大连长兴岛建港条件研究

2013-03-13李孟国韩志远李文丹麦苗

中国港湾建设 2013年2期

李孟国，韩志远，李文丹，麦苗

（交通运输部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

长兴岛位于辽东半岛中西部，瓦房店市西侧，四面环渤海，总面积252.5 km2，是中国第五大岛，长江以北第一大岛，岛内深水岸线长，环岛岸线长达91.6 km。长兴岛西北岸海域宽阔，近岸水深基本在-5～-10m以上，-25m水深离岸约1～2 km，拥有我国北方地区为数不多可供建设大量20万～30万吨级码头的优良深水岸线资源。

长兴岛西北岸是待开发的大型深水港区（图1），即长兴岛北港区，岸线南起马家咀子，北至高脑子角，总长约10.6 km，马家咀子海域的西侧离岸约1.4 km处有一天然形成的沙质浅滩——马家浅滩，可利用马家浅滩修建防波堤兼护岸，能大大降低防波堤的工程造价。

图1 长兴岛海域示意图

根据港区规划[1-2]，长兴岛北港区将通过建设东西防波堤环抱形成单口门港池（图2），港池水域面积约430万m2。东防波堤从高脑子角向西南延伸，呈二段折线形布置，堤身总长3604m；西防波堤依托马家浅滩建设，防波堤总长4965.78m，与岸之间回填成陆；围堰总长6190.11m，其中东围堰为永久护岸，长2926.62m，西围堰为临时围堰，长3263.49m。东防波堤外侧通过栈桥建设30万吨级原油码头区，西防波堤外侧通过栈桥建设30万吨级大宗干散货泊位。

图2 北港区规划方案示意图

本文针对大连长兴岛北港区规划涉及到的水动力泥沙问题进行了研究。

1 建港自然条件分析

如上所述，长兴岛北港区近岸水深基本在-5～-10m以上，-25m水深离岸约1～2 km，是环渤海地区最为优良的深水岸线资源，是辽东半岛尚未开发的优良深水港湾[3-4]。

1.1 潮汐潮流

1）按潮汐性质分类属不正规半日混合潮型，即一潮汐日内有二次高潮和二次低潮，潮高不等现象严重。平均潮差为1.03m，最大潮差为2.58m，涨潮历时略大于落潮历时。

2）本海区的潮流属不规则半日浅海潮流性质，往复流（图3），但具有顺时针旋转的性质。由于马家咀的挑流作用，马家咀北侧与马家浅滩之间涨潮形成顺时针回流，无论涨落潮，流向都维持一个方向（落潮方向，图3的C4号站）。

图3 大潮流速矢量图（2008年8月测）

3）流速大。受高脑子角和马家咀的挑流影响，涨潮流速大于落潮流速，其中大潮时涨、落潮平均流速分别为 0.67～0.85m/s、0.46～0.75m/s，涨、落潮最大流速分别为1.13～1.58m/s、0.95～1.35 m/s。马家咀外侧流速是最大区，最大表层流速约2m/s。

4）大流速持续时间长。马家咀外侧的C12号站涨潮表层流速超1m/s的时间持续超过6 h。

5）最大流速发生时刻与对应潮位规律特殊，半潮位、低潮位、高潮位都有可能发生最大流速。由于资料少，暂未找到规律。

1.2 余流

C1号、C12号余流为0.10～0.16m/s，为东北或西北向。其余各站除C3号、C4号余流为0.20～0.57m/s外，基本为0.01～0.20m/s，其方向大部分为东向，东偏南向，少部分为西向。

1.3 波浪

根据长兴岛马家咀附近2004年12月—2007年11月3 a测波资料分析，长兴岛海域以风浪为主，最多风浪向秋、冬、春季为NE向，夏季为SW向，风浪方向具有明显的季节性；最多涌浪向为WSW向和N向。常浪向为NE向，频率为17.6%，次常浪向为SW向，频率为9.6%；强浪向为NNE向，最大波高为5.4m，次强浪向为NE向，最大波高为5.2m。全年H1/10波高主要集中于0.0～1.0m，频率占75.8%，H1/10波高1.1～2.0m占频率16.6%，H1/10波高大于3.0m仅占频率1.0%。

1.4 含沙量及悬沙粒径

本海域总体上含沙量不大，据2004年冬季和2005年夏季水文全潮的泥沙观测资料，大潮时涨、落潮平均含沙量冬季分别为0.090 kg/m3、0.084 kg/m3，夏季均为0.004 kg/m3；2008年8月涨、落潮平均含沙量大潮分别为0.025 kg/m3、0.021 kg/m3，小潮均为0.012 kg/m3，垂线平均最大含沙量除C10号、C11号大潮涨落潮达0.112～0.247 kg/m3外，均在0.047 kg/m3、0.041 kg/m3以下，小潮时在0.026 kg/m3、0.034 kg/m3以内，这充分说明该海域水体含沙量是很低的。

海域悬沙d50平均为0.013mm，为黏土质粉砂物质。

1.5 底质

工程区近岸沉积物颗粒很粗，马家咀—高脑子角范围由西向东依次分布主要为粗砂、中砂、细砂、粉砂，临近岸边主要为粗砂物质组成。粗颗粒部分为砾-中砂、粗-中砂、中砂和中细砂，中值粒径为0.282～0.421mm，细颗粒部分为砂质粉砂、粉砂和黏土质粉砂，中值粒径为0.002～0.036mm。马家浅滩滩顶-5m等深线以内的中值粒径为0.23～0.446mm，平均0.31mm，马家浅滩西侧深水区底质中值粒径为0.0079～0.0363mm。

1.6 泥沙来源

由于该海域水体含沙量很小，泥沙来源有限。泥沙来源主要为波浪潮流作用下海岸侵蚀和局部泥沙随潮流搬运以及冬季融冰的挟沙沉积，附近河流来沙可以忽略。

2 岸滩演变分析

据1960年、1972年、1998年和2005年海图、水深图等深线（-2m，-5m，-10m，-20m）对比，分析认为，该海域水深地形长期以来除局部略有冲淤变化外，基本处于稳定状态。

3 马家浅滩成因及稳定性分析

马家浅滩南北长约4 km，东西宽约1 km，离岸约1.4 km，沙脊最浅处顶高-1.5m，浅滩内侧水深约-10～-15m，浅滩外侧水深-20～-25 m以上。由于要借助马家浅滩建设西防波堤，所以必须弄清楚马家浅滩这一天然“底座”的成因及稳定性。

韩志远等[5]搜集了能找到的最早历史水深图，对马家浅滩进行了表层底质取样、柱状取样、马家浅滩钻探取样等现场工作，采用悬浮泥沙卫星遥感分析、历史地形图冲淤演变分析、沉积物矿物特征分析、14C年代测定、210Pb测年法、波浪作用下表层泥沙起动分析等手段，对马家浅滩的成因和稳定性进行了较系统的研究和分析，有以下结论性认识：

1）马家浅滩是全新世海积沉积物，非现代潮流作用下形成。根据14C年代测定结果，形成时间距今2100～4500 a，可能为冰后期海面上升时形成的残留沉积，经现代潮流作用改造过后，逐渐与现代水文泥沙环境保持动态平衡。

2）根据1935—2005年海图对比分析，马家浅滩规模、尺度、形态和位置在该70 a间保持稳定，说明马家浅滩的存在是与区域海洋动力条件相适应的，是经长期调整适应的结果，这种状态将继续保持下去。

3）马家浅滩表层底质主要为粗颗粒的粗-中砂，中砂和中细砂，在年平均波浪作用下，马家浅滩上的泥沙不会发生移动。在大风浪作用下使滩面上泥沙仅发生表面移动，不发生全面推移，因此难以被波浪掀起，不会随潮流发生输沙运移，矿物特征分析表明，泥沙无明显的搬运痕迹。

4）马家浅滩水体含沙量低，涨落潮水体含沙量小，悬沙为黏土质粉砂物质，在浅滩上基本不发生水沙交换。

5）1935—2005年，虽然海区附近多次发生大风浪，但马家浅滩的形状和位置都保持稳定。因此在大浪作用下，马家浅滩不会发生大冲、削滩，否则将难以恢复。

6）西防波堤实施后，防波堤西侧马家浅滩潮流流速减弱，为泥沙淤积环境，马家浅滩仍会处于稳定状态，不会出现颠覆性的冲刷和不稳定。

4 设计波浪要素计算

使用1988—2007年20 a间影响长兴岛海域的台风、寒潮等恶劣大风天气过程，利用ECMWF（欧洲中长期预报研究中心）和NCEP（美国国家海洋环境预报中心）历史再分析风场资料和区域气候模式MM5计算出工程附近海域10m高度的再分析风场，用海浪数值模式SWAN计算对应的浪场，得到了外海深水处-30m等深线的极值波要素，通过P–III型极值分布分析得到了深水处重现期（2 a、5 a、10 a、25 a、50 a）设计波要素[6-7]。50 a一遇强浪向N有效波高4.90m，平均周期8.24 s，次强浪向NNE向有效波高4.20m，平均周期7.7 s。

5 潮流泥沙场及其变化计算

5.1 潮流泥沙数值模拟

采用TK-2D软件，建立了长兴岛附近海域的考虑波浪作用的二维潮流泥沙数学模型[3]，数学模型的西边界至 120°56′E，北边界至 39°45′N，南边界至39°24′N，东边界至岸边。计算域的东西距离为50.4 km，南北距离39.8 km，西边界至马家咀头部23.2 km。用不规则三角形网格剖分计算域，为较好地概括岸线和地形特征，在工程海区的高脑子角与马家咀之间进行了网格加密。最大空间步长（三角形网格最大边长）484.26m，最小空间步长（三角形网格最小边长）30.27m，三角形网格节点57281个，三角形单元数113093个。采用2004年冬季大潮、2005年夏季大潮和2008年夏季大、小潮（2008年测点位置见图2）4个潮过程对模型进行了潮位、流速、流向过程验证，采用2008年夏季大、小潮2个潮过程对模型进行了含沙量过程验证。在验证的基础上，对工程海区工程前后的流场进行了模拟计算并分析，图4、图5分别为工程前涨落急流场图，图6、图7分别为工程后涨落急流场图。

图4 工程海区涨急流场图

图5 工程海区落急流场图

图6 工程海区规划方案实施后涨急流场图

图7 工程海区规划方案实施后落急流场图

5.2 工程前流场及沙场特征

根据实测资料和数值模拟结果，工程海区现状下的潮流特征[3]是：

1）流态特征：工程海区（高脑子角与马家咀之间）潮流场基本为顺着岛岸线的往复流（图4，图5），涨潮近东北方向，落潮近西南方向。涨潮时，涨潮水流受马家咀挑流作用后跨越马家浅滩到达岸边然后顺岸边北上，落潮时，落潮水流顺着岸边流动经过马家咀离开工程区。

受突出海岸的马家咀影响，涨潮时在马家咀北侧形成一个顺时针的回流区，使得在马家咀北侧附近的涨潮流为落潮方向，落潮时，受马家咀挑流的影响，落潮流速较大，是本工程海区落潮流速最大地区，落潮流速在马家咀南侧形成一个逆时针回流区。在马家咀凸角与马家浅滩之间无论是涨潮还是落潮，流速均是一个方向，即落潮方向。

2）流速量值特征：2008年夏季实测资料表明，大潮涨潮平均流速为0.25～0.85m/s，最大流速为0.48～1.58m/s；大潮落潮平均流速为0.37～0.75m/s，最大流速为0.48～1.58m/s；小潮涨潮平均流速为 0.16～0.63m/s，最大流速为 0.33～1.11m/s；小潮落潮平均流速为0.32～0.60m/s，最大流速为0.56～1.04m/s。

3）根据2008年夏季大潮模拟的含沙量场模拟结果看，含沙场有如下特征：

①工程海区的含沙量很小，涨落潮平均含沙量小于0.03 kg/m3；

②含沙量分布有从岸向外海逐渐减小的规律；

③马家浅滩滩顶含沙量略高。

5.3 工程后流场特征

1）规划方案实施后，工程海区的总体潮流场仍为绕岛顺岛岸线流动的往复流（图6，图7）；

2）由于西防波堤的建设，马家咀北侧不再存在环流现象；

3）工程方案的东防波堤和马家咀起到挑流作用，主流线被挑离到了30万吨级原油码头和干散货码头的调头圆和航道区，使这些地区流场平顺，使码头泊位区流速减小；

4）规划方案实施后，东西防波堤外侧及码头区水流平顺，没有环流现象；

5）规划方案实施后，东西防波堤之间的内港池流速明显减小；

6）规划方案实施后，涨潮时，内港池均有环流现象。

5.4 30万吨级码头与潮流夹角

潮流数学模型计算结果表明[3]：东防波堤码头与大潮涨潮最大流速和平均流速的夹角分别为6°～9°和4°～7°，与落潮最大流速和平均流速的夹角分别为 1°～4°和 0°～5°；西防波堤码头与大潮涨潮最大流速和平均流速的夹角均为1°～7°，与落潮最大流速和平均流速的夹角分别为 2°～7°和 0°～4°。30万吨级码头与潮流流向夹角小于10°，非常平顺。

5.5 内港池进港航道横流

横流为最大流速沿垂直于航道轴线方向的分量，横流速度大小关系着船舶航行的安全，是需要了解的重要参数。潮流数学模型计算结果表明[3]，涨潮流速与航道夹角为4°～42°，横流速度为0.01～0.94m/s，最大流速发生在航道最外端，口门处横流为0.55m/s，向内逐渐减小；落潮流速与航道交角 0°～33°，横流速度为 0.00～0.90m/s，最大流速发生在航道最外端，口门处横流仅为0.08m/s，向内逐渐减小。内港池进港航道横流不大。

5.6 内港池回流

经数学模型多方案的计算[3]，内港池涨潮时的环流不可避免。规划方案（图2）内港池回流范围最小，流速最弱，大潮时涨潮回流最大流速为0.1～0.3m/s，回流区涨落潮平均流速为0.08～0.25m/s。

6 泥沙回淤与骤淤计算

根据考虑波浪作用的潮流泥沙模型，对工程方案港池航道调头圆的泥沙淤积进行了计算，并用经验公式进行了校核。泥沙数学模型计算结果表明[3]，东防波堤外30万吨级码头区淤积量17.7万m3/a，平均淤强0.09m/a；西防波堤外30万吨级码头区淤积量8.2万m3/a，平均淤强0.07m/a；内港池及进港航道区淤积量54.3万m3/a，平均淤强0.11m/a；全港淤积量80.2万m3/a，平均淤强0.10m/a，淤积轻微。

骤淤是海岸工程中人们较为关注的问题，是指短时间内，在特殊恶劣的大风浪天气下产生的淤积。由于底质泥沙在较强水流动力下容易起动、运移、淤积，因此较强的动力条件（如大风浪、台风等）是近岸工程可能发生骤淤的前提条件。经计算，在50 a一遇波浪作用下各方案港池航道的24 h骤淤厚度均小于1 cm，说明本工程没有骤淤问题。