島群峽道港口工程開(kāi)發(fā)動(dòng)力地貌響應(yīng)研究
——以蝦峙漁港工程為例

曾凡興，黃欽洲，章衛(wèi)勝，張金善

(1.南京水利科學(xué)研究院，港口航道泥沙工程交通部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210029；2.舟山市普陀區(qū)漁港建設(shè)管理有限公司，浙江 舟山，316100)

峽道是島與島、島與陸、及陸與陸之間的溝通兩端較大水體的水流通道[1]。與受徑流影響的河口環(huán)境不同，也不同于開(kāi)敞水域和半封閉的海灣環(huán)境，峽道內(nèi)水流受潮流作用的顯著影響。受兩側(cè)地形的約束作用，峽道內(nèi)進(jìn)出水體大多表現(xiàn)為往復(fù)流運(yùn)動(dòng)。峽道與一般意義上的潮汐汊道差異在于，其連接的是兩片開(kāi)闊海域，沒(méi)有封閉的納潮海灣或?yàn)a湖[2]。峽道獨(dú)特的地形和位置使得峽道內(nèi)或峽道間存在水動(dòng)力和泥沙運(yùn)動(dòng)、沉積作用、地形沖淤等相互作用，稱(chēng)為“峽道效應(yīng)”[3]。島群環(huán)境下峽道的研究不同于一般的峽道或單一的峽道，其往往包含多個(gè)峽道，且峽道之間存在內(nèi)在“效應(yīng)”，其水流泥沙問(wèn)題更為復(fù)雜。因此，島群環(huán)境下峽道的動(dòng)力地貌研究是海岸動(dòng)力地貌研究中的一個(gè)重要方面，具有較高的理論和應(yīng)用價(jià)值。

浙江舟山群島海域是我國(guó)著名的島群海域，島嶼眾多，島嶼之間峽道縱橫分布。由于這些潮汐通道具有潮流強(qiáng)度適中、水深穩(wěn)定、受外海波浪作用影響較小等特點(diǎn)，是適宜港口開(kāi)發(fā)的優(yōu)良水域。近幾十年來(lái)，已經(jīng)建成數(shù)十個(gè)港區(qū)，上百個(gè)大型和特大型泊位。在海岸帶開(kāi)發(fā)過(guò)程中，港口開(kāi)發(fā)、灘涂匡圍、航道整治等人類(lèi)活動(dòng)已經(jīng)成為一種重要的影響因素，對(duì)河口海岸地區(qū)的動(dòng)力地貌環(huán)境均產(chǎn)生巨大影響[4]。

海岸帶上的動(dòng)力地貌研究主要是研究在波浪、潮汐、海流、風(fēng)等動(dòng)力因素作用下海底地形地貌的演變過(guò)程。在自然條件下，海岸動(dòng)力因素、海岸地貌和沉積物的相互作用往往趨于一種動(dòng)態(tài)平衡[5]。當(dāng)受到人類(lèi)活動(dòng)影響或自然條件變化時(shí)，這種平衡將被打破，系統(tǒng)將通過(guò)自身調(diào)整向新的地貌均衡演化。蔣國(guó)俊、陳沈良等[6-8]分別對(duì)舟山群島、崎嶇列島峽道的水文泥沙特性和沉積特征進(jìn)行了深入的分析。盧惠泉等[9]對(duì)海壇海峽峽道動(dòng)力地貌特征進(jìn)行了分析研究。近幾十年來(lái)，因港口建設(shè)的需要，我國(guó)的一些研究、設(shè)計(jì)單位及高等院校，從不同角度在淺海和峽道海區(qū)的水動(dòng)力、泥沙、沉積、地貌以及數(shù)值模擬等方面開(kāi)展了大量研究，但大多都是運(yùn)用河道、河口或海岸的泥沙理論圍繞具體工程問(wèn)題進(jìn)行研究或計(jì)算[10-11]，對(duì)于具體的地貌響應(yīng)過(guò)程涉及較少。

蝦峙島漁港位于舟山群島南部的條帚門(mén)水道，島嶼、峽道相間，水流和泥沙運(yùn)動(dòng)復(fù)雜。本文以蝦峙漁港工程為例，首先通過(guò)工程海域潮流數(shù)學(xué)模型結(jié)合實(shí)測(cè)水文資料對(duì)研究海域現(xiàn)狀和工程實(shí)施以后的潮流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究漁港工程實(shí)施以后動(dòng)力條件的變化；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地形資料，分析漁港工程實(shí)施后的動(dòng)力地貌響應(yīng)過(guò)程。該研究可加深對(duì)峽道動(dòng)力與地形演變的認(rèn)識(shí)，并且可為舟山群島峽道地區(qū)深水岸線(xiàn)和深水航道資源的開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

舟山群島南部水域較大的島嶼有蝦峙島、桃花島、登步島、六橫島等構(gòu)成舟山群島東南部東北—西南走向的島鏈。島嶼之間的水道由東北向西南分別為福利門(mén)水道、清滋門(mén)水道、蝦峙門(mén)水道、條帚門(mén)水道和牛鼻山—佛渡水道。這五大水道為北侖港水域漲落潮主要通道。其中佛渡水道緊靠穿山半島，北接北侖區(qū)的螺頭水道，南連蝦峙水道、條帚門(mén)水道和牛鼻山水道。蝦峙一級(jí)漁港位于舟山市普陀區(qū)蝦峙島的西南面條帚門(mén)水道，見(jiàn)圖1。

圖1 舟山群島南部水域形勢(shì)

條帚門(mén)水道兩側(cè)的島嶼岸線(xiàn)為基巖岸線(xiàn)和人工岸線(xiàn)，巖基屹立，抗沖性強(qiáng)，海岸基本沒(méi)有沖蝕現(xiàn)象發(fā)生。2003—2007年間在長(zhǎng)山島和蝦峙本島之間建成約480 m長(zhǎng)的防波堤，口門(mén)寬度60 m，口門(mén)處設(shè)計(jì)底高程-4.0 m(1985國(guó)家高程基面)，施工完成時(shí)實(shí)際底高程約為-2.0 m。蝦峙漁港由蝦峙本島、長(zhǎng)山島所圍成的水域和岸線(xiàn)組成，水域緊鄰條帚門(mén)水道。在防波堤掩護(hù)區(qū)建有漁業(yè)碼頭。建港初期地形滿(mǎn)足水深條件，不需要地形開(kāi)挖。隨后由于掩護(hù)區(qū)泥沙淤積，2013年1月在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖航道，航道底高程為-5.5 m，2016年后基本淤平，見(jiàn)圖2。

圖2 蝦峙島局部海域水深及實(shí)測(cè)流速站位分布

2 動(dòng)力泥沙環(huán)境

舟山群島海域潮汐來(lái)自于東中國(guó)海前進(jìn)潮波。根據(jù)2016年6月16日—7月2日半個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)潮位資料統(tǒng)計(jì)(站位見(jiàn)圖1)，海域平均潮差2.06～2.78 m，平均漲潮歷時(shí)5 h 46 min～5 h 51 min，平均落潮歷時(shí)6 h 30 min～6 h 47 min。

根據(jù)2016年6月現(xiàn)場(chǎng)6個(gè)測(cè)點(diǎn)大、小潮流速、流向資料統(tǒng)計(jì)(站位見(jiàn)圖2)，海域潮流為規(guī)則半日潮。海域潮流運(yùn)動(dòng)形式以往復(fù)流為主；主通道內(nèi)的流速較大，實(shí)測(cè)大潮垂線(xiàn)最大流速為1.82～1.97 m/s，大潮漲落潮平均流速為0.68～1.11 m/s；淺灘流速較小，大潮垂線(xiàn)最大流速為0.73～0.79 m/s，漲落潮平均流速為0.15～0.45 m/s。測(cè)區(qū)大部分測(cè)點(diǎn)漲落潮流速基本相當(dāng)；各垂線(xiàn)大潮漲潮流歷時(shí)5 h 4 min～5 h 51 min，落潮流歷時(shí)6 h 28 min～7 h 16 min；落潮歷時(shí)長(zhǎng)于漲潮歷時(shí)。

測(cè)驗(yàn)期間海域大潮平均含沙量0.09～0.16 kg/m3，小潮平均含沙量0.05～0.09 kg/m3。懸移質(zhì)主要由粉砂和黏粒組成，中值粒徑0.010～0.013 mm。舟山群島海域含沙量具有明顯區(qū)域和季節(jié)變化，冬季普遍高于夏季[12]。2016年10月在蝦峙漁港附近進(jìn)行了為期1個(gè)月的含沙量表層取樣，換算垂線(xiàn)平均含沙量值為0.22～0.25 kg/m3。

水域淺水區(qū)底質(zhì)類(lèi)型主要由粉質(zhì)黏土和黏土組成，測(cè)點(diǎn)中值粒徑基本在0.008～0.015 mm，與懸沙粒徑接近；主通道內(nèi)深水區(qū)以卵石為主，粒徑較粗，體現(xiàn)峽道底質(zhì)的橫向分選。

3 海床沖淤演變

根據(jù)防波堤局部2001、2007、2011、2016年現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地形資料分析工程實(shí)施引起的海床沖淤變化，見(jiàn)圖3。2001年2月資料顯示，長(zhǎng)山島北側(cè)、內(nèi)港池口門(mén)附近共存在3個(gè)深槽：局部高程均達(dá)到-27～-25 m，低于周邊淺灘20 m左右。船廠碼頭附近地形高程為-16.0 m左右，應(yīng)為港池開(kāi)挖所致。周邊淺灘地形在-4.5～6.0 m。防波堤于2003年開(kāi)始建設(shè)，2007年建成，之后3個(gè)深槽產(chǎn)生明顯的淤積。2007年5月地形資料顯示，長(zhǎng)山島北側(cè)深槽地形在-21 m左右、內(nèi)港池口門(mén)附近深槽地形高程在-20 m左右，防波堤內(nèi)側(cè)地形抬升至-11.0 m；周邊淺灘地形在-5.0～-3.5 m。對(duì)比可以看出，2001—2007年漁業(yè)碼頭之間內(nèi)港池口門(mén)外側(cè)淤積2.0～7.4 m、走馬塘島北側(cè)深槽的邊灘附近淤積2.0～8.3 m，而防波堤內(nèi)側(cè)區(qū)域淤積2.0～9.0 m。2011年4月資料顯示，長(zhǎng)山島北側(cè)深槽地形淤積至-10m、內(nèi)港池口門(mén)附近深槽地形高程在-8.6m，防波堤內(nèi)側(cè)地形抬升至-3.0 m；周邊淺灘地形在-2.7～-1.5 m。對(duì)比可以看出，2007—2011年漁業(yè)碼頭之間內(nèi)港池口門(mén)外側(cè)淤積2.0～10.8 m；走馬塘島北側(cè)深槽的邊灘附近最大淤積2.0～13.7 m；而防波堤內(nèi)側(cè)區(qū)域最大淤積2.0～7.6 m。周邊區(qū)域淤積速度基本在0.4～1.2 m/a。2016年6月地形測(cè)量資料顯示，長(zhǎng)山島北側(cè)深槽地形淤積至-5 m左右、內(nèi)港池口門(mén)附近深槽地形高程在-1.9 m左右，防波堤內(nèi)側(cè)地形抬升至-0.5 m左右；整個(gè)深槽基本淤平，與周邊淺灘連成一片。內(nèi)港池口門(mén)至船廠碼頭之間水域地形在-2.0～-1.4 m，防波堤內(nèi)側(cè)淺灘淤積至-0.2 m。

圖3 不同年份地形對(duì)比

表1和圖4為根據(jù)資料對(duì)比得到的地形淤積速率比較。可以看出，防波堤建成的前5 a(2007—2011年)為地形調(diào)整的主要回淤期，深槽淤積速率為1.9～3.4 m/a，淺灘淤積速率為0.4～0.9 m/a；深槽淤積速率大于淺灘。在建成后5～10 a(2011—2016年)淤積有所緩和，深槽淤積速率為1.1～1.3 m/a，淺灘淤積速率為0.1～0.3 m/a。

表1 地形淤積比較

注：沖為“﹣”；淤為“+”。

4 漁港工程動(dòng)力影響分析

4.1 平面二維潮流數(shù)學(xué)模型

采用丹麥DHI公司Mike21的水流模塊(FM)[13]在杭州灣大范圍潮流數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上建立工程海域局部潮流數(shù)學(xué)模型(圖1)。模型采用精細(xì)網(wǎng)格模擬岸線(xiàn)和工程邊界，局部網(wǎng)格尺度為10 m，網(wǎng)格單元數(shù)15.7萬(wàn)個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)8.1萬(wàn)個(gè)。

在2016年6月下旬進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)水文測(cè)驗(yàn)，包括3個(gè)臨時(shí)潮位站連續(xù)15 d潮位測(cè)量，具體站位見(jiàn)圖2。采用6條垂線(xiàn)大、小潮流速流向和含沙量資料對(duì)潮流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，部分站位驗(yàn)證過(guò)程見(jiàn)圖5，更多的驗(yàn)證情況可參見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。可以看出數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證結(jié)果良好。

圖5 模型計(jì)算潮位和流速流向與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

4.2 斷面流量影響

在數(shù)學(xué)模型中設(shè)置了6條斷面(D1～D6)，其中D1位于條帚門(mén)南口元山島和蝦峙島之間，D2位于走馬塘島和蝦峙島之間，D3位于金缽盂島和蝦峙島之間，D4位于金缽盂島和走馬塘島之間，D5位于走馬塘島和長(zhǎng)山島之間，D6位于長(zhǎng)山島和蝦峙島之間，斷面位置見(jiàn)圖2，斷面寬度見(jiàn)表2。

表2 主要斷面漲落潮進(jìn)出流量變化

根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，條帚門(mén)水道落潮流量大于漲潮流量。漁港工程建成以后，條帚門(mén)水道進(jìn)口斷面(D1)大潮漲落潮流量減小幅度在0.88%～2.06%，走馬塘島東側(cè)斷面(D2)大潮漲落潮流量減小幅度在9.40%～14.08%，減幅明顯。受其影響，走馬塘島東、西側(cè)水道潮量交換(D4)也明顯減弱。D3由于漲潮流量減小，在其它水道潮汐影響下，落潮流量略有增加。長(zhǎng)山島西側(cè)D5則因?yàn)楣こ探ㄔO(shè)流量增加4.34%～5.76%，東側(cè)斷面則因?yàn)榉啦ǖ探ㄔO(shè)流量減小95%以上。

4.3 流場(chǎng)及水動(dòng)力影響

蝦峙漁港附近海域島嶼、汊道交錯(cuò)，深槽和邊灘相間，漲落潮水流較為復(fù)雜。漲潮時(shí)，漲潮流沿外口進(jìn)入條帚門(mén)水道后，被走馬塘島分為東西兩支，其中西支為條帚門(mén)水道的主通道，東支進(jìn)入走馬塘島與蝦峙島之間的通道。東支主流通過(guò)長(zhǎng)山島西側(cè)深槽，一部分繞過(guò)扁擔(dān)山進(jìn)入條帚門(mén)主通道；另一部分則和長(zhǎng)山島東側(cè)淺灘水域漲潮流一起沿蝦峙島向北運(yùn)動(dòng)。落潮時(shí)，水流流路相反，蝦峙島和金缽盂島之間的落潮流由北口進(jìn)入通道，與金缽盂島西側(cè)部分落潮流匯合后一同進(jìn)入走馬塘島東側(cè)通道，向東南海域運(yùn)動(dòng)。蝦峙漁港工程實(shí)施以后，由于防波堤建設(shè)使得長(zhǎng)山島東側(cè)斷面縮窄，長(zhǎng)山島西側(cè)剩余通道內(nèi)水流明顯增強(qiáng)。一部分漲潮流在防波堤后側(cè)形成順時(shí)針漲潮回流及稍小尺度的逆時(shí)針回流，大部分漲潮流則沿蝦峙島岸線(xiàn)繼續(xù)向北運(yùn)動(dòng)。落潮時(shí)，漁港防波堤北側(cè)落潮流較弱，南側(cè)在主深槽邊緣形成逆時(shí)針落潮回流(圖6)。

圖6 蝦峙漁港工程建設(shè)前、后漲落急流場(chǎng)

從漁港工程實(shí)施后附近海域平均流速變化(圖7)可以看出，漁港工程實(shí)施以后，防波堤兩側(cè)約3.0 km范圍漲落潮流速減小明顯，局部減幅可達(dá)0.90～1.20 m/s。長(zhǎng)山島東側(cè)深槽流速增加，長(zhǎng)山島局部最大增幅在0.30～0.80 m/s之間；流速增加區(qū)域漲潮時(shí)位于工程西北方，落潮時(shí)偏西南向。

圖7 蝦峙漁港大潮漲、落潮平均流速變化(單位：m/s)

5 整治方案與整治效果

5.1 地形沖淤模型復(fù)演

在潮流數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，利用丹麥DHI公司Mike 21MT模塊[13]建立海域泥沙輸運(yùn)數(shù)學(xué)模型，其范圍與潮流數(shù)學(xué)模型相同。利用數(shù)學(xué)模型對(duì)防波堤工程引起的地形沖淤變化進(jìn)行復(fù)演。根據(jù)2011、2016年地形得出平均每年的地形沖淤分布，以此作為實(shí)測(cè)資料對(duì)模型的地形沖淤進(jìn)行驗(yàn)證，數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)際地形結(jié)果見(jiàn)圖8。可以看出，整個(gè)防波堤內(nèi)部淤積明顯，其中最大淤?gòu)?qiáng)1.25 m/a左右，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近。

圖8 數(shù)學(xué)模型計(jì)算沖淤分布和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

5.2 整治思路

根據(jù)當(dāng)?shù)爻绷鳌⒛嗌尺\(yùn)動(dòng)分析，蝦峙一級(jí)漁港港池和航道淤積的泥沙來(lái)源為懸沙落淤。蝦峙島海域水流較強(qiáng)，水體含沙量較大；漁港防波堤建成以后，阻隔了漲落潮水流，減弱了潮流動(dòng)力，尤其是漲潮時(shí)，在防波堤內(nèi)側(cè)形成漲潮回流，使得防波堤掩護(hù)區(qū)域成為懸沙淤積區(qū)。現(xiàn)有的60 m口門(mén)對(duì)于整個(gè)淤積區(qū)的改善影響較小。因此，減少淤積的整治思路首先是考慮擴(kuò)大口門(mén)寬度，恢復(fù)漲落潮動(dòng)力，并減小回流影響范圍；同時(shí)，對(duì)口門(mén)通道局部地形進(jìn)行清淤，增加口門(mén)斷面的進(jìn)出潮量。

根據(jù)以上整治思路，提出以下2個(gè)整治方案：方案1，拆除防波堤130 m，使得口門(mén)寬度增至190 m；方案2，拆除防波堤200 m，使得口門(mén)寬度增至260 m。同時(shí)，清理航道和口門(mén)南側(cè)淺灘約400 m范圍至水深-6.0 m。

5.3 整治方案效果

圖9為2種方案整治工程實(shí)施后局部地形沖淤變化。可以看出，整治方案1實(shí)施后，預(yù)留口門(mén)附近地形基本沒(méi)有淤積，呈略有沖刷趨勢(shì)；長(zhǎng)山島內(nèi)側(cè)開(kāi)挖根部回淤?gòu)?qiáng)度在1.5～2.0 m/a；防波堤掩護(hù)段航道淤積基本在0.5～1.0 m/a，修船廠碼頭外側(cè)水域地形淤積在0.8～1.0 m/a。計(jì)算航道開(kāi)挖區(qū)內(nèi)年回淤總量為29.3萬(wàn)m3，平均淤?gòu)?qiáng)0.44 m/a。整治方案2最大回淤?gòu)?qiáng)度與方案1基本一致，但回淤區(qū)域面積縮小。計(jì)算航道開(kāi)挖區(qū)內(nèi)年回淤總量為18.9萬(wàn)m3，平均淤?gòu)?qiáng)0.28 m/a。可以看出，整治工程實(shí)施以后，海域的泥沙淤積相比現(xiàn)狀有明顯改善，且200 m開(kāi)口方案效果更優(yōu)。

圖9 整治方案實(shí)施后地形沖淤

6 結(jié)語(yǔ)

1)蝦峙一級(jí)漁港位于舟山群島水域蝦峙島的西南面條帚門(mén)水道，屬于典型的峽道水域，主槽流速?gòu)?qiáng)勁，淺灘流速較弱。防波堤建成以后，條帚門(mén)水道進(jìn)口斷面漲落潮流量有所減小，走馬塘島東側(cè)斷面漲落潮流量明顯減小，同時(shí)走馬塘島東、西側(cè)水道潮量交換也相應(yīng)減弱。長(zhǎng)山島西側(cè)通道內(nèi)水流增強(qiáng)，防波堤兩側(cè)流速大幅減弱，并在防波堤北側(cè)形成順時(shí)針漲潮回流，南側(cè)形成逆時(shí)針落潮回流。

2)漁港工程實(shí)施以前，峽道海床基本沖淤平衡。工程建成以后，蝦峙島西側(cè)近岸淺灘和漁港防波堤兩側(cè)淺灘區(qū)域產(chǎn)生明顯的泥沙沉積。在工程實(shí)施后掩護(hù)區(qū)深槽回淤速率大于淺灘；回淤區(qū)在5 a內(nèi)泥沙淤積速率較強(qiáng)，5～10 a以后回淤速率明顯減小，淺灘區(qū)域淤積趨于平衡。

3)蝦峙島海域水流較強(qiáng)，水體含沙量較大；漁港防波堤建成以后，阻隔了漲落潮水流，減弱了潮流動(dòng)力；防波堤內(nèi)部的弱流環(huán)境使得水域成為泥沙淤積環(huán)境，防波堤兩側(cè)的漲落潮回流進(jìn)一步加大了水體中的泥沙沉積。這是當(dāng)?shù)睾４矝_淤變化的動(dòng)力原因，從動(dòng)力地貌學(xué)角度，若要改變當(dāng)?shù)氐某练e環(huán)境，需從增加漁港水域漲落潮動(dòng)力，減小含沙水體中的泥沙淤積方面著手。提出的整改方案思路可為類(lèi)似環(huán)境下的港口工程開(kāi)發(fā)提供借鑒。