曹成林，張永強(qiáng)，熊叢博，胡澤建，李　霞

(國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島，266001)

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防波堤建設(shè)對(duì)海底泥沙沖淤環(huán)境影響研究*

曹成林，張永強(qiáng)，熊叢博，胡澤建，李霞

(國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島，266001)

摘要：以煙臺(tái)八角海域?yàn)槔?，分別采用數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)值對(duì)比兩種方式分析評(píng)價(jià)防波堤建設(shè)對(duì)海底沖淤變化的影響。研究結(jié)果表明，防波堤建設(shè)導(dǎo)致研究區(qū)海底沉積物由原來的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?“淺水沖深水淤”的態(tài)勢(shì)，沖刷及淤積速率均為0～0.06 m/a。除構(gòu)筑物附近等邊界區(qū)域外，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)泥沙運(yùn)移趨勢(shì)基本一致。

關(guān)鍵詞：防波堤；數(shù)值模擬；泥沙運(yùn)移

近年來，為了開發(fā)利用深水岸線資源，修建防護(hù)工程是較為通用的方法，尤其在受風(fēng)浪作用明顯的海岸帶，防護(hù)工程需要突出于海岸線一定距離才能滿足防浪擋沙的要求，保證船舶靠泊條件。海洋構(gòu)筑物的存在改變了海域周圍流體的流動(dòng)方式，導(dǎo)致了紊流的產(chǎn)生、波的反射和繞射等，這些改變常常引起局部泥沙輸移量的增加, 由此導(dǎo)致海床的沖刷[1]。張瑋等應(yīng)用數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算了連云港海域大型海岸工程實(shí)施后對(duì)于水流泥沙運(yùn)動(dòng)的影響[2]。解鳴曉等建立波流共同作用下的泥沙數(shù)學(xué)模型，研究了連云港口門防波堤建設(shè)對(duì)年平均含沙量場(chǎng)及進(jìn)港航道回淤的影響[3]。崔方水等用二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型及大風(fēng)驟淤三維數(shù)學(xué)模型對(duì)田灣核電站擴(kuò)建工程實(shí)施后的二維潮流場(chǎng)、泥沙場(chǎng)、地形沖淤場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算分析[4]。

工程海域的地貌環(huán)境及海域水動(dòng)力條件不同，構(gòu)筑物對(duì)海洋水動(dòng)力場(chǎng)及泥沙沖淤場(chǎng)的影響有較大的差異。此外，在數(shù)值模擬過程中，海底沉積物類型不同，計(jì)算采用的參數(shù)也須調(diào)整。本文根據(jù)煙臺(tái)西港區(qū)海域海底沉積物類型及水動(dòng)力條件，選取適合于研究區(qū)的計(jì)算參數(shù)，利用二維平面數(shù)值模型模擬計(jì)算煙臺(tái)西港區(qū)海域防波堤工程建設(shè)引起的海底泥沙沖淤變化，同時(shí)采用實(shí)測(cè)水深資料對(duì)比分析，探討研究防波堤建設(shè)對(duì)研究海域海底地形變化的影響，為其他海岸工程建設(shè)提供參考依據(jù)。

1研究區(qū)域概況

煙臺(tái)西港區(qū)位于套子灣西側(cè)、顧家圍子山東側(cè)的海域。研究海區(qū)以風(fēng)浪為主，強(qiáng)浪向和次強(qiáng)浪向分別為N向和NNE向。研究海區(qū)海流為往復(fù)流，最大流速約30 cm/s。

煙臺(tái)港所處岸段原為基巖岬角海岸，近岸已建設(shè)南北向的防波堤及煙臺(tái)西港區(qū)碼頭工程，岸邊為已修建的養(yǎng)殖池，養(yǎng)殖池外側(cè)海底有一部分為礁石區(qū)，礁石外側(cè)海底主要為粉砂質(zhì)細(xì)顆粒沉積物。港區(qū)建設(shè)前研究區(qū)屬于弱侵蝕的基巖海岸。研究區(qū)2004年海底水深地形見圖1。

圖1　研究海區(qū)海底水深(m)Fig.1　Water depth in the study area (m)

2波流共同作用下泥沙輸運(yùn)數(shù)值模擬計(jì)算

2.1波流共同作用下泥沙輸運(yùn)數(shù)學(xué)模型

1)泥沙輸運(yùn)方程

泥沙的水動(dòng)力模型采用二維平面數(shù)值模型，泥沙輸運(yùn)方程：

(1)

式中，S為含沙量；D=H+η;ω為懸沙沉速；S*為水流挾沙力；β為線性比例系數(shù)；α為沉降機(jī)率;Kx、Ky分別為X、Y水平方向的擴(kuò)散系數(shù)；ωs為顆粒沉降速度。

2)底床變形計(jì)算方程

底床變形計(jì)算方程采用如下計(jì)算公式

(2)

式中，γs為泥沙容重，η為底床沖淤厚度。

3)模型概況

本研究使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)(Flexible Mesh Approach)對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行空間離散。通過使用非等距三角形網(wǎng)格，使模型中的陸地岸線保持相對(duì)平滑，從而最大程度減少鋸齒岸線對(duì)計(jì)算結(jié)果的不利影響。研究區(qū)所在海域計(jì)算網(wǎng)格空間步長(zhǎng)約15 m。

4)水動(dòng)力模型驗(yàn)證

采用國家海洋局第一海洋研究所2014-07-28T10：00-29T11：00在工程海域1個(gè)站潮位資料和6個(gè)站海流實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證(圖2)。通過潮位驗(yàn)證曲線(圖3)、潮流驗(yàn)證曲線(圖4)可知，計(jì)算潮位過程線、潮流流速和流向過程線與實(shí)測(cè)基本吻合，表明所采用潮流數(shù)學(xué)模型較好的模擬了工程區(qū)附近海域潮流變化規(guī)律，所選用的計(jì)算參數(shù)是合理的，能夠滿足進(jìn)一步研究的需要。

圖2 潮位、潮流驗(yàn)證點(diǎn)站位圖Fig.2　Locations of Tidal level and tidal current verification stations

圖3 潮位驗(yàn)證曲線Fig.3　Tide verification curve

圖4 海流驗(yàn)證曲線Fig.4　Current verification curve

2.2模型參數(shù)計(jì)算結(jié)果

1)資料引用

參數(shù)選取對(duì)于模型計(jì)算結(jié)果具有重要的意義，為了較準(zhǔn)確的計(jì)算研究區(qū)海底沖淤量，采用2014年研究區(qū)海底沉積物實(shí)際調(diào)查資料計(jì)算模型中所需要的參數(shù)。研究區(qū)海底沉積物類型如圖5所示。由圖可知，研究區(qū)主要沉積物類型為粉砂質(zhì)砂及粉砂，中值粒徑為6～125 μm。

圖5　研究區(qū)海底沉積物類型及中值粒徑(μm)分布圖Fig.5　Distributions of sediment typies and medium diameters(μm)of seabed sediments in the study area

2)泥沙起動(dòng)臨界值

工程區(qū)海底沉積物主要為粉砂質(zhì)細(xì)顆粒物質(zhì)，因此泥沙起動(dòng)的臨界切應(yīng)力采用唐存本考慮泥沙的黏性導(dǎo)出的公式[5]：

(3)

式中，γ為水容重；γb0為床面泥沙穩(wěn)定密實(shí)容重，取1.6 g·cm-3；γb0為土體容重;K=2.842×10-3；D為土體中值粒徑(μm)。

3)水流挾沙力

本文采用劉家駒關(guān)于波浪挾沙能力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算在風(fēng)浪作用下的泥沙懸浮能力：

(4)

式中，V1為平均潮流流速與風(fēng)生流流速之和；V2為波浪水質(zhì)點(diǎn)的平均水平流速。

4)顆粒沉降速度

由于工程區(qū)懸沙含量較小，泥沙絮凝沉降作用不明顯，計(jì)算時(shí)沉速ωs采用斯托克斯公式：

(5)

式中,v為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，取1.31 mm2/s。

5)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上公式及圖5中沉積物粒度參數(shù)計(jì)算研究區(qū)海底沉積物的起動(dòng)流速、挾沙力及沉降速度，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　模型參數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.3海底沖淤強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算方法及參數(shù)計(jì)算結(jié)果，計(jì)算研究區(qū)海底沖淤強(qiáng)度(圖6)。由圖6可知，研究區(qū)東側(cè)海域海底為侵蝕沖刷狀態(tài)，沖刷速率約0～0.06 m/a，該區(qū)域海底沖刷主要是由于研究區(qū)受NE向強(qiáng)浪作用，海底沉積物在NE向浪作用下被運(yùn)移至防波堤附近后落淤。防波堤附近海域海底為弱淤積，淤積幅度較小，約0～0.06 m/a，其原因主要是由于防波堤及礦石碼頭凸入海中，潮流在兩側(cè)形成回流，懸沙落淤所致。在礦石碼頭堤頭處，由于堤頭挑流作用，水動(dòng)力對(duì)海底作用增強(qiáng)，產(chǎn)生堤頭沖刷，沖刷速率約0.02～0.10 m/a。

圖6　研究區(qū)數(shù)值模擬計(jì)算海底年沖淤速率(m)Fig.6　The annual scouring and depositing rates obtained bynumerical simulation in the study area (m)

3模型計(jì)算結(jié)果與海底實(shí)測(cè)水深對(duì)比分析

3.1海底實(shí)測(cè)泥沙沖淤變化特征分析

在海床穩(wěn)定的前提下，水深的變化可以表征海床底部沉積物的輸移變化。由于研究海區(qū)地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，特別是在幾十年的時(shí)間尺度內(nèi)，可認(rèn)為海床是穩(wěn)定的。因此，采用水深資料對(duì)比法，結(jié)合工程區(qū)水動(dòng)力，分析研究區(qū)海床底部沉積物的泥沙輸移變化特征。

本文收集了研究區(qū)2004年與2014年兩期實(shí)測(cè)水深資料，平面坐標(biāo)統(tǒng)一到WGS84坐標(biāo)，將深度統(tǒng)一到理論深度基準(zhǔn)面，采用surfer繪圖軟件繪制兩期水深的等值線圖，再用AutoCAD繪制研究區(qū)海底地形地貌圖(圖7)。根據(jù)研究區(qū)水動(dòng)力特征對(duì)2期水深地形資料進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析。由于2014年水深資料僅有防波堤?hào)|側(cè)區(qū)域一部分，考慮到對(duì)比結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文僅對(duì)防波堤?hào)|側(cè)海域的沖淤趨勢(shì)進(jìn)行分析。

由圖7可知，研究海域海底地形變化呈條帶狀。與2004年相比，在防波堤?hào)|側(cè)近岸區(qū)5 m以淺海域，由于海底沉積物主要為礁石，水深變化不大。在近岸防波堤堤根處有微弱的淤積，幅度約0.01 cm/a，考慮測(cè)量誤差原因，可認(rèn)為該區(qū)域海底地形也處于沖淤平衡的狀態(tài)。在15 m以深海域海底均呈淤積趨勢(shì)，淤積幅度約0～0.05 m/a。而在水深約5～10 m的海域，以及防波堤以東700 m海域海底出現(xiàn)一條沖刷帶，沖刷幅度約0～0.05 m/a，其中研究區(qū)東側(cè)海域的海底沖刷幅度稍大，約0.05～0.08 m/a。

圖7　研究區(qū)2004-2014年間海底沖淤圖Fig.7　Map of scouring and deposition in the study area in the period from 2004 to 2014

3.2實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比討論

通過圖6與圖7的對(duì)比分析可看出，在近岸區(qū)海底沖淤計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值有一定的差異外。在研究區(qū)東側(cè)及10 m以深的海域，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)沖淤趨勢(shì)基本一致。

在研究區(qū)東側(cè)海域，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)沖淤趨勢(shì)相同，海底均是沖刷狀，沖刷強(qiáng)度基本都在0～0.06 m/a，局部區(qū)域沖刷量最大達(dá)到0.08 m/a。而在防波堤附近、15 m以深的海域，近岸及東側(cè)的再懸浮泥沙在潮流回流作用下，運(yùn)移至此落淤，淤積速率約0～0.05 m/a。

在防波堤堤根及養(yǎng)殖池外側(cè)區(qū)域，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值有一定的差異。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，在養(yǎng)殖池外東側(cè)凹入的局部海域海底呈淤積狀態(tài)，而模型計(jì)算結(jié)果則顯示在養(yǎng)殖池外東側(cè)由近岸至深海區(qū)海域全部為沖刷狀態(tài)，兩種計(jì)算方法出現(xiàn)相反結(jié)果。此外，在防波堤堤根處也出現(xiàn)不同的沖淤態(tài)勢(shì)，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示在防波堤堤根處有微弱的沖刷，考慮誤差原因可認(rèn)為水深基本未變，而在模型計(jì)算結(jié)果中，在堤根處則是淤積狀態(tài)。

4結(jié)果與討論

1)研究區(qū)泥沙來源較少，波浪、潮流對(duì)基巖海岸的侵蝕，是研究海域最重要的泥沙來源。研究區(qū)海底沉積物主要為粉砂質(zhì)砂及粉砂等細(xì)顆粒沉積物，中值粒徑為6～125 μm。海底沉積物運(yùn)移方式主要為懸移質(zhì)輸沙，其較為典型的泥沙運(yùn)移模式是“波浪掀沙，潮流輸沙”。研究區(qū)海底沉積物起動(dòng)臨界力值較小，為0.112～0.690 Pa，說明研究區(qū)泥沙易于再懸浮。

2)構(gòu)筑物對(duì)海底沖淤趨勢(shì)的影響主要是由于對(duì)水動(dòng)力的改變引起。研究區(qū)受N向和NNE向波浪作用較為明顯，且研究區(qū)水深較大，波浪在防波堤堤根處破碎，破浪破碎及反射均增強(qiáng)了對(duì)海底的作用力。因此，泥沙在波浪作用下起動(dòng)，后被潮流運(yùn)移至深水區(qū)沉降。由此形成“淺水沖深水淤”的態(tài)勢(shì)，即防波堤外側(cè)海域在近岸為沖刷態(tài)勢(shì)，沖刷強(qiáng)度為0～0.05 m/a，而15 m以深的海域海底出現(xiàn)淤積，淤積速率約0～0.05 m/a。

3)研究區(qū)東側(cè)海域海底出現(xiàn)大面積的沖刷區(qū)，沖刷強(qiáng)度約0～0.08 m/a。此區(qū)域海底產(chǎn)生沖刷主要是由于東側(cè)海底沉積物在NNE向浪作用下被掀起，而后被潮流輸移至防波堤附近落淤。

4)由對(duì)比結(jié)果分析可知，整體上海底沖淤趨勢(shì)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)沖淤量基本一致。在受構(gòu)筑物建設(shè)影響較小的區(qū)域內(nèi)，即研究區(qū)東側(cè)及15 m以深的海域，計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果在沖淤趨勢(shì)及量值上均較為接近。而在構(gòu)筑物建設(shè)影響程度較大的海域，尤其是近岸及防波堤堤根附近，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大。究其原因，可能與近岸處構(gòu)筑物使水動(dòng)力發(fā)生變化，波浪及潮流均受到地形地貌的影響而有所改變，具有一定的不規(guī)律性，因此計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大。

參考文獻(xiàn)

[1]宋慧芳,李昌良,高學(xué)平.波浪作用下堤前沖淤研究綜述[J].海洋技術(shù),2007,26(1):80-85.

[2]張瑋,劉燃,錢偉,等. 大型海岸工程對(duì)水流和泥沙運(yùn)動(dòng)的影響研究[J].水道港口,2014,35(1):1-7.

[3]解鳴曉,張瑋. 連云港口門防波堤建設(shè)對(duì)航道回淤影響數(shù)值研究[J].泥沙研究,2008(5)：15-21.

[4]崔方水,顧磊,李文丹. 田灣核電站擴(kuò)建工程泥沙問題研究[J].水道港口,2013,34(4):323-326.

[5]常瑞芳.海岸工程環(huán)境[M].青島：青島海洋大學(xué)出版社，1997:128-129.

Research on the Influence of Breakwater Construction to Seabed Sediment Scouring and Silting Environment

CAO Cheng-lin, ZHANG Yong-qiang, XIONG Cong-bo, HU Ze-jian, LI Xia

(TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China)

Abstract:By taking the Bajiao sea area of Yantai as an example, the influence of breakwater construction to seabed sediment scouring and silting environment is studied and evaluated by numerical simulation and comparison with measured data respectively. The results show that the breakwater construction in the study area can lead to a change of seabed sedimentation from the original equilibrium state into a state of "scouring in the shallow water and depositing in the deepwater", with the scouring and the depositing rates being both 0～0.06 m/a. It is also revealed that the trends of sediment transportation resulted from the numerical calculations and the measurements are basically the same in the study area, except for the boundary areas close to the breakwater.

Key words:breakwater; numerical simulation; sediment transportation

中圖分類號(hào)：P75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1002-3682.2016.01.003

作者簡(jiǎn)介：曹成林(1983-)，女，工程師，碩士，主要從事海洋工程地質(zhì)災(zāi)害方面研究.E-mail:ccl@fio.org.cn(陳靖編輯)

收稿日期：2015-09-17

文章編號(hào)：1002-3682(2016)01-0024-09

資助項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目——細(xì)粒土侵蝕強(qiáng)度與沖刷深度量化研究(ZR2014DP002)