杭州灣灘涂回淤數值模擬預測研究

摘要：針對杭州灣灘涂區域的促淤和回淤問題，構建寧波灣南岸區域的水動力及沖淤數值計算模型，結合現場實測沖淤數據驗證短期沖淤數值計算模型可靠性，得到該區域未來較長時間尺度下的自然回淤狀況，同時對比人工筑堤擇優選取促淤方案。研究結果表明，開挖導流作用下的自然淤積灘涂恢復效果顯著，而隔堤的修建對于溝槽的泥沙滯留淤積作用顯著，修筑-2.2 2m高程隔堤后原本低洼的區域平均促淤厚度達0.2 2m，低洼區域內部海床高程可以達到2.5m左右，因而采取以導流自然淤積為主輔以隔堤的灘涂促淤恢復手段，對于高含沙量海域低洼區域的泥沙淤積效果尤為顯著。

關鍵詞：杭州灣；人工促淤；沖淤計算；數值模擬

中圖分類號： TV 8； P 7 文獻標志碼： A 文章編號： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 4） 0 6-0 1 5 1-1 1

基金項目：國家重點研發專項（ 2 0 1 8 Y F B 1 5 0 1 9 0 1） ；浙江省自然科學基金項目（ L O 2 0 D 0 6 0 0 0 3）.

S t u d yo nN u m e r i c a l S i m u l a t i o na n dP r e d i c t i o no fS i l t R e t u r n i nH a n g z h o uB a yB e a c h

L IR a n1，GON G M i n g1，XUX u e f e n g1， 2，S ON GZ e k u n1， YAN G W a n k a n g1，KA IL i q i o n g1

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A b s t r a c t：A i m i n ga t t h ep r o b l e m so f s i l t a t i o np r o m o t i o na n ds i l t a t i o nr e t u r n i n t h eb e a c ha r e ao f H a n g z h o uB a y，an u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm o d e lo fh y d r o d y n a m i ca n ds c o u ra n ds i l t a t i o ni nt h e s o u t hb a n ko fN i n g b oB a yw a sc o n s t r u c t e d，a n dt h er e l i a b i l i t yo f t h es h o r t - t e r ms c o u ra n ds i l t -a t i o nn u m e r i c a l c a l c u l a t i o nm o d e lw a sv e r i f i e db yc o m b i n i n gw i t ht h ef i e l dm e a s u r e ds c o u ra n d s i l t a t i o nd a t a，s oa s t oo b t a i n t h en a t u r a l s i l t a t i o ns i t u a t i o n i n t h i s a r e au n d e r a l o n g e r t i m e s c a l e i nt h e f u t u r e . M e a n w h i l e，t h e s i l t a t i o np r o m o t i o ns c h e m ew a s s e l e c t e db yc o m p a r i n gw i t ha r t i f i -c i a l e m b a n k m e n t c o n s t r u c t i o n . T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h er e s t o r a t i o ne f f e c to fn a t u r a l s i l tb e a c hu n d e r t h e a c t i o no f e x c a v a t i o nd i v e r s i o n i s r e m a r k a b l e，a n d t h e c o n s t r u c t i o no f b a r r i e r h a sas i g n i f i c a n t e f f e c to nt h er e t e n t i o na n ds e d i m e n t a t i o no fs e d i m e n t i nt h et r e n c h. A f t e rt h e c o n s t r u c t i o no f t h eb a r r i e rw i t hah e i g h t o f - 2.2 2 m，t h e a v e r a g e t h i c k n e s s o f s e d i m e n t p r o m o t i o n i nt h e l o w - l y i n ga r e ar e a c h e s0.2 2 m，a n dt h ee l e v a t i o no f s e a b e d i nt h e l o w - l y i n ga r e ac a nr e a c h a b o u t 2.5 m. T h e r e f o r e，i t i sp a r t i c u l a r l ye f f e c t i v e f o r t h es e d i m e n td e p o s i t i o n i n l o w - l y i n ga r e a s i nt h eh i g hs e d i m e n tc o n t e n ts e aa r e at oa d o p tt h em e t h o do fn a t u r a ld i v e r s i o na n ds e p a r a t i o n e m b a n k m e n t .

K e y w o r d s：H a n g z h o uB a y，A r t i f i c i a ls i l t i n gp r o m o t i o n，S c o u r i n ga n ds i l t i n gc a l c u l a t i o n，N u -m e r i c a l s i m u l a t i o n

0 引言

近年來我國海岸工程建設不斷為國家經濟發展增添活力，而與此同時沿海灘涂的開發帶來的一系列問題也需要開展生態修復[ 1-2]。灘涂地形的變化對水動力條件和泥沙沖淤條件變化起到了重要作用[ 3-4]，因而對其進行數值模擬預測研究在此背景下就顯得尤為重要。

河口海灣地區是河流上游攜帶泥沙與外海泥沙所匯集的區域，泥沙的匯集對于船舶的航行安全[ 5]、港口的運營維護[ 6]以及岸灘的淤積疏浚[ 7]起到重要的影響，因而該區域的泥沙輸運研究一直以來都是相關專家學者研究的熱點。近年相關學者開展了大量對杭州灣區域的潮汐潮流、含沙量特征以及灘涂演變研究，為后期杭州灣數值模擬研究工作的開展積累了寶貴的經驗。潘存鴻等[ 8]結合杭州灣區域長系列實測潮位、海平面變化以及河口圍涂資料，探討杭州灣潮汐變化及其原因，指出當地和鄰近海域的涉海工程是造成該區域潮汐變化主要原因之一。陳登俊等[ 9]從流速、流向和歷時方面分析了杭州灣潮流特征，闡述了杭州灣水深條件良好，但灣口島嶼眾多，水道縱橫且灣內水深急速變淺，因而形成明顯的潮大、流急和潮流三維特征。堵盤軍[ 1 0]建立杭州灣泥沙數值模型并結合眾多科研項目數據進行率定驗證，分析得到杭州灣懸沙濃度平面分布表現為西高東低，大潮小潮周期變化顯著，潮周期內懸沙濃度也隨時間而呈明顯的周期變化。胡成飛等[ 1 1]基于杭州灣近6 0年的水文地形監測資料，分析杭州灣南岸灘涂發育的動力機制、水沙變化以及促淤圍涂工程對灘涂演變的影響。目前國內涉海工程的泥沙沖淤模擬研究中，對圍墾工程實施的泥沙數值模擬研究較多，同時也積累了一定的經驗，如宋澤坤[ 1 2]利用M I K E 2 1F M構建長江口—杭州灣二維垂向平均潮流、懸浮泥沙運動和地貌演變數學模型，研究圍墾工程對于水動力、泥沙及河床演變沖淤的影響。但由于灘涂低洼區域的導流促淤工程情況特殊，對這種特殊涉海工程進行泥沙沖淤數值模擬研究的重要性也就更為顯著。

國內外在該項研究中大多選取二維潮流泥沙數值模型進行模擬預測[ 1 3-1 4]，D e l f t 3 D、E C OM、MOH I D、M I K E 2 1等均為沖淤模擬常用的二維泥沙數值模型軟件[ 1 5]。本文基于寧波杭州灣南岸實測地形與水文數據，采用M I K E 2 1構建杭州灣大范圍水域水動力模型并進行驗證，使用M I K E 2 1 MT模塊結合短期現場實測數據驗證沖淤模型進行率定，分別對自然回淤與人工筑堤兩種情況進行長時間尺度的泥沙數值模擬預測，為低洼區域促淤方案選取提供參考。

1 背景概述

1.1 工程區域潮汐情況

結合所研究的低洼區域附近臨時潮位站T 1（圖1） 1個月實測潮位資料分析，該潮位站最高、最低潮位分別為4.3 2m和-3.0 3m，平均高、低潮位分別為2.9 7m和-2.1 9m；最大潮差為7.2 2m，平均潮差為5.1 7m；總體上表現為平均落潮歷時長于平均漲潮歷時，平均落潮歷時比平均漲潮歷時長約8 0分鐘。工程區域潮汐特征具有相當明顯的變化規律，在1個月中潮汐出現2次大潮和2次小潮；而潮位在1日中也規則地出現2次高潮、2次低潮，但潮汐的日不等現象較為明顯。

1.2 工程基本情況

開挖導流工程位于杭州灣南岸灘涂（圖2） ，所處的海床高程基本高于大潮的高潮位，雖然灘涂低洼區域內部最大深度有1 0m左右，但是灘涂低洼區域的外圍仍然維持高灘，一般情況下潮水無法越過外圍的高灘進入低洼區域的內部，這就導致洼地內部與外側杭州灣的潮流完全隔絕。因此在開挖導流溝工程之前潮水無法涌入其中，洼地內部基本沒有潮流的運動。

在此背景下，于2 0 2 1年7月將該低洼區域與西北側潮溝之間開挖長度約7 5m，寬度約9 0m，深度約3m的導流溝，研究區域地形以及洼地與潮溝之間的導流溝如圖3所示。導流溝的開挖使得洼地內部與外海聯結，杭州灣潮水攜帶泥沙涌入低洼區域中，低洼區域內因而產生潮流運動，為該區域泥沙自然回淤創造基礎條件。

2 模型構建

M I K E系列軟件目前是國際聞名的水動力模擬系統，我國七大流域相關機構以及環境設計與研究機構均有采用，M I K E 2 1作為該系列軟件中平面二維自由表面流模型，能夠有效模擬水域中的水動力、水質、沖淤、溢油擴散狀況等，擁有強大的前后處理功能[ 1 6]。M I K E 2 1FM對區域水動力的數值模擬能夠為M I K E 2 1 MT的泥沙輸運模塊的研究計算提供了驅動力條件和理論基礎支撐[ 1 7]。

2.1 M I K E 2 1F M水動力模型控制方程

2.3 模型區域概化

模型計算域如圖4所示，涵蓋了整個杭州灣、曹娥江、甬江、舟山群島。計算域大范圍水深由海軍航保部海圖數字化后獲得，研究區域附近海域地形由2 0 2 1年1 1月至2 0 2 2年6月期間對研究所在的區域進行1∶2 0 0 0基礎地形測量及高程測量的實測數據修正，研究區域岸線根據最新的衛片提取獲得。研究區域局部地形如圖5。

在研究區域局部海域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30 0 0m。低洼區域局部及水道內網格較小，為1 0～2 0m。工程前計算域共計生成計算節點3 03 3 0個，網格5 83 3 5個。局部網格見圖6。

2.4 參數選取

3.1 模型驗證

采用研究水域的潮位和潮流的實測觀測資料，對模型進行驗證，從而評估模型的可靠性。驗證資料選擇2 0 2 2年7月1日8： 0 0至2 0 2 2年7月2日1 0： 0 0（大潮）以及2 0 2 2年6月2 2日1 2： 0 0至2 0 2 2年6月2 3日1 4： 0 0（小潮）期間，自然資源部第二海洋研究所最新水文測驗期間獲取的包括1個測站潮位資料及5個潮流測站完整的包括大、小潮周期的流速、流向野外觀測資料進行驗證，水文測站位置圖1已給出。

3.1.1 潮位驗證

潮位站潮位驗證結果如圖7，大潮和中潮期間模擬計算潮位與實測潮位擬合得較好，最高、最低潮位誤差較?。幌鄬Χ孕〕钡哪M潮位與實測潮位之間誤差較大，但總體上模擬潮位能夠反映實際潮位變化。

3.1.2 潮流驗證

從漲落急時段的流向變化來看，往復流特征明顯，各點流向的變化趨勢上擬合較好，表明模擬結果反映了研究區域及周邊真實潮流運動特征，基本上滿足對沖淤數值模擬及預測研究的開展。潮流驗證結果選擇潮灘內C 1測站與潮灘海域C 4測站進行展示，如圖8、圖9所示。

3.1.3 含沙量驗證

在大部分時刻，各測點的含沙量特征值和時間過程與實測值較為接近，泥沙數學模型能夠基本反映研究區域含沙量隨水動力條件的變化情況。含沙量驗證結果同樣選擇潮灘內C 1測站與潮灘海域C 4測站進行展示，如圖1 0、圖1 1所示。

3.2 短期實測沖淤驗證

圖1 2、1 3為灘涂低洼區域導流溝開挖后開始自然回淤的2 0 2 2年4月實測水深圖（距導流溝開挖8個月）及模型預測得到的導流溝開挖8個月后水深圖和高程圖。從圖中可以看出，預測得到的沖淤結果與實測的沖淤地形較為符合，表明本模型較好地復演了導流溝開挖后低洼區域內部的地形沖淤變化，沖淤模型可以用于后期的地形沖淤變化預測等各項工作。

3.3 設計工況及預測結果

設計3種工況如表1所示，涵蓋自然回淤及人工筑堤促淤的情況，修筑隔堤位置如圖1 4。

自然回淤情況下導流后洼地內部整體呈現出淤積的狀態，在漲潮過程中，隨著水位升高外海高含沙量水體可以通過開挖的導流溝進入到洼地區域內，由于該低洼區域屬于半封閉狀態，水動力較弱，水體中泥沙迅速落淤至海床床面。水體含沙量減小后在落潮時刻又隨落潮退出至外海，因而自然回淤一定程度上促進了灘涂海床沖淤環境的恢復。通過沖淤數值模擬（圖1 5）顯示最大淤積厚度可以達到7.8m，中心主通道內最終淤積效果較差，研究區域內部中心通道最大水深在-1 m左右，難以達到周邊灘涂區域的灘面高度。

人工修筑隔堤后，使得水體在落潮過程中緩慢流出低洼區域，這就使得水體中的懸浮泥沙有更長的時間可以沉降至海床，此外隔堤可以降低低洼區域內部尤其是中心主通道內的流速，避免已沉降至海床的泥沙再懸浮，提高淤積效率同時盡可能避免中心沖刷溝的形成。設計的兩個隔堤工況低洼區域內中心沖刷溝基本消失，洼地內部海床抬升形成高灘，洼地內的海床沖淤回淤效果均較為明顯，如圖1 6和1 7所示。修筑高程+1m的隔堤，最終原本的低洼區域內平均淤積厚度0.4 5m，最終區域內部海床高程基本可以達到2.7m左右。修筑高程為平均低潮位-2.2 2m的隔堤，最終原本的低洼區域內平均淤積厚度0.2 2m，最終區域內部海床高程基本可以達到2.5m左右。

4 結論

利用實測數據采用M I K E 2 1FM模型建立杭州灣地區水動力模型，能夠客觀而準確地反映杭州灣海域流場特征，與最新的現場實測資料進行潮位、流速、流向及含沙量的驗證，并構建該區域數值計算模型進行短期實測沖淤驗證，使用驗證后的模型預測自然回淤與人工筑堤促淤情況下寧波杭州灣南岸低洼區域沖淤情況，同時繪制沖淤平衡后的海床高程圖，最終對得到的數值模擬結果分析得到：

（ 1）灘涂低洼區域以開挖導流溝的方式和洼地區域內部貫通后，來自杭州灣高含沙量水體可以進入到低洼區域內，水體中泥沙迅速落淤至海床床面，洼地內部整體呈現淤積，因而導流措施下海床環境自然泥沙回淤效果顯著。原本的低洼區域邊緣區域淤積厚度較為明顯，最大淤積厚度可以達到7.8m，中心主通道內最終淤積效果略差，最終區域內平均淤積厚度4. 2 1m。灘涂低洼區域導流工程后原本的低洼區域內部回淤效果明顯，除溝槽外基本淤積至區域周邊灘涂區域的海床高度，因而自然泥沙淤積后在研究區域內部可能在居中位置存在明顯的潮溝。

（ 2）采取人工筑堤促淤措施后，中心主通道內水域淤積厚度均較為明顯。兩個隔堤方案達到沖淤平衡后原本的低洼區域中心沖刷溝基本消失，洼地內部海床抬升形成高灘，能夠對洼地中泥沙回淤形成的潮溝區域抬升起到顯著效果。

（ 3）從隔堤環境影響來看，平均低潮位-2.2 2m隔堤方案為透水結構，而高程+1m隔堤方案為非透水結構，而兩個方案最終海床平均淤積高度僅相差0.3 m，淤積效果卻相差不大。因此選擇修筑-2.2 2m隔堤對于洼地區域灘涂恢復效果最佳。

（ 4）綜合來看，采用以導流自然淤積為主，以修筑人工隔堤為輔的灘涂恢復手段，對于高含沙量海域低洼區域的泥沙淤積效果甚佳。

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