茂名吉達灣清淤整治工程方案比選研究

王思超，蔣志凱，趙 鵬

(1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣州 510230；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

吉達灣位于茂名市電白區電城鎮。目前吉達灣淤積較嚴重，平均水深已不足1 m(基于MSL)，灣口內側淤積體低潮時可露出水面。灣內水色相對外海水體發黑，且吉達港圍堤近岸長有綠藻，環境感官較差。為提升吉達灣的整體環境，還人民群眾綠水青山，當地政府計劃對吉達灣藍色海灣進行疏浚整治。

目前對于類似海灣的整治疏浚類工程在如何界定疏浚整治范圍、確定疏浚底高程等方面缺乏有效的設計思路，相關研究也較少：于東生等[1]研究了茅尾海淺灘清淤、葵子江水道貫通工程導致的水動力條件和半交換周期變化，匡翠萍等[2]分析了清淤疏浚工程對七里海潟湖濕地水體交換的影響。本文通過計算整治水域周邊設施的整體穩定性，提出整治疏浚范圍；建立潮流泥沙數學模型，對比分析不同疏浚底高程下的水體交換和回淤量，并結合項目投資等因素提出整治疏浚底高程。

1 自然條件

1.1 潮汐特征

據2019年4月11日～5月11日觀測統計分析，測驗海區(HK1+HO1)/HM2為1.14，潮汐屬不正規半日潮類型。本海域平均潮差為2.07 m，最大潮差為2.92 m。漲落潮歷時基本一致，平均漲潮歷時略大于落潮歷時。

1.2 潮流特征

圖1和圖2為垂線平均流速矢量圖，大潮期不同測站大致為往復流，也呈現出一定的旋轉流特征；小潮期V1站往復流特征明顯，V2和V4站表現為旋轉流特征，V3、V5和V6均為西向的單向流。

圖1 大潮垂線平均潮流矢量圖 圖2 小潮垂線平均潮流矢量圖Fig.1 Vertical averaged current velocity vector in spring tide Fig.2 Vertical averaged current velocity vector in neap tide

施測海域潮流呈現出隨潮差的減弱而減小的趨勢，最大流速表現出大潮大于小潮的特點。從流速平面分布來看，處于吉達灣灣口的V1站最大，其余各站大潮期最大流速在0.15～0.23 m/s，小潮期最大流速在0.11～0.45 m/s?？拷夂５腣3、V5和V6站流速大于近岸的V2和V4站。

1.3 波浪特征

本工程位于南海北部，受來自東南向的熱帶氣旋影響相對較大，常浪向應在E向～SE向之間，強浪向為ESE～S向，年均波高不超過1.5 m，年均波周期在6 s以下。

1.4 懸沙及底質分布

在潮流測站同步進行了含沙量取樣工作，大、小潮平均含沙量分別為0.042 kg/m3和0.034 kg/m3，大潮期間的含沙量大于小潮含沙量。各測站的懸沙中值粒徑介于4.99～14.23 μm，成分以砂質粉砂和粘土質粉砂為主。

砂是本海區分布最廣的沉積類型，中值粒徑在123.22～411.91 μm，廣泛分布在吉達灣和外海-2 m等深線以淺的水域。粉砂質砂中值粒徑在65.08～206.44 μm，集中分布在儒洞河河口區和外海-5 m等深線外側區域。砂-粉砂-粘土和粘土質粉砂中值粒徑在9.96 ～17.06 μm，主要分布在-10 m等深線附近。

1.5 泥沙來源

儒洞河曾是工程附近流域來沙的主要來源，但隨著上游陂底水庫和支流長角水庫等水利設施的建設，輸沙量已大為減少。該海域總體含沙量較低，工程海域的平均含沙量小于0.05 kg/m3。潮間帶和近岸沉積多為砂質，且本海區潮流較弱，因此在潮流作用下的輸沙量不大。經分析，有限的岸灘侵蝕泥沙及岸灘局部搬運泥沙為工程海域主要泥沙來源。

1.6 海岸地貌

吉達灣內淤積較嚴重，灣內大部分潮灘的底高程在-2.0～2.6 m，靠近雞打港圍堤海域水深略大。東側靠近灣口分布有島狀灘地，在低潮時露出，在淤積體北側和南側分別有兩條汊道從口門通向東側較深水域。吉達灣灣口兩側均有沙嘴存在，其中西岸沙嘴指向口內，東岸沙嘴相對靠外，在沙嘴之間形成彎曲的潮汐通道，反應出兩岸均有沿岸輸沙存在。在雞打港灣口外側，由于潮汐汊道水流對沿岸輸沙有攔截作用，并且在潮流和波浪共同作用下形成多處淺灘[3-4]。

1.7 工程地質

吉達灣內表層以細沙為主，下層有殘積土、風化巖。納泥區表層土質以砂混粘土為主，底層有淤泥夾層。-6 m以上的土質基本為砂性土，-6 m以下的土質開始出現粘性土，土質的可挖性較好。

2 淤積歷史成因

目前吉達灣內水域淤淺萎縮，水質惡化。通過現場調研與相關資料研究分析，對吉達灣淤積和水質惡化的原因分析如下：雞打港圍堤及擋潮排洪閘于20世紀50年代末建成后，吉達灣的納潮面積明顯減小。即使按20世紀80年代岸線統計，圍堤建設也使吉達灣納潮面積減少了4.23 km2，接近原有面積的70%。納潮量減小的直接影響是潮流動力作用的減弱，并導致泥沙的收支平衡被破壞?？谕饽嗌吃诓ɡ俗饔孟孪破?，并隨漲潮流進入灣內后，由于落潮流強度減小，灣內泥沙不能完全輸移出灣外，在長時間泥沙交換過程中，在灣口內側形成漲潮三角洲，灣內水深逐漸淤淺萎縮。同時，遍及水域的養殖網箱對落潮流動力也存在較大的阻滯，致使潮灘淤展[5]。

灣口的潮汐汊道是吉達灣和外海相互溝通的通道，雞打港圍堤建設導致納潮量減小后，降低了漲潮的漫灘流速和落潮時的歸槽流速，已沒有足夠的潮流動力塑造、刷深口門潮汐汊道，致使其淤淺、縮窄、位置遷移，從而對潟湖的納潮量、水交換能力和航道等進一步造成負面影響?，F場調研也了解到歷史上雞打港灣口較為開敞，港內與外海直接相連，可通航百噸級漁船，近年來灣口沙嘴地形變化較頻繁，只可通行小型漁船。另外，吉達灣由口門向上漲潮歷時變短而落潮歷時延長，嚴重地影響了灣內的水體交換，使得水質惡化[6-8]。

3 整治范圍的確定

根據分析，項目初步考慮灣內與潮汐通道疏浚二者結合的方式開展整治。吉達灣涉及海洋生態保護紅線，無法建設整治建筑物，因此吉達灣的整治疏浚無法完全根除淤積的問題，但可以做到在一定時期內緩解瀉湖萎縮的狀況，為解決政策問題、保留瀉湖爭取時間。

灣內疏浚整治工程范圍主要考慮開挖水域邊線與現有大堤、東側及北側山體、魚(蝦)塘保持一定的安全距離，保障水域開挖對現有結構的安全穩定不構成威脅。本項目采用地基穩定計算軟件對原大堤結構、山體穩定、塘梗穩定進行工程前后對比計算，試算相關設施與水域開挖邊線保持不同距離時的穩定性，以不影響其結構穩定為原則，詳細穩定性計算結果見表1。

表1 整體穩定性計算結果Tab.1 Overall stability calculation results

根據計算結果，在不影響相關設施現有穩定性的情況下適當留出富余空間。整治水域的范圍為：開挖水域坡頂線離大壩的距離取約100 m，離魚(蝦)塘的距離取為50～70 m，離北側、東側山體的距離取為60 m；邊坡按1∶5取值，對于西南角現有沙灘處按1∶25的坡比留出沙灘。由此可以確定灣內疏浚整治水域面積約1.44 km2(含邊坡)，整治范圍見圖3。在潮流泥沙數模中，也將驗證確定的整治范圍所達到的整治效果。

圖3 整治范圍邊界Fig.3 Regulation boundary

4 整治底高程的確定

整治底高程的確定通過選擇不同設計底高程進行數模試算并綜合對比分析，最終確定適宜的設計底高程。由于吉達灣內缺乏歷史水深資料，疏浚底高程的確定缺乏依據，但灣內目前最深的底高程約為-3.18 m(85高程，折合當地理論最低潮面為-2.0 m)，因此選擇-3.18 m作為整治底高程方案之一?？紤]到整治效果及環境要求，在-3.18 m的基礎上進一步加深有利于延長灣內保持良好水深的時間，因此選擇-5.18 m及-7.18 m作為整治底高程方案。如進一步加深整治底高程，則項目的投資過大，經濟效益降低。

因此，經與專家充分討論，初步選定-3.18 m、-5.18 m和-7.18 m(85高程)作為疏浚底高程試算輸入條件，下文中分別稱為方案一、方案二和方案三[9]。

4.1 模型建立

4.1.1 研究方法

針對工程所在海域的特點，使用MIKE21軟件包建立適用于該海域的二維水動力泥沙數學模型，并考慮波浪對泥沙運動的影響。使用示蹤劑法對方案實施后吉達灣水體交換能力進行評估，其原理是對溶解性保守示蹤劑在灣內隨流輸運過程進行模擬，通過示蹤劑平均濃度的變化反映港池水交換能力的強弱程度，在計算末期示蹤劑濃度越小，表明灣內-外海水體交換效果越好。當示蹤劑平均濃度降低到0.5 g/L時，所用時間即為吉達灣的水體半交換周期[10]。

4.1.2 計算域及網格劃分

潮流數學模型計算域如圖7所示，東西方向長約220 km，南北方向長約120 km。開邊界東起陽江市東平鎮，西到湛江市南三島附近。采用局部加密的非結構三角形網格對計算域進行劃分。外海區域空間步長較大，在開邊界約為2 000 m，工程區域空間步長為10～15 m。

4.1.3 模型驗證

本文使用2019年4月在工程海域布設的H1潮位站資料和V1～V6共6個潮流測站的大、小潮期流速、含沙量觀測數據與模擬結果進行對比，以對潮流數學模型進行率定和驗證。其中大潮期對比曲線可見圖4～圖6，由圖可見模型計算得到的各測點潮位、流速、流向、含沙量計算值與實測值吻合較好，可以進一步為分析工程后流場、泥沙沖淤提供必要的水流動力條件。

圖4 潮位對比曲線Fig.4 Comparison results of tide

圖5 流速流向對比曲線Fig.5 Comparison results of current velocity

圖6 含沙量對比曲線Fig.6 Comparison results of suspended sediment concentration

4.2 整治效果-水體交換

計算時段選取2019年4月11日～5月10日共計28 d，包含由水文實測小潮至大潮的漲落過程。至第5 d時現狀條件和方案一～方案三的吉達灣示蹤劑濃度分布可見圖7。

7-a 工程現狀 7-b 方案一

由計算結果可知，現狀條件下示蹤劑濃度下降速率最小，主要是因為灣內泥沙淤積嚴重，漲落潮流動力較弱，造成示蹤劑不易向外海擴散。濃度在平面分布上由東側向西側逐漸升高，在灣內形成堆積。至28 d示蹤劑平均濃度仍大于0.6 g/L，表明現狀條件下吉達灣水域半交換周期大于28 d，反映出灣內水體自凈能力減弱、可能產生水污染問題。

對比方案一～方案三，整治底高程分別為-3.18 m、-5.18 m和-7.18 m。隨著灣內整治底高程的降低，在納潮量和漲落潮次數相同的情況下，灣內示蹤劑稀釋能力下降，半交換周期增加。方案一～方案三的半交換周期分別為2.33 d、2.50 d和3.50 d。

4.3 整治效果-回淤分析

使用潮流泥沙數學模型，并考慮波浪作用，對整治工程實施后吉達灣附近水域的淤積情況進行了模擬。3個方案淤積分布相似，均為吉達灣東側水域和潮汐通道內淤積強度較大：在潮汐通道，淤積強度向外海沿程遞減；在吉達灣，外海含沙水體隨漲潮流進入灣內，潮流動力減弱挾沙力下降使懸沙產生落淤。

整治方案實施后，淤積強度及回淤量統計可見表2。在吉達灣水域，方案一～方案三最大淤積強度在0.21～0.30 m/a，平均淤積強度在0.10～0.19 m/a，淤積量在13.1萬m3/a～24.8萬m3/a；至10 a后底床高程最高值為-1.18～-4.18 m，平均值為-2.38～-5.28 m。潮汐通道平均淤積強度在0.15～0.29 m/a，淤積量在1.3萬m3/a～2.6萬m3/a。總的來看，不同方案中方案一的淤積強度和回淤量均最小，但10 a后存在露灘的可能性，整治效果較為一般。方案二、方案三隨著疏浚底高程的降低，淤積強度和回淤量有所增加，但10 a內露灘的可能性低，整治效果相對較好。

表2 不同方案淤積強度及回淤量統計Tab.2 Statistical table of siltation intensity and volume

4.4 方案比選

通過以上分析可知，疏浚整治后在水深條件改善的同時，灣內與外海的水體交換能力有較大改善，半交換周期明顯縮短。方案一疏浚至-3.18 m，相比較開挖工程量最小，約為628萬m3，但其對水深條件的提升有限，10 a之后灣內可能出現露灘的情況。方案二疏浚至-5.18 m，開挖工程量約為987萬m3。方案三疏浚至-7.18 m，相比較開挖工程量最大，約為1 398萬m3。另外也考慮到疏浚水深增大導致水體交換效果變差，綜合整治效果與工程量、工程費用、項目工期等方面的因素進行綜合比選(表3)。

表3 疏浚底高程綜合對比表Tab.3 Comprehensive comparison table of dredging bottom elevation

由表3可知，3個方案實施后水體交換周期均比現狀有顯著改善，其中疏浚至-5.18 m及-7.18 m的整治效果相對較好，方案一10 a后存在露灘的可能性；但疏浚至-7.18 m的工程量及工程費用相比方案一與方案二增大明顯且工期較長。因此從整治效果、項目投資等方面綜合對比，項目的疏浚底高程推薦取為-5.18 m。

5 結論

針對整治范圍的界定，通過計算周邊設施整體穩定性，確保項目安全，在不影響相關設施現有穩定性的情況下適當留出富余空間。整治水域的范圍為：開挖水域坡頂線離大壩的距離取約100 m，離魚(蝦)塘的距離取為50～70 m，離北側、東側山體的距離取為60 m；邊坡按1∶5取值，對于西南角現有沙灘處按1∶25的坡比留出沙灘。由此可以確定灣內疏浚整治水域面積約1.44 km2(含邊坡)。針對整治工程底高程如何取值的問題，根據水文實測資料，建立了吉達灣水域的潮流泥沙數學模型，預測分析了疏浚底高程為-3.18 m、-5.18 m和-7.18 m時的水體交換和回淤量。計算結果表明水深條件改善的同時，半交換周期由大于28 d降低為2～4 d。考慮到隨著疏浚底高程的降低，半交換周期和回淤量均有所增大，綜合清淤工程量方面的因素，可將疏浚底高程定為-5.18 m。