道人山漁業碼頭對水動力泥沙環境的影響研究

范從軍，鄭文炳，朱訓楊

(1.南通港集團建設投資有限公司，江蘇南通 226500；2.寧波市盛甬海洋技術有限公司，浙江寧波 315000；3.寧波市海洋與漁業研究院，浙江寧波 315000)

引言

浙江省寧波市象山縣海洋漁業生產歷史悠久，改革開放以來，全縣漁業經濟一直保持著快速的發展勢頭，創造了輝煌業績。但近年來隨著近岸灘涂圍墾的實施以及臺風的襲擊，漁業基礎設施被拆除或者破壞，漁業生產形勢嚴峻。本項目是改善漁業基礎設施的重要工程，位于道人山圍涂工程北堤外側，圍墾區內為漁業生產配套的修理廠、晾曬場等。建設內容包括碼頭和防波堤，碼頭結構形式選用浙江沿海近岸小型漁業碼頭常見的斜坡式，該形式建設速度快，投資少，對潮位變化適應性強，滿足不同潮位下漁船的停靠。工程建設可能對周邊海域水動力、地形沖淤產生一定的影響。本文通過二維潮流數學模型對工程區域進行潮流模擬，采用實測水文泥沙資料對挾沙公式進行率定分析，結合半理論半經驗的沖淤公式，預測工程建成后水動力和淤積變化。

1 工程概述

1.1 工程內容

碼頭布置在港池中部，設計船型為100 t 漁船。總長度60 m，其中斜坡段長50 m，水平段10 m，寬12 m。碼頭方位角為N116°37′11″～296°37′11″。碼頭面標高-0.50 m～+3.0 m。碼頭前沿回旋水域按圓形布置，回旋圓半徑為32 m。

防波堤布置在港區的東側，為離岸式防波堤，南距道人山岸邊約60 m，堤基處泥面高程-3.0 m～-3.44 m。防波堤堤線為折線型，折角為150 度，南段堤線呈沿北偏西30o 方向（SSE～NNW 走向），北段呈沿北偏西60o方向（SSE～NNW 走向），堤頂寬6 m，堤身斷面總寬40 m，全長150 m。

圖1 工程平面布置圖

1.2 潮流潮汐

1）潮汐

雖然工程附近海域（HK1+HO1）／HM2的比值為0.39，屬正規半日潮，但是工程水域淺海分潮的振幅較大，其中HM4/HM2為0.03，因此工程海域為非正規半日淺海潮港類型。工程海域的最高、最低潮位分別為2.75 m 和-1.97 m，平均高、低潮位分別為1.66 m 和-0.97 m，月平均潮位為0.31 m；平均漲潮歷時5 小時54 分，落潮歷時6 小時30 分。

2）潮流

工程附近海域受岸邊地形及周邊島嶼影響，呈現往復流，流向177°～332°之間，漲落潮憩流一般發生在高低潮前后，漲潮流速大于落潮流速。據2015 年水文測驗成果顯示，各觀測站點的最大流速在0.53～1.09 m/s 之間（見圖4），垂線最大漲落潮流速均存在一定的偏角，漲落潮流向與碼頭走向基本一致。

3）風浪

工程區域波浪直接受風浪和涌浪影響，為混合型波浪。根據工程附近的大目涂水文站1981～1996年資料：工程海域常浪向為NE；涌浪常浪向為E；強浪向為E 和ESE，大浪集中在秋季的臺風和冬季的寒潮期，實測最大波高為2.3 m（波向E，1983年9 月），各月平均波高0.2～0.5 m，平均周期為6.8～7.5 s。

2 二維潮流模型

象山東部海域波浪強度與頻率均不大，潮流為水動力的主要控制因素。因此選取潮位為控制條件的二維潮流模型對工程實施后的水動力影響進行分析。

2.1 潮流基本控制方程

采用基于Boussinesq 和靜壓假定的二維平面不可壓縮雷諾（Reynolds）平均N-S 淺水方程求解流速、流向以及水位信息。模型采用的潮流控制方程為垂向的平均連續方程和運動方程：

式中：t為時間；η為潮面高程；d為靜水面一下深度；h=η+d為總水深；u、v為深度平均流速在x、y方向的分量；f為科氏力系數；g為重力加速度；ρ為水密度；ρ0為基準水密度；τij為水質點側向應力，包括粘滯摩擦力、紊流摩擦力、對流力等，在模型中采用一個渦旋粘滯系數，根據垂向平流速梯度場對上述幾種力進行綜合估值，可按下式計算：

式中：

υt為水平渦動粘滯力系數，通過求解k-ε模型得到；

τsx，τsy為水面風摩阻x、y方向分量（本項目中均為0）；

τbx，τby為水底摩阻x，y方向分量。

求解時網格采用非結構三角網格，水平空間離散采用標準Galerkin 有限元法，在時間上，采用顯式迎風差分格式，空間上采用ADI 離散動量方程與連續方程。

2.2 泥沙控制方程

象山縣東部海域為淤泥質海岸[1]，以懸移沙為主，根據竇國仁理論[2]，潮汐水流懸沙運動微分方程可寫為：

式中t為時間，為l水平坐標，S為含沙量濃度(kg/m3)，q為單寬流量（m3/s），h為水深（m），ω為懸沙沉降速度（m/s），本文取ω=0.0004m/s，α為泥沙沉降幾率，本文取0.6，S*為水流挾沙能。

對式（5）在一個潮周期內積分，可近似得到一年的淤積強度[3]：

S*的準確計算是沖淤強度計算的關鍵。本海域不同于一般的河口，為無徑流的近岸海區，根據黃承力對舟山釣梁圍墾工程的淤積分析[3]，波浪對沖淤影響比例在0.76%～17.5%之間，本工程海域與舟山海域海況類似，因此選用劉家駒考慮風浪流作用下的挾沙公式[4]，同時考慮非水力因子的影響，即背景含沙量[5]，利用工程海域實測水文泥沙資料對公式參數進行回歸分析，具體公式如下：

式中：

A、B、m為待求參數；U為風浪流合成速度；Vbt為風吹流和潮流的合成速度即，風吹流流速，Vb=0.0205W，Vt為實測潮流流速，W為風速，Vw為波流，有限水深下c為波速，H為波高。

當接近沖淤平衡時，即年沖淤量為p=0，帶入式（6）并結合式（7），令q1=h1U1，q2=h2U2可得則沖淤平衡時沖淤積量[6-7]為：

式中：q1、q2為工程前后的單寬流量，h1、h2為工程前和淤積平衡后的水深，上述公式中的水深均采用修正后的全潮平均水深[7]。

2.3 挾沙公式參數

根據2015 年象山縣東部海域4 月份實測波浪統計資料，有效波高H=0.27m，有效周期T=3.17s，計算得到波速為c=4.84m/s，結合實測懸浮沙、潮流和風速實測資料，回歸分析得到A=8.23、m=1.29、B=0.25。

圖2 挾沙公式參數回歸分析

3 模型建立

3.1 模型設置

本模型中，斜坡式碼頭通過改變地形水深進行模擬，防波堤則以護坦塊石為界線，設置為陸域邊界。數學模型的計算范圍上邊界位于梅山水道，東邊界至外海南韭山島，涵蓋整個象山港。水動力模型采用無結構的三角形網格，模型空間步長5～ 200 m，共有網格節點數為24 101，單元數為46 061，時間步長為10 s。開邊界潮位由寧波舟山近海三維潮汐模型給出[8]。

圖3 水文站點位置

3.2 模型驗證

模型潮位的驗證選用2015 年3 月份在擬建工程附近海域設置的T1#、T2#臨時驗潮站和S1#、S2#、S3#潮流站的水文監測資料。根據模型計算潮位流速與實測潮位流速的對比驗證情況，計算值與實測值在相位和幅值方面吻合較好，除個別時刻的流速驗證值存有稍大偏差外，實測與計算潮位總體誤差小于10 %。總體看來，流場模擬驗證符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》，區域內流場模擬計算結果基本反映了該海域潮流和潮波的實際變化。

4 工程后水動力環境影響

4.1 潮流影響

工程海域基本屬于往復流，漲潮主流方向為NW，落潮主流方向為SE。漲急時港池內形成環流，但環流較弱；落急時，從防波堤與道人山的口門處回落，潮流有所加強。整體來看工程實施后受防波堤檔流作用，流場形態變化局限于防波堤工程附近范圍內。工程實施前后漲、落急流速變化如圖4。整體來看，工程實施后漲、落急最大流速的減幅在0.1 m/s以內，受防波堤阻擋，港池內流速減小，最大影響區域位于防波堤工程內拐角處，防波堤南北兩端堤腳流速局部增大。防波堤內側流速減小0.07～ 0.08 m/s，斜坡碼頭前沿由于水深較小，流速變化只有0.02～0.03 m，遠小于防波堤處。港內落急流速影響大于漲急流速，漲急時近岸港池形成環流，但環流速度變化較小，小于0.01 m/s，防波堤內側流速變化0.01～0.03 m/s，防波堤外側拐角處由于挑流，局部流速增大0.02～0.03 m/s，流向變化0.11°～152.33°之間；落急時港池內流速變化0.01～0.1 m/s，防波堤西北角處部分水流外挑至東側，形成了小范圍流速增大區域，增大0.05～0.06 m/s，流向變化1.01°～62.06°之間。防波堤建成后，港池內流向平順，有利于漁船的停靠。

圖4 項目實施后工程海域流速變化

4.2 泥沙淤積

根據圖5可以看出，沖刷區域主要位于防波堤南北堤頭附近區域，淤積區域主要位于防波堤兩側及碼頭前沿，工程200 m范圍以外海域沖淤變化基本小于0.10 m，其它區域海床未受到明顯的影響。工程完成后，工程海域年沖淤速率在-0.2～0.3 m之間，港池內泥沙在防波堤處落淤，防波堤內側拐角處淤積最大，港池及碼頭前沿淤積在0.10～0.30 m之間。達到淤積平衡時，防波堤內側港池淤積在0.5～0.8 m之間，越靠近防波堤淤積越大，防波堤西北角和東南角受挑流和過水斷面變窄影響最大沖刷為0.5～0.6 m之間，碼頭前沿最終淤積0.2～ 0.4 m。

圖5 項目實施后工程海域淤積變化

5 結語

1）工程海域為非正規半日淺海潮，海底較為平緩，大致偏南-北向往復流動，漲潮流向317°～346°，落潮流向147°～225°，工程實施后，除工程海域局部流態變化，不會改變所在海域的潮流特征。

2）工程防波堤和斜坡碼頭均為順灣布置，未切斷潮流通道，灣內流向基本保持不變，仍為順灣流動，港內流速在0.01～0.18 m/s 之間，較平穩，有利于漁船停靠。

3）工程碼頭前沿以及防波堤內側海域受阻流影響，流速減小，防波堤內側流速影響程度大于碼頭前沿，落急流速變化大于漲急流速變化。防波堤北外側和南側分別受挑流和口門收縮影響，流速均增大。淤積區域主要位于防波堤兩側以及碼頭前沿，防波堤200 m 外海域基本未受到明顯影響。

4）綜合來看，道人山漁業碼頭及防波堤建設后，對周邊水動力影響較小，港內流速平穩，可以滿足漁船停靠及避風等，工程設計是可行的。