黃承力，季有俊，潘國富

（國家海洋局第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點實驗室，浙江 杭州 310012）

沿海地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展，人口的高度密集，土地資源的需求也隨之日益增加。合理的圍墾促淤，開發(fā)利用海灣淺灘、潮間帶豐富的土地資源成為了緩解人地矛盾的重要途徑之一。圍墾工程實施后，由于邊界條件的改變，將對工程區(qū)域及附近海域的水動力條件、泥沙輸移環(huán)境及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大的影響。一般地，圍墾工程通過減弱潮流動力，使得漲潮流挾帶的懸沙沉降在圍墾區(qū)，懸沙“多進(jìn)少出”的累積，最終可以達(dá)到圍墾區(qū)不斷淤積的效果。然而，由于影響海床沖淤因素的多樣性和海灣淺灘水動力條件的復(fù)雜性，往往難以準(zhǔn)確地預(yù)測出工程區(qū)沖淤變化，對最優(yōu)圍墾工程方案的選取也造成了困難。因此，對工程后引起的海床沖淤演變機制進(jìn)行分析并準(zhǔn)確的估算出泥沙的回淤過程，是海岸工程學(xué)中一個很有價值并亟待解決的重大課題。

在浙閩沿海，廣泛分布著淤泥質(zhì)淺灘，淤泥質(zhì)海岸由粒徑為0.01～0.03 mm 的淤泥、粉沙、粘土等細(xì)顆粒物質(zhì)組成。岸坡平緩，潮灘發(fā)育好，泥沙供應(yīng)豐富，為圍墾促淤提供了有利條件。淤泥質(zhì)海岸淺灘上的水文觀測和風(fēng)浪掀沙研究表明：淤泥質(zhì)淺灘海域泥沙運動的主要動力是風(fēng)浪和潮流，在風(fēng)浪和潮流綜合作用下的泥沙運移形態(tài)主要是懸移質(zhì)。一般來講，促使淤泥質(zhì)海床沖淤演變的3 個主要參數(shù)是流速、含沙量和水深。其中流速參數(shù)最為活躍，是挾帶水體含沙量的能源，是引起海床沖淤的關(guān)鍵因素；含沙量常由流速決定，流速的改變可以引起含沙量的變化，但由于滯后效應(yīng)，含沙量的變化落后于流速的改變；海床水深的變化由泥沙沖淤形成，更落后于含沙量變化，并有明顯的滯后性。流速、含沙量和水深相互影響，任一參數(shù)的改變將影響其余2 個參數(shù)的變化，反過來又會影響自身的變化從而引起海床沖淤演變。

目前，對圍墾沖淤演變計算分析研究方法主要有理論分析、物理模型、數(shù)學(xué)模型及半經(jīng)驗半理論公式。理論分析往往難以直接運用在工程實際當(dāng)中；物理模型精度較高，但投資大，周期長，并且存在尺度效應(yīng)，如果控制不好，會直接影響結(jié)果的可靠性；數(shù)學(xué)模型往往受到泥沙實測資料不足以及計算歷時長等多方面因素的制約，且計算精度也有待提高；國內(nèi)則多數(shù)使用半經(jīng)驗半理論公式進(jìn)行計算分析。宋立松（1999） 通過定床潮流計算結(jié)果和河床變形方程求得初始淤積速率，利用最小能耗原理求得極限淤積平衡狀態(tài)，最后通過灰色理論計算出整個淤積過程。徐群等（2005） 在甌江河口淺灘進(jìn)行估算分析，結(jié)合淤積干密度、垂線平均含沙量及淤積厚度與淤積時間關(guān)系，推導(dǎo)出初始淤積量和逐年淤積量公式。王義剛等（2000） 利用平面二維潮流數(shù)值模型得到工程前后流場分布，通過淤積強度公式計算出淤積強度，然后按照淤積強度對二維潮流模型進(jìn)行地形修正，從而進(jìn)行下一步流場計算，如此反復(fù)計算，得到每年的淤積強度。曹祖德等（2009） 通過研究海床沖淤演變機理，提出海床沖淤指標(biāo)及沖淤標(biāo)準(zhǔn)，建立了海床演變預(yù)測方法，并計算出海床逐年淤積強度和最終沖淤強度。在潮間帶等淺灘，工程區(qū)往往會出現(xiàn)間歇性淹沒的現(xiàn)象，對淤積強度的計算增加了困難。吳楨等（2011）在平面二維潮流模型基礎(chǔ)上，利用修正水深及流速后的半經(jīng)驗半理論公式，分析了漩門灣潮間帶圍墾工程后的沖淤變化。

這些沖淤計算方法都有各自的優(yōu)點和適用范圍，但都沒有考慮到波浪對圍墾區(qū)沖淤的影響，實際的海灣，往往是波流共同作用下的?！安ɡ讼粕?，水流輸沙”是人們廣泛接受的泥沙輸移機制，在淤泥質(zhì)海岸則更為明顯。波浪對泥沙運行的影響主要表現(xiàn)在促進(jìn)細(xì)顆粒泥沙懸揚成為懸移質(zhì)，然后進(jìn)入水體隨著水流方向輸運。同時，波浪也增強了水體的紊動，使得含沙量垂線分布較均勻，底床切應(yīng)力的增加，降低了泥沙沉降機率，懸沙容易隨著落潮流而流出圍墾區(qū)，從而影響圍墾促淤工程的效果。此外，波浪通過波生流的作用而影響流速，進(jìn)而改變水流挾沙能力，對沖淤強度有直接的影響。因此，圍墾促淤效果對復(fù)雜波浪作用的響應(yīng)可以從沉降機率和水流挾沙能力兩方面進(jìn)行分析。筆者在平面二維潮流的基礎(chǔ)上應(yīng)用半經(jīng)驗半理論的泥沙沖淤計算方法，利用當(dāng)?shù)貙崪y水文泥沙資料，選取符合當(dāng)?shù)貙嶋H的有關(guān)計算參數(shù)，并考慮波浪對沉降機率和水流挾沙能力的影響，對舟山市釣梁圍墾二期工程區(qū)進(jìn)行沖淤預(yù)測計算。

1 泥沙沖淤計算原理

王義剛等（2000） 通過竇國仁的潮汐水流懸沙運動微分方程，進(jìn)行一個潮周期內(nèi)積分，并假定工程前后不改變邊界來沙量則可以得到一年中沖淤強度p。

式中：S 為含沙量；q 為單寬流量；l 為潮流方向，H 為水深；ω 為懸沙沉降速度；S*為水流挾沙能力，下標(biāo)“1”表示工程前，“2”表示工程后；n 為一年中漲落潮過程個數(shù)，Δz 為一個潮周期內(nèi)沖淤強度，α 為懸沙沉降機率；T 為潮周期；γc為泥沙干容重。

由（2） 式可見，沖淤強度與挾沙能力、懸沙沉降機率、懸沙沉降速度、干容重及歷時等因子有關(guān)。其中挾沙能力最為關(guān)鍵，其大小與潮流速、風(fēng)成流及波生流速度有關(guān)；當(dāng)含沙量大于挾沙能力S*時，懸沙淤積，反之，則出現(xiàn)沖刷。波浪作用會影響懸沙沉速和沉降機率，泥沙干容重也會隨著淤積歷時而變化。

1.1 挾沙能力計算

沖淤強度計算的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確的挾沙能力計算。對于無徑流輸入的近岸海區(qū)，劉家駒[7]通過分析認(rèn)為近岸海區(qū)水體含沙量與風(fēng)吹流、波浪和潮流密切相關(guān)， 同時也與泥沙沉速和水深等因素有關(guān)，因此，在風(fēng)浪和潮流作用下挾沙能力應(yīng)有如下函數(shù)形式：

式中：Vbt為風(fēng)吹流和潮流時段合成速度，Vw為利用淺水微幅波理論，取周期內(nèi)時間和水深平均而求得的特征波水平平均流速。通過量綱分析法，將風(fēng)吹流、波流和潮流以傅汝德數(shù)的形式體現(xiàn)，則（3）式可寫成：

式中：K、m 和B 為待定的參數(shù)，Vb為風(fēng)吹流流速；Vt為潮流流速；W 為風(fēng)速；c 為波速，H 為特征波高。

1.2 懸沙沉降機率與絮凝沉降速度

懸沙沉降機率主要跟泥沙粒徑和流速有關(guān)。Krone（1962） 考慮較均勻的粘性泥沙，將懸沙沉降機率定義為水流切應(yīng)力與臨界淤積切應(yīng)力的比值的參數(shù)：

式中：τb水流切應(yīng)力；τcd為臨界淤積切應(yīng)力。臨界淤積切應(yīng)力可以參考長江口粘性泥沙的研究成果τcd=0.072～0.08 N/m2。當(dāng)水流切應(yīng)力小于臨界切應(yīng)力時，便發(fā)生淤積現(xiàn)象。波浪對泥沙沉降機率的影響主要表現(xiàn)在對水流切應(yīng)力的改變。Jonsson（1966） 綜合了前人的研究，對波浪底部邊界層問題作了全面的探討，認(rèn)為在波浪振蕩流作用下的最大底切應(yīng)力可以表示為：

其中，um表示近底波浪質(zhì)點水平速度最大值；fw為波浪底摩阻系數(shù)。計算波浪底摩阻系數(shù)的方法較為復(fù)雜，涉及相對粗糙度及雷諾數(shù)的問題。在工程上，可以根據(jù)區(qū)域選用經(jīng)驗值計算，對于較為平坦的淤泥質(zhì)海岸可以選用fw=0.01。

針對淤泥質(zhì)海岸工程區(qū)域特點，可以考慮淺水情況，對um進(jìn)行簡化計算：

考慮波流共同作用下的摩擦力，對波浪周期求時間平均，則波流作用下時間平均底摩擦力可以表示為：

利用新的沉降機率公式可以計算在波流共同作用下的沉降機率，這樣的考慮比較符合近岸圍墾區(qū)實際的水動力環(huán)境。

在淤泥質(zhì)海岸，對于小于0.03 mm 的細(xì)顆粒泥沙，一般以絮凝的形式沉降，懸沙絮凝沉速主要受以下因素影響：泥沙粒徑、鹽度、溫度、水流紊動強度、流速和含沙量分布、水和沙的擴散交換以及相對的重力沉降等。在淤泥質(zhì)海岸，絮凝沉速可取ω=0.000 3～0.000 4 m/s。

1.3 泥沙淤積干容重

泥沙淤積干容重會隨著淤積歷時的累積而變化。韓其為（1997） 在研究淤積物密實及干容重變化的基礎(chǔ)上，根據(jù)有效應(yīng)力分布得到了淤積物垂線平均干容重隨淤積歷時的關(guān)系式：

式中：γ0為淤積初期泥沙干容重（t/m3）；tm為泥沙干容重參考時間（a）；t 為淤積歷時（a）；對淤泥質(zhì)海岸可取γ0= 0.65～0.8，t1= 1a。A 為系數(shù)，根據(jù)實測資料確定，一般可參考范圍A=0.4～0.5。

取γ0=0.7 t/m3，t1=1年（a），則根據(jù)式（10）床面泥沙干容重與淤積歷時關(guān)系如圖1。

圖1 泥沙干容重與淤積歷時的關(guān)系

上文闡述了考慮波浪影響后的淤泥質(zhì)海岸圍墾促淤計算基本方法，包括波流作用下的挾沙能力、考慮波浪切應(yīng)力后的新沉降機率以及隨淤積歷時而變化的泥沙干容重。

2 工程實例應(yīng)用

2.1 工程概況

舟山本島地處我國東南沿海長江口南側(cè)、杭州灣外緣的東海洋面上，釣梁二期圍墾區(qū)位于舟山本島東北部（圖2），圍區(qū)東側(cè)與一期工程的長春崗海堤及梁橫山相接，北部促淤壩連接釣山—烏龜山—牛頭山，長約4 308 m。

圖2 釣梁圍墾工程地理位置及概況

2.2 工程區(qū)水文泥沙條件

通過工程區(qū)及附近設(shè)置的9 個定點水文測站，對潮流、潮位、懸浮體、沉積物底質(zhì)等進(jìn)行觀測。另外，還在測區(qū)附近海域螺門漁港碼頭布設(shè)1 個臨時潮位站，進(jìn)行為期一個月的潮位觀測，水文測點與臨時潮位站分布如圖3。潮汐調(diào)和分析結(jié)果表明，該站（HK1+HO1） ／ HM2比值為0.42，因此可見螺門測區(qū)的潮汐性質(zhì)屬于正規(guī)半日潮。此外，螺門站淺水分潮與主要半日分潮HM4／HM2比值為0.06。屬半日淺海潮港類型，日不等現(xiàn)象較為明顯。

圖3 工程區(qū)水文測站位置

根據(jù)本次9 個潮流觀測站的實測資料計算統(tǒng)計，大潮實測最大流速明顯大于小潮，且漲潮流速大于落潮流速。大潮時垂線平均流速在0.21 ～1.01 m/s 左右，中潮時在0.15～0.9 m/s 左右，小潮時在0.15～0.63 m/s 左右。

觀測表明，工程測區(qū)的含沙量具明顯的半日潮周期的變化特征。各測站懸浮體的主要粒級為0.002～0.032 mm，優(yōu)勢粒級為0.004～0.016 mm；從組成成分類別來看，粉砂是懸浮體主體，其次是粘土，懸浮體類型屬粘土質(zhì)粉砂。平均含沙量在0.211～0.669 kg/m3之間。粒度分析結(jié)果顯示，表層沉積物主要粒級為0.002～0.032 mm，優(yōu)勢粒級為0.008～0.032 mm。顆粒組成以粉砂為主，其次為粘土。沉積物類型為粘土質(zhì)粉砂。各測站表層沉積物中值粒徑在0.008 9～0.015 2 mm 之間，平均值為0.012 5 mm。

工程附近海域有牛頭山、大小長涂島、秀山島、岱山島等諸多島嶼屏蔽，岱衢洋和黃大洋的波浪難以直接傳入，水道內(nèi)的波浪以風(fēng)浪為主，具有明顯的季節(jié)性和區(qū)域性，即秋冬季大，春夏小。冬季主要受偏北大風(fēng)的影響，產(chǎn)生偏北向波浪。工程區(qū)域的波浪要素統(tǒng)計特征值如表1。

利用9 個站點實測泥沙資料，結(jié)合（4） 式，對工程區(qū)挾沙能力進(jìn)行擬合，得到適合工程區(qū)域的K、m 和B 參數(shù)值，K=7.34，m=1.27，B=0.16，圖4 為挾沙能力擬合結(jié)果。通過建立的工程區(qū)域挾沙能力公式，結(jié)合流場變化，即可對圍墾區(qū)沖淤狀況進(jìn)行分析。

表1 波浪要素統(tǒng)計特征值

圖4 挾沙能力與水動力因素的關(guān)系

2.3 泥沙沖淤計算與分析

利用平面二維潮流數(shù)值模型較準(zhǔn)確地模擬出了圍墾區(qū)及附近海域工程前后的流場。模型采用245×164 的正交網(wǎng)格，并在工程區(qū)附近進(jìn)行局部加密處理，網(wǎng)格最小50 m，最大為200 m。時間步長設(shè)置在1 min。圖5 為工程區(qū)圍墾前后潮流漲急與落急流場圖。因圍墾區(qū)內(nèi)部的實測水文資料不足，考慮圍區(qū)面積較小以及以往的建模經(jīng)驗，可以利用離圍區(qū)入口較近的水文測站資料對模擬進(jìn)行驗證。故采用螺門臨時潮位站2012年8月27-31日潮位資料，對模擬結(jié)果進(jìn)行位潮驗證；利用圍區(qū)內(nèi)部站點C1，外部C6 站點2012年8月30-31日的流速資料對模擬結(jié)果進(jìn)行流速驗證，結(jié)果如圖6、7、8。

由圖6、7、8 可見，各驗證點的潮位、流速模擬值與實測值的誤差很小，模擬的流場基本能夠反應(yīng)計算區(qū)的水動力變化，可用于工程前后水動力變化及泥沙動力沉積分析。通過工程前后流場對比，很容易看出圍墾對工程區(qū)水動力環(huán)境有較大的影響（圖5）。圍墾前，梁橫山與舟山本島間海域水體可以自由流通，漲潮時，潮流分別從南北兩端傳入；圍墾后，由于北堤的阻攔，潮流無法自北向南進(jìn)入圍墾區(qū)，同時，南端潮流通過螺門漁港進(jìn)入圍墾區(qū)后，在北堤附近迅速減小，局部出現(xiàn)回流現(xiàn)象。落潮時，進(jìn)入圍墾區(qū)的水體只能通過螺門漁港回落，梁橫島-螺門漁港附近出現(xiàn)較強的落潮流。總體上看，圍墾后，北堤附近的潮流減弱，而在圍墾區(qū)南端則出現(xiàn)較強的落潮流。

圖5 工程區(qū)圍墾前后漲落急流場對比

圖6 螺門站潮位驗證

圖7 C1 站流速驗證

圖8 C6 站流速驗證

為研究工程后圍墾區(qū)促淤效果，將圍墾區(qū)劃分為12×9 觀測點網(wǎng)格，對其中74 個點進(jìn)行促淤效果觀測（圖9）。每年對觀測點進(jìn)行一次測量，觀測時間從2005年6月30日-2010年6月30日，其中2007年以前由于北促淤堤尚處于修建階段，圍墾區(qū)北部沒有完全封閉，而所建立的平面二維潮流場模型是考慮北堤工程完工后的流場，因此，本次促淤觀測資料僅選用2008-2010年共3年的實測資料進(jìn)行對比研究。

圖9 沖淤強度觀測點網(wǎng)格

通過工程前后的流場，計算出工程前后挾沙能力，利用模擬的潮流場及波浪參數(shù)確定沉降機率，每年取不同的干容重值，結(jié)合淤積強度公式（2）可以計算出每年沖淤的強度。為了探討波浪對沖淤強度的影響及定量的分析波浪的貢獻(xiàn)比例，沖淤強度分兩個方案進(jìn)行計算：1） 計算值P 僅考慮潮流場的作用；2） 計算值Pw 則選取表1 中平均波浪參數(shù)進(jìn)行計算。表2 為選取的22 個計算點（圖9中黑色點） P 值與Pw 值計算結(jié)果對比，其中波浪影響比例?。黀w-P｜/P。從表2 可以看出，P、Pw 都與實測值較為接近，比較好地反映了圍墾后的沖淤變化，然而，在部分微沖的點，如L1-3、L3-2、L5-7、L9-7，P 值則難以體現(xiàn)出海床的沖淤變化，甚至出現(xiàn)相反的沖淤結(jié)果，而考慮了波浪效應(yīng)的Pw 值則較好的刻畫出了海床的真實沖淤變化，與實測值更為吻合。因此，對于淤積的區(qū)域，且波浪的作用無法改變淤積狀態(tài)時，其效應(yīng)主要表現(xiàn)為波生流提高挾沙能力，為淤積區(qū)域挾帶更多的沉積物質(zhì)，進(jìn)而促進(jìn)淤積過程；對于沖刷的區(qū)域，波浪的作用表現(xiàn)為減小沉降機率，增強底切應(yīng)力，促進(jìn)沖刷過程。從釣梁圍墾工程計算結(jié)果來看，波浪對沖淤的影響比例在0.76%～17.5%.

表2 計算值與實測值對比

將實測值進(jìn)行插值，得到圍墾區(qū)2007～2010年共3年實測累積沖淤強度的分布（圖10），圖11為利用模擬結(jié)果并考慮波浪效應(yīng)計算得到的累積沖淤強度Pw 的分布。由于只有圍墾區(qū)內(nèi)的實測值，區(qū)外的沖淤分布則無法與計算沖淤強度進(jìn)行比較。在圍墾區(qū)內(nèi)，累積沖淤強度在-1～9 m 之間，圍區(qū)南部出口處淤積厚度較大，在5～7 m 之間，北區(qū)及東西兩側(cè)淤積厚度較小，局部出現(xiàn)微弱沖刷現(xiàn)象，這可能與地形的北淺南深有關(guān)，圍墾北區(qū)及西區(qū)水深基本在2～3 m 左右，而南部出口附近水深基本在10 m 以上，最深可達(dá)20 m 左右，水動力環(huán)境的改變更容易使南區(qū)的泥沙發(fā)生淤積，因此，潮流從圍區(qū)外挾帶的泥沙首先在南區(qū)淤積，而后較少部分泥沙繼續(xù)向北區(qū)、西區(qū)運輸，來沙量的減少致使水動力較弱的北區(qū)和西區(qū)淤積厚度反而較小。同時，潮流進(jìn)入圍區(qū)后將兩側(cè)淺灘淤泥揚起，而后部分淤泥隨著落潮流帶到南部出口淤積。計算的累積沖淤強度同樣反映出了這一特征，計算累積沖淤強度在-2～10 m 之間，南部出口處淤積厚度在5～8 m之間，北區(qū)及兩側(cè)淤積厚度較小，計算結(jié)果基本上與實測累積淤積強度相符合。但在個別小范圍區(qū)域，計算累積沖淤強度分布與實測累積沖淤強度分布還是存在差異，地形數(shù)據(jù)分別率較低，無法全面的反映局部地形的起伏，可能是引起計算結(jié)果小范圍差異的原因；另外，對潮流場的平均化及忽略泥沙再懸浮等復(fù)雜機理，也是引起局部沖淤強度分布差異的因素。從整體來看，計算結(jié)果較好的反映出了圍墾區(qū)內(nèi)的沖淤變化趨勢，對圍墾工程方案的選取和評估有較好的應(yīng)用價值。

3 結(jié)語

圖10 實測累積沖淤強度分布（單位：m）

圖11 計算累積沖淤強度分布（單位：m）

海岸泥沙對海岸工程響應(yīng)機制的研究和應(yīng)用是一個非常復(fù)雜的問題，文章利用所建立的淤泥質(zhì)海岸圍墾促淤計算方法對舟山釣梁圍墾二期工程進(jìn)行了計算，計算結(jié)果與實測資料相比，取得了較理想的結(jié)果，說明計算方法是可行的。

（1） 利用工程區(qū)水文泥沙資料確定當(dāng)?shù)貟渡衬芰絽?shù)K，m，B，便可對圍墾區(qū)進(jìn)行沖淤計算，該方法可供工程實際應(yīng)用。

（2） 波浪對沖淤強度的影響是不可忽略的，考慮波浪效應(yīng)后計算的沖淤強度Pw 與實測結(jié)果更為接近，在釣梁圍墾二期工程區(qū)，波浪影響的比例在0.76%～17.5%之間，對沖淤與否的臨界判斷有關(guān)鍵性的作用，且波浪在淤積區(qū)域及沖刷區(qū)域分別表現(xiàn)出不同的效應(yīng)。在淤積區(qū)域，波浪通過提高挾沙能力，為淤積區(qū)域提供更多的沉積物而加快淤積過程；在沖刷區(qū)域，波浪以減小沉降機率、增強底切應(yīng)力的形式，促進(jìn)沖刷過程。

（3） 由于缺少實測波浪參數(shù)，本次計算所采用的波浪數(shù)據(jù)為工程區(qū)多年平均波浪特征參數(shù)，若采用實測波浪參數(shù)則可望達(dá)到更為理想的結(jié)果。

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