娄海峰,朱晓映,胡金春,

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.瑞安市水利局,浙江 瑞安 325200)

1 问题的提出

小岛综合开发的前提在于土地资源的供给与大陆经济腹地的联系,其中前者往往是制约性的因素。舟山市金塘岛自金塘大桥建成后,区域优势十分明显,金塘岛北部小岛众多,岛群间的连岛造地是解决该区域土地资源紧缺的主要途径,围海造地不仅已为舟山市发展农业、盐业、养殖业提供了大量用地,而且也为港口建设、城市工业及生活设施等提供了用地,是解决舟山市人多地少,经济、社会发展与土地不足之间矛盾的重要途径。连岛工程将改变周围的水动力条件,势必引起海域泥沙输移的变化,重新调整海床高程,使之与水流相适应,海床冲淤变化是否会影响已有的码头和深水航道,应予以研究。本文采用二维潮流数值模型结合经验公式预测工程实施后潮流场和海床的变化,为工程决策提供技术依据。

2 自然条件概况

连岛造陆工程位于舟山市定海区金塘镇,处于金塘岛岸线西北部。工程涉及大鹏山、金塘岛、甘池山、大髫果山、小髫果山、鱼龙山、大菜花山、小菜花山、横档山7个岛屿。沥港水道为大鹏山与金塘岛之间的水域通道,水道平均宽度约500m,最窄处约300 m,北出口宽900 m,南接岛杵山和金塘岛间的涨潮冲刷槽,最大水深可达10 m以上,出大鹏山向北,水流扩散,形成一个较为广阔的水下浅滩,冲刷槽止于山体北端。浅滩以北岛屿众多,岛屿受涨落潮流的作用,形成大小不等的局部冲刷坑,有些岛屿间冲刷坑相连为较深的峡道,大菜花山与鱼龙山之间的通道水深大于50m,大多数岛屿的通道水深在20 m以内。

图1为2008年3月水文测量资料的6条水文垂线大潮垂线平均流矢图,测次测区各垂线中的平均流况以P5垂线为最强,大潮汛涨、落潮流的垂线平均最大流速分别为1.81 m/s和1.60 m/s,P1、P6垂线次之,P3垂线最弱。工程区域内岛屿众多,流场极为复杂,狭道中显现出往复流特征,如P1、P2垂线,其他垂线受周边地形及水道影响,流矢发散,呈现旋转流特点,开阔处旋转性较强。

图1 实测流矢图

工程海域含沙量呈西高东低趋势,季节性变化明显,自冬季经春季到夏季逐渐减少,从冬、春、夏含沙量测量数值来看,该海区含沙量为0.18～2.13 kg/m3,而春季测量值能较好地代表全年平均的含沙量值,其值为1.0 kg/m3。

3 二维潮流数学模型的建立

3.1 模型的选择

研究工程引起的海床冲淤变化,其中关键之一就是水动力场的模拟,潮流的分布和变化是海域泥沙运动的主导因素,所以需首先建立金塘岛海域的潮流数学模型。金塘岛海域潮强流急,垂向掺混较充分,可采用垂线平均的平面二维潮流数学模型计算流速场的变化,在此基础上开展海床冲淤的分析。工程实施后的海床地形变化预测选用半经验半理论的回淤强度公式估算。

3.2 控制方程

沿垂线平均的二维非恒定流数学模型:

式中:z为潮位(m),即某一基准面上的水面高度;u,v分别为x,y方向上的垂线平均流速分量(m/s);H为水深(m);g为重力加速度(9.81 m/s2);f为柯氏力参数(f=2ωesinφ,φ为纬度,ωe为地球自转角速度);Cz为谢才系数;εx,εy分别为水流在x,y方向的涡动扩散系数;Wx,Wy分别为x,y方向的风应力分量;x,y为直角坐标;t为时间。

方程(1)为水流连续方程,方程(2)、(3)分别为x、y方向的动量守恒方程。上述方程中未知数 z、u、v,在一定的初始条件和边界条件下可得数值解。

有了以上条件,就可用一定的离散格式求出方程的解。目前求解上述方程的数值计算方法很多,较为流行的有ADI法、破开算子法、直接差分法、特征线法和有限单元法等。鉴于三角形网格的有限元法具有比较容易地拟合复杂的边界地形条件,网格布置灵活,局部加密方便,适应性强的特点,本次计算选用显式迎流有限元模式。

工程实施后的海床地形预测选用半经验半理论的回淤强度公式(4)估算:

式中:P为抛坝后的淤积厚度;v1、v2分别为工程前、后的流速;H1、H2分别为工程前、后的水深;s为工程区域沿垂线平均含沙量;ω为泥沙沉降速度(在河口海岸地区应考虑絮凝的影响)。

3.3 计算条件

流场的计算范围自乍浦往东至外海深水区,其横向宽约200 km,北起南汇嘴,南至石浦,其纵向长度约190 km,计算域水域总面积约为22 584 km2。网格布置(见图2)充分利用了三角形网格的优点,按照重点关键水域网格密、其他水域疏的原则剖分,共布置2.4万个计算节点和4.5万个三角形单元,域内最大水深达100 m以上,最小空间步长约为30m,计算时间步长为1 s。

图2 网格布置图

对于流场的计算,岸边界采用可滑不可入条件。对于近岸水边界乍浦采用实测潮位过程,南汇嘴、石浦则采用潮汐表预报值,外海水边界利用全球潮汐模型(TPXO6)求得,该模型通过10个分潮推算天文潮位,包含8个主要分潮 M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2、Q1,以及2个长周期分潮 Mf和Mn,基本能够构造出外海深水处真实的天文潮过程。

3.4 潮位和潮流的验证

图3 潮位、潮流验证图

工程区域内岛屿众多、地形和流场都极为复杂,狭道中显现出往复流特征,开阔处旋转性较强。验证采用2008年3月的水文测量资料,图3为部分点位潮位、流速验证过程图。模型的验证计算结果表明,模型采用的计算参数基本合理,计算方法可靠,能够模拟工程海域的潮波运动特性。

3.5 抛坝促淤效果验证

仇家门海区与本工程区域相近,文献[1]曾用二维潮流数学模型对仇家门堵坝工程前后的流场进行了计算,并用堵坝前后的实测地形对公式 (5)进行了验证,验证时间段分为2个,分别为1978—1984年和 1978—1991年。在围区内取3个点,有2个位于1984年测图-1.8 m等深线处(P1和P2),还有1个点位于坝近旁(P3)。从抛坝产生影响开始,处于1984年测图-1.8m线处的2个测点原高程分别-18.3 m和-16.6 m,至1984年,分别淤厚16.5 m和14.8 m,到1991年2处分别淤积17.3 m和15.6 m。坝址近旁测点原来的高程为-19.53 m,至1991年已在0 m高程以上。

验证结果表明,利用公式(5)计算得到抛坝工程实施后围区3个测点的淤积过程与实测值比较吻合(见图4)。淤积计算公式中的系数采用:泥沙沉降几率α=0.35,沉降速度ω=0.000 4 m/s,平均含沙量s=0.50 kg/m3,泥沙干密度γ=650 kg/m3,测点处水深约为16～20 m。

图4 抛坝促淤效果验证图

4 渔港及围涂方案工程对周边水域影响

4.1 方案布置

对以下4个方案进行研究,各方案布置见图5。其中方案1为渔港扩建工程防波堤工程,布置东、西2条堤,东堤将小髫果山与金塘山相连,西堤将大髫果山与大鹏山相连接。方案2、3、4则在实施防波堤工程的同时,在西堤西侧、东堤东侧区域进行不同规模的连岛造地围涂。

图5 各方案布置图

4.2 流速变化

4.2.1 现状流场特征

工程区域内岛屿众多,而且区域东西两侧涨、落潮时刻不一致,流场极为复杂。图5显示了工程区域落急、落憩、涨急、涨憩等时刻的小范围流场。

落急时,进入大、小髫果山之间的落潮流分为3部分,东股潮流进入鱼龙山与金塘岛间的水域,中股潮流进入沥港水道,西股潮流穿过甘池山与大鹏山间的水道,很明显,进入沥港的落潮流全部来自大、小髫果山间的水道,并且都从岛杵山与金塘岛间的水道穿出。由于金塘东侧的西堠门水域转流时刻要比大鹏山以西水域提前约50 min,所以在西堠门水域落憩(转流)前30 min,进入沥港的落潮流绝大部分已来自鱼龙山与金塘岛之间的水域;至大鹏山以西水域落憩时,围区内涨潮流由来自沥港水道部分(较弱)和来自横挡山与金塘岛之间水道部分 (较强)组成,并且主要出大髫果山与大鹏山间的水道。

涨急时,出大、小髫果山之间的涨潮流由3部分组成,自西向东分别为大髫果山与大鹏山间部分潮流、沥港部分潮流、鱼龙山与金塘岛间部分潮流,大、小髫果山之间成为围区涨潮流的主要通道,很明显,进入沥港的涨潮流全部来自岛杵山与金塘岛间的水道,并且都从大、小髫果山间的水道穿出。至西堠门水域转为落潮后30min时,因为大鹏山以西水域还在涨潮,潮流又变为从大、小髫果山与大鹏山间的水域自西向东穿过围区;而到大鹏山以西水域也开始转流时,大、小髫果山与大鹏山间水域的落潮流除部分穿过鱼龙山与金塘间的水域外,另有部分进入沥港水道。

图5 工程区域特征时刻流矢图

由上述可知,大、小髫果山之间的水道是围区的主要潮流通道,对沥港水道的涨落潮有着最主要的影响,大髫果山和大鹏山间的水道、鱼龙山和金塘间的水道也对沥港水道的涨落潮有着一定的影响。

4.2.2 各方案对流场的改变

为了更好地了解各方案实施前、后工程附近水域流场的变化,在工程附近设了5个监测点,监测点分布见图6。各监测点涨、落潮平均流速变化值见表1。方案1、3实施后工程区涨、落急流矢见图7,涨、落潮平均流速变化分布见图8、9。

数值模拟结果表明:各方案对周边水域流场的影响基本随工程规模的扩大而增大,即方案1最小,方案2、3次之,方案4最大。其中方案1、2、3实施后流场变化主要发生在工程近区,但方案4影响范围较大,该方案工程东侧远区监测点P4处涨、落潮平均流速分别增大7.5%、5.2%。

表1 各方案实施后涨、落潮平均流速变化表%

图6 监测点分布图

图7 方案1、3实施后工程区流矢图

图8 方案1实施后工程区平均流速变化分布图(%)

图9 方案3实施后工程区平均流速变化分布图(%)

4.3 海床冲淤变化

数学模型应用半经验半理论公式对工程实施后附近海床的冲淤变化进行预测,考虑到海床淤积后潮流速将发生一定的变化,因此在过程中采用了“反馈”计算。方案实施后,各监测点冲淤幅度见表2。方案1、3达到最终平衡状态时工程区冲淤变化见图10。

表2 各方案实施后冲淤量表

数学模型预测结果表明,各方案对周边水域海床冲淤的影响基本随工程规模的扩大而增大,即方案1最小,方案2、3次之,方案4最大。其中方案1、2、3实施后海床冲淤变化主要发生在工程近区,对周边水域各深水航道基本无影响。方案4影响较大,该方案实施后大、小髫果山～大菜花山西北侧水域产生淤积,地形高程由原来的-8 m左右抬高至-1～-5 m,严重影响了沥港渔港北出口的船舶航行,工程东侧远区监测点P4处冲刷超过0.5 m,因此,目前暂不宜考虑。

对于沥港水道,虽然工程实施后最初使沥港水道过潮量有所增加,但随着小髫果山附近海域的淤积,沥港水道的过潮能力反而下降,平均潮流速减小,最终有一小部分泥沙落淤。对方案1进行逐年反馈计算,可以得到:沥港水道中部、南部在工程实施初期基本呈略冲状态,大约5 a后才开始淤积,而大、小髫果山附近水域则在前5 a内接近冲淤平衡。各方案由于沥港水道堤线布置格局相同,因而各方案实施后沥港水道冲淤变化相似,呈微淤状态。

文献 [2]曾采用数学模型、物理模型2种研究手段对工程实施后沥港水道冲淤变化进行了研究,沥港水道各代表断面布置见图11,方案1实施后数学模型、物理模型部分代表断面冲淤成果见表3,研究表明,2种研究手段成果总体上较为一致。

图10 方案1、3实施后工程区域淤积变化图(单位:m)

图11 沥港水道代表断面图

表3 方案1冲淤平衡后沥港水道部分代表断面冲淤幅度表

5 结 论

金塘北部岛群间流态复杂,连岛造陆工程截断了北部岛屿间的横向流动,对周边海域的流场和海床有一定的影响,总的来说,各方案对工程附近影响幅度基本随工程规模的扩大而增大,方案1影响最小,方案2、3其次,方案4影响最大。方案1、2、3影响主要发生在工程近区,从工程对周边水域的影响来看,这3个方案均可选,从围涂面积来看,可选面积较大的方案3。

[1]黄世昌.舟山长白和螺门促淤围垦工程可行性初步分析 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2003.

[2]韩海骞,娄海峰,赵鑫,等.沥港渔港建设工程对周边水域和海床冲淤影响研究总报告 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2008.