂及粗砂。在調查區域大部分海域，即-5 m等深線以深的區域主要為粘土質粉砂，粉砂質粘土并夾有少量的砂-粉砂-粘土、粉砂物質。在后石井—石城山間的小灣內有粉砂質沉積物，該沉積物以“硬底泥”形成存在，其泥沙運動難于發生。南日水道兩側的砂質沉積物與近岸沉積物間存在粉砂沉積物，且近岸的砂質沉積物分布也較窄，僅限于-2 m等深線以淺的潮間帶內，這種分布表明：該砂質沉積帶主要為近岸泥沙搬運為主，外來的泥沙供給不足。

該海區沉積物分布總體呈現近岸沉積物粒徑粗、深水區較細的特點。調查區范圍沉積物中值粒徑d50為0.004 3～2.39 m。其中近岸淺灘中值粒徑較粗，后石井—工程區的小灣內分布有0.01～0.05 mm粒徑的沉積物，在其外側由南向北廣泛分布0.004～0.01 mm粒徑的細顆粒沉積物。

海域沉積物分選系數總的分布特征是近岸較好、深水區較差，砂質沉積物分選較好，而粉砂質沉積物分選較差，近岸與深水區有明顯的差異。分選很好的區域基本與砂質沉積物分布區重合，粉砂質沉積的分選程度較凌亂，由北向南和由西向東都存在一定的差異，特別是由西向東呈現分選中常-較好-中常-較好-中常的變化特點，顯示了在潮流動力作用下海域沉積物搬運趨勢不明顯的特點。

1.6 泥沙來源

平海灣內沒有大河注入，廠址東西兩側河流皆源短流小，供沙量很有限，這從小河口處岸線及等深線并未向海突出便可看出。平海灣內海岸岬灣相間且海岸多年保持穩定，因此侵蝕供沙量很小。波浪作用下泥沙以橫向搬運為主，泥沙沿岸縱向輸移量很有限。正常天氣情況下，各站水體含沙量都不大。從單寬輸沙量來看，各站單寬輸沙量不大，單寬凈輸沙量也較小，因此，工程附近海域的潮流輸沙量有限。以上分析表明，工程海域水體含沙量很小，泥沙來源不豐富。

2 沿岸輸沙數值模擬

根據上述分析，當地近岸灘面存在一定數量的沙質底床，在常年波浪作用下可能存在一定沿岸輸沙。因此，以下將對電廠附近的沿岸輸沙強度進行研究。

2.1 計算軟件

沿岸輸沙數值模擬采用丹麥水力學研究所(DHI)研發的岸灘剖面輸沙模塊LITDRIFT，其將剖面劃分為若干計算網格節點，可充分考慮波浪、沿岸流以及底質粒徑、泥沙沉速等變量的橫向分布，其物理背景更加接近實際海岸動力過程。此外，LITDRIFT可統計岸灘剖面在常年分級、分向波浪作用下的總輸沙率和凈輸沙率。

圖4 斷面位置示意圖Fig.4 Sketch of cross section

2.2 研究區域選擇

剖面選擇中，考慮6個不同斷面，位置見圖4，包含了電廠的取排水口。然而，沿岸輸沙模擬適用的海岸類型為沙質海岸，理論上其底質泥沙粒徑d50應在0.125 mm以上，然而根據底質取樣分析結果，斷面2處近岸泥沙底質粒徑為粘土質粉砂(0.01 mm

2.3 沿岸輸沙計算結果

圖5 計算域及網格示意圖Fig.5 Diagram of computed field and mesh grid

經計算，各斷面的沿岸輸沙強度均較弱，其中斷面5總輸沙強度最大，為3.4萬m3/a，斷面1總輸沙率最小，為2.6萬m3/a；至于凈輸沙率，斷面1至斷面5均在1.0萬m3/a以下，斷面6亦僅有1.2萬m3/a。從輸沙方向角度來看，由于廠址海域常波向為偏E方向，從而沿岸輸沙以向西為主向。從地貌角度進一步分析，根據最新遙感衛星圖片，雞甲嶼兩側岸線基本呈對稱態，無明顯的堆積體或沙壩結構，石南碼頭東西兩側岸灘亦未反映出明顯的上游堆積，這便說明從大范圍來看當地近岸輸沙強度不高。在排水口規劃水域西側的河口處，存在微小的指向西側的沙壩結構，顯示出當地沿岸輸沙的主向為自東向西，這與模擬結果所得結論是一致的。由此可見，工程處于岬灣相間岸段，泥沙來源少，附近岸段沿岸輸沙不強，這對于工程的建設是有利的。

3 波浪潮流泥沙數學模型

3.1 模型建立及網格剖分

模型理論此處不再贅述[2-3]。數學模型的網格剖分及模型范圍參見圖5。該模型北邊界至25°55′N，南邊界至24°55′N，外海邊界到-80 m等深線，包含整個興化灣及其附近海域。工程附近海域島嶼眾多、潮流運動較為復雜，為了較好地刻畫該海域的地形特征，精確地模擬該海域的波浪潮流泥沙運動情況，本模型采用三角形網格進行剖分和計算[4]。相鄰網格節點最大間距為6 000 m，在工程附近水域進行局部加密，最小間距為5 m左右。潮流數學模型開邊界由中國海潮汐模型提供[5-6]。波浪和泥沙模型開邊界根據實測資料經調試給出。

3.2 模型驗證

本模型采用2009年8月和2009年12月～2010年1月的夏、冬季大、中、小潮水文全潮資料進行驗證，部分驗證結果參見圖6。

圖6 驗證結果示意圖Fig.6 Validation results

3.3 工程水域潮流特征[6-9]

現狀條件下：漲潮初期，由西南向東北運動的漲潮流經過后石井后在爐厝村岬角分成兩股水流，其中一股流向西側灣頂,另一股向東北運動流向興化灣；隨著潮位的升高，漲潮中期在外海逆時針潮流帶動下，漲潮流主體由東北轉向偏西北方向運動，水體仍然在工程水域分流，工程東側水體流向南日水道，西側則繼續填充灣頂；漲潮末期，外海及工程區水域水流進一步向偏西方向運動，此時后石井附近水流已經開始進入落潮階段；隨著潮波進一步發展，在外海旋轉潮流帶動下，開始進入落潮階段，水流主體向西南運動，后石井附近水流在岸線的作用下向南運動；隨著落潮流發展，工程區水流也轉為為向東運動。

工程實施后：工程建設對大范圍流場變化沒有影響，漲落潮流總體上與工程前保持一致(圖7)。

7-a 漲潮初期7-b 漲潮中期7-c 漲潮末期

7-d 落潮初期7-e 落潮中期7-f 落潮末期圖7 工程海域典型時刻流場圖Fig.7 Flow field chart of typical time

3.4 取水明渠泥沙回淤

經計算，某電廠取水明渠內年平均淤強為0.35 m/a，淤積量為2 376 m3。大浪作用24 h條件下，取水明渠內最大淤強為0.21 m。

3.5 對周圍海區影響

經計算，以流速變化0.02 m/s為界，電廠建設對周圍海域影響均局限于工程局部海域0.39 km×0.37 km范圍內。取排水明渠兩側水域流速減小且泥沙呈淤積趨勢。取水防波堤堤頭附近流速增加，地形呈沖刷態勢，不至造成取水困難。

4 結論

本文通過現場實測的波浪、潮位、潮流、含沙量、底質等資料分析,岸灘演變分析以及沿岸輸沙數值模擬和波浪、潮流、泥沙數學模型計算,對福建省莆田市興化灣西側海域建設某電廠的水動力泥沙條件進行了研究論證。主要研究成果表明：

(1)工程位于興化灣口石城南側岬灣內，東南面臨開敞海域，潮差大、灣內潮流較弱、水體含沙量低、泥沙來源有限，海床長期處于穩定狀態。

(2)工程處于岬灣相間岸段，泥沙來源少，附近岸段沿岸輸沙不強。

(3)規劃電廠取水口位于岬角南側-7.5 m等深線附近水域，取水明渠內泥沙淤積強度較小。

(4)電廠建設對周圍海域影響局限于工程局部海域。取水防波堤堤頭附近流速增加，地形呈沖刷態勢，不至造成取水困難。

(5)工程海域具有良好的建廠條件，但應加強施工期間地形及臺風期間含沙量觀測。