崔 峥，佘小建，陈培焕

（1.南京水利科学研究院，南京210024；2.泉州港口管理局，泉州362000）

小型海湾口门外建港水流、泥沙问题试验研究

崔 峥1，佘小建1，陈培焕2

（1.南京水利科学研究院，南京210024；2.泉州港口管理局，泉州362000）

海湾口门外水流、泥沙条件较为复杂，进出湾水流互相交汇，这些区域建港难度较大。安海湾为一面积不足13 km2的小型海湾，拟建港区位于安海湾口门外西侧。文章通过物理模型试验对该处建港水沙条件进行研究，通过一系列工程措施优化港区布置，有效改善了港区水流泥沙条件。

海湾口门；泉州港；石井作业区；水流泥沙；物理模型

港口宜建在岸线较为平顺的水域，码头前水流与岸线基本一致，港区前尽量不要产生横流、斜流、回流等复杂流态。但在特定的水域，如厦门嵩屿港区［1］、刘五店港区［2］以及本文中研究的泉州港石井作业区，共同特点为：拟建港区位于海湾口门外，通过围海形成港区陆域及岸线，进出海域的水流与湾外水流在港区分、汇流，水流泥沙条件较为复杂，岸线及港池、航道的布置形式将直接影响进、出湾水流结构及港区水流条件和泥沙回淤，需进行深入细致的研究。本文结合石井作业区港区规划进行研究，并通过多种工程措施来优化港区水流、泥沙条件。

规划港区位于围头湾顶部、安海湾口门外西侧，港区岸线4.0～4.5 km，围海面积14～15 km2。南与金门岛隔海相望，西邻厦门翔安区，东靠泉州市区，是南安市最南端唯一的出海口。随着改革开放不断深入，南安市经济得到迅速发展，港口货物吞吐量出现强劲增长势头，为充分利用该海域的航道和岸线资源，拟在南安石井镇南部滩涂区围海形成港区（图1）。

图1 石井作业区地理位置Fig.1 Geological position of Shijing port area

1自然条件

1.1围头湾、安海湾概况

围头湾位于厦门东侧，东岸为晋江市，湾顶西岸为南安市，南临金门岛，距金门岛仅5.6海里，湾口东侧为围头角，目前建有围头湾港区。

安海湾为半封闭海湾，位于围头湾顶部，东侧为晋江市东石镇，西侧为南岸市石井镇，湾口向南，口门宽度仅0.7 km左右。海湾东西宽1.7 km，南北长8.6 km，目前海湾面积12.8 km2，湾内大部分为滩涂，污染情况较为严重，口门西侧向湾内有一条狭长深槽。

1.2水文条件

（1）潮位。

工程所在围头湾潮汐属于正规半日潮。根据2009年7月7日～8月6日一个月同步潮位观测资料统计，围头角潮位主要特征值（85国家高程基准，m）如下：平均潮位0.31 m，最高潮位2.98 m，最低潮位-3.03 m，平均高潮位2.33 m，平均低潮位-1.59 m，平均潮差3.92 m，最大潮差5.96 m。

（2）潮流。

2010年1月围头湾海域进行了一次大范围水文测验［3］，潮型为大、小潮。水文测验站位布置及大潮矢量图见图2。本次水文测验共设置4个临时潮位站，分别为围头角、石井、菊江和澳头站，另外大潮布置了15条垂线、小潮布置了14条垂线，水文测验范围涵盖了整个厦门东水道—围头湾海域。根据资料，大部分测点呈现往复流运动，流向基本与等深线走向一致。流速分布看，口门及深槽处流速较大，滩面流速较弱，口门处最大流速为0.8～0.9 m/s。

图2 2010年1月大潮流速矢量图Fig.2 Tidal ellipse of hydrometry during 2010，1 spring

（3）波浪。

根据1961年～1979年围头角简易波浪观测站资料进行统计，围头湾外海域以涌浪为主，常浪向为ESE，出现频率为37％；次常浪向为NE和SE向，出现频率分别为21.9％和16.4％。强浪向为ESE向，最大波高达7 m，次强浪向为SE和NE向，波高分别为6.8 m和6.5 m。

1.3泥沙特性

水文测验统计，大小潮期间垂线平均含沙量0.022～0.069 kg/m3，正常条件下海域含沙量较低，冬季和夏季含沙量较为接近。大潮期间，悬沙d50为0.010 4～0.029 4 mm；小潮期间为0.007 7～0.033 mm。底沙分布从湾顶至湾口底沙逐渐变粗，工程区域大部分海域底沙平均中值粒径为0.02 mm，为粉砂淤泥质，湾中部底沙粒径为0.4～0.6 mm，为粗砂，可能与围头湾外波浪动力较强有关。

安海湾主要入港溪流被堵后，泥沙主要来自九溪雨季开闸排洪带来的泥沙，另外来源为陆域侵蚀、养殖和排污及湾内泥沙来回搬运。

1.4航道冲淤

根据资料，2004～2005年、2006～2007年以及2008～2010年航道淤积很少甚至不淤，2007年航道浚深后至2008年，航道平均淤积30～35 cm。

2物理模型试验研究

2.1模型概况

物理模型布置见图3，围头湾海域为多口门海湾，为准确模拟该海域水流特性，尤其是港区的分汇流特点，模型范围涵盖围头湾海域、安海湾以及大嶝岛海域，南侧口门在围头角以外，西侧位于厦门—小金门水道。模型对应现场东西向38 km，南北向30 km，包含海域面积490 km2。模型水平比尺λl＝650，垂直比尺λh＝120，变率5.4。

图3 围头湾整体物理模型布置Fig.3 Physical model of Weitou bay

模型对2010年1月水文测验大、小潮15条垂线和4个临时潮位站进行了验证，验证结果显示，潮位验证结果良好；除个别点位于浅滩或者养殖区有误差以外，大部分点流速、流向验证情况良好，满足规范要求。

2.2研究成果

（1）现状条件水流特点。

图4为现状条件下工程区涨、落急流矢图，图5为涨、落半潮平均流速等值线分布。涨潮时来自围头湾水流在拟建港区前水域自然分流：向西进入大嶝水道，向北沿石井深槽进入安海湾，其他水体为向岸漫滩流。落潮流路径与之相反，湾内大部分海域为往复流。拟建港区主流位于深槽段，滩面流速很弱，平均流速小于0.2 m/s，泥沙易于落淤，宜填海造地。

图4 现状条件下石井港区附近海域涨、落急流矢图Fig.4 Flow vector along Shijing port under current conditions

图5 现状条件下石井港区附近海域平均流速分布（m/s）Fig.5 Distribution of flow velocity along Shijing port area under current conditions

（2）开挖港池前岸线布置及优化（初始方案）。

研究初期在未开挖港池条件下，对多组岸线布置方案进行试验，初步确定东侧港区岸线，南侧非港区岸线在岸线优化方案1基础上，东端点分别南延380 m、760 m、1 080 m，方案布置见图6。

主要研究结论：岸线优化原则为东、南岸线交点尽可能位于分、汇点附近。试验中涨、落潮流分、汇流点与东、南岸线交点比较，初始方案1南岸线偏北，初始方案4则偏南，东、南岸线前涨、落潮流不平衡，造成涨潮时岸线端部出现回流，落潮水流与岸线发生分离，港区水流条件复杂，易造成港池泥沙淤积。初始方案2和方案3的岸线布置较合适，涨、落潮时东岸线和南岸线前水流均比较平顺，港区水流条件较好。

（3）初始方案港池开挖后（方案0）水流条件。

根据岸线优化试验结果，设计单位对港区及航道范围、水深进行了初步设计［4］，码头岸线总长4 512 m，岸线走向177°～357°，从南向北分别布置10万t级～5 000 t级泊位，港区水深-6.0～-11.0 m，泊位区水深-9.5～-15.1 m，外航道水深为-9.5 m（图7）。

图6 港区岸线初始方案布置Fig.6 The initial project layout of Shijing port area

图7 方案0港池布置Fig.7 Harbor basin layout of Project 0

图8 改善港池水流条件工程方案布置Fig.8 Engineering project layout to improve the flow condition of harbor

与开挖前比较，由于港池开挖深度大且南侧较宽（考虑航道走向），港池范围水流流速明显减弱，涨潮时分流点位置北移且分流区变宽，南岸线东端出现小范围回流区；同时由于港池流速减弱，来自东侧滩面的部分水流沿开挖线汇入港池，再沿港池向安海湾流动。落潮时港池南部流速较弱，来自安海湾部分落潮流向东沿滩面流出，南岸线水流相对较强。港池水域涨、落潮平均流速仅20～30 cm/s，流速分布较均匀。

港池和航道浚深后，港池流速明显减弱，水流形态有所改变，涨落潮分汇流区北移，港区水流条件变差。为此，采取了一系列优化工程措施尝试改善港区水流条件。

（4）改善港区水流条件的途径及效果。

为进一步改善港区水流条件，根据港区流场特性，采取多种工程措施，包括以下方面：

1）将港池范围缩小至最合理的宽度，减少由于大范围浚深引起的流场变化，增强港池归槽水流作用；2）结合晋江围填工程、安海湾整治工程，通过调整流场分布、缩窄港池宽度和增加纳潮量来达到增强港池水动力目的；3）结合取沙工程对南岸线外水域浚深，减弱西侧水流流速，达到平顺港区水流形态目的；4）最后根据港区流场特性将港区岸线东移贴近主流区，进一步优化港区水流条件。具体方案见图8，各方案分析如下：

1）方案1：港池宽度不变，东侧建围堤。

港池浚深后，经东侧滩面进出港池水流较少，东侧建围堤后，港池水流没有明显改善。

2）方案2：安海湾局部清淤。

安海湾局部清淤（白沙头以北2 km左右浅滩，清淤深度-2 m与港池逐渐衔接，面积约2 km2）后，湾内增加部分纳潮量，港区北部流速稍有增加，但港区范围较大，一部分水流通过滩面进出湾，港区南部流速没有明显增加。

3）方案3：港池范围缩小。

港池缩小（航道也相应西移靠近岸线）后，涨潮时进港水流明显加强，分流点仍偏北，分流点以南水流出现反向流并进入南岸线东端，两岸线端部均出现回流；落潮水流随两股水流变化而动态变化：初期南侧水流较强而东侧弱；随着安海湾来流增强后两股水流强度逐渐接近后，流态趋于平顺；由于安海湾清淤后纳潮量增加，后期港池水流又强于南侧。港池缩窄后，由于水流归槽作用，港区附近水流流速均有一定程度的增加，从北向南断面平均流速增加10％、30％和40％。

4）方案4：港池缩小后东侧建围堤（方案4-1（东围堤）、方案4-2（西围堤）、方案4-3（西围堤缩短1.2 km））。

分析方案3流态，港区分、汇流点偏北，方案4希望通过东侧围堤导流作用归顺港区水流。与工程前比较，围堤工程实施后，港区涨潮主流有所西偏，分流点位置也有所南移，港区南侧流态有所改善，港区内水流强度没有明显增强。其中西围堤方案相对较优。

5）方案5：南岸线外取沙（加大水深）。

本次港区岸线规划为围海区东岸线，南岸线没有规划港区，港池开挖后流速减弱，南侧岸线流速相对较大，两侧来流不对称造成港池南部水流条件较差。结合港区吹填取沙，增加南侧岸线外水深，降低南侧水流强度，从而达到改善港池水流条件的目的。取沙宽度1 km，长度分别为2.5 km和4.5 km两种方案，取沙深度与航道水深一致，航道也相应加宽，并与外航道连接。与取沙前比较，涨潮时港区南部流态明显改善，岸线端部没有明显回流出现，落潮时水流不对称情形也有明显改善。取沙区范围适当延长，港池南部水流进一步改善。从流速变化看，港池内流速变化不大，取沙区范围流速有所减小，航道流速有所增强。

6）方案6：岸线局部调整。

采用以上措施优化后，港池内流速较弱，涨潮时两股水流的分流点仍略偏北，落潮时港池主流偏东。为此将岸线适当进行调整：东侧岸线走向顺时针旋转4°，调整为173°～353°，南岸线东端回缩180 m，东岸线南端向东延伸280 m，港区围填面积不变。岸线调整后，东侧岸线愈贴近主流区，调整后两段岸线交点基本处于分汇流区位置，港池流态较为平顺，港区岸线布置基本合理。从流速看，与调整前比较，港池内水流强度明显增强，南岸线外取沙后水流流速有所降低，分布均匀。

7）方案7：安海湾全清淤。

为进一步增强港区水动力，减少港区淤积，模型中对安海湾全清淤工况进行了试验，清淤深度北部湾顶为0 m、中部-1 m、南部-2 m（理论基面）。试验条件为港池范围缩小、岸线局部调整、南岸线取沙、东侧建围堤。图9为最后推荐方案、安海湾全清淤后港区附近涨、落急流态，结果表明，安海湾全清淤后，港区涨、落潮流态进一步改善，港区流速明显增加，其中北部靠近口门处增加40％以上，中部增加30％左右，南侧增加20％左右。

安海湾清淤后可以明显改善湾内环境，增强港区水动力，减少泥沙淤积，建议有关部门加快实施安海湾清淤整治工程。

（5）港池泥沙回淤。

1）泥沙验证。

图9 推荐方案、安海湾全清淤条件下港区附近涨、落急流态Fig.9 The recommended project flow pattern along Shijing port area in the condition of Anhai bay full dredging

几次水文测验含沙量统计，大潮期间工程区垂线平均含沙量为0.049～0.062 kg/m3，平均0.06 kg/m3。模型中采用局部加沙的方法来满足含沙量相似，根据模型中含沙量验证结果，含沙量比尺取λs＝0.22。

根据资料，2007～2008年工程区航道平均淤积35 cm，模型中经多次试验，航道段平均回淤率34 cm/a，航道中淤积分布与实测地形基本相似，最后得出泥沙冲淤时间比尺λt2=576。

2）泥沙试验结果。

图10为正常天气条件下港池及航道年回淤率（cm/a）分布。可以看出，港区形成后，正常天气条件下港区回淤从北向南逐渐增加，北侧安海湾口门处年回淤20～30 cm/a，港池南侧回淤率为50～60 cm/a，航道向外海回淤逐渐减小，至-10 m等深线处基本上无回淤，南岸线外回淤稍大于港池。

图10 正常天气条件下港区及航道附近年回淤率（cm/a）分布Fig.10 Sedimentation rate distribution near the port and waterway under normal weather conditions

3）一次大浪后回淤估算。

根据波浪推算结果［5］，港区和航道附近SE和SSE向50 a一遇重现期的设计波要素为H0s=1.7 m，Ts=9.0 s，风速为35.2 m/s。淤泥质海岸开敞海域的含沙量，常用刘家驹挟沙力关系式［6］来估算，关系式为

式中：S*为由风浪和潮流共同作用下的水流挟沙能力；Vb为潮流与风吹流的合成流速；Vw为波动水质点的平均水平振动速度。风吹流流速可近似地取为V吹=0.02W，Vw可由下式计算H为波高，h为水深，C为波速，W为风速。

根据当地水深条件，计算大浪天港区海域含沙量为2.5～3.8 kg/m3，按照海港水文规范悬沙回淤计算公式［6］，大浪持续3 d，可以计算出一次大浪过后港池和航道淤积量为9～17 cm。

5主要结论

（1）安海湾为面积不足13 km2的小型海湾，规划石井作业区位于安海湾口门外西侧，拟通过浅滩填海形成港区。设计单位最初提出的港区岸线布置及港池、航道设计，由于港池较宽，港池内水动力弱，港区南部水流流态较差。

（2）本文在模型试验基础上，通过一系列工程措施来改善港区水流条件，并取得了较好的效果，其中包括：港池适当缩窄、安海湾清淤整治、港区南岸线外取沙增加水深、岸线适当调整以及东侧建围堤工程等。

（3）港区最终优化方案条件下，正常天气条件下港池年平均回淤率40 cm/a，最大60 cm/a，位于港池南端；一次大浪回淤9～13 cm。

（4）由于海湾、河口外水流、泥沙条件较为复杂，往往需要通过一定的工程措施优化港区布置，本项研究为类似建港条件提供一定的借鉴作用。

［1］崔峥，佘小建，林云光，等.厦门港刘五店港区岸线规划试验研究［J］.中国港湾建设，2011（2）：21-26. CUI Z，SHE X J,LIN Y G,et al.Experimental Study on Coastline Programming of Liuwudian Port Area in Xiamen Port［J］.China Harbour Engineering,2011（2）:21-26.

［2］南京水利科学研究院.厦门港嵩屿港区规划调整方案物理模型试验研究［R］.南京：南京水利科学研究院，2003.

［3］国家海洋局第三海洋研究所.泉州港围头湾港区石井作业区控制性详细规划海洋水文测验专题报告［R］.厦门：国家海洋局第三海洋研究所，2009.

［3］福建省港航管理局勘测中心.泉州围头湾整体物理模型试验研究水文泥沙测验报告［R］.福州：福建省港航管理局勘测中心，2010.

［4］福建省交通规划设计院.泉州港围头湾港区石井作业区港口岸线两用规划研究（送审稿）［R］.福州：福建省交通规划设计院，2009.

［5］南京水利科学研究院.围头湾波浪场推算报告［R］.南京：南京水利科学研究院，2010.

［6］刘家驹.海岸泥沙运动研究及应用［M］.北京：海洋出版社，2009.

Experiment study on flow and sediment in port construction outside small bay mouth

CUI Zheng1,SHE Xiao⁃jian1,CHEN Pei⁃huan2
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210024,China；2.Quanzhou Port Authority,Quanzhou 362000, China）

The flow and sediment condition outside bay mouth is complex.Currents in and out of the bay come together,port construction is difficult in these areas.Anhai bay is a small bay with area of less than 13 km2,and the proposed port is located in Anhai bay outside the mouth on the west side.In this paper,the flow and sediment condi⁃tions of port construction in these areas were studied based on the physical model experiment.Through a series of engineering measures optimization of port layout,the flow and sediment condition in port was improved effectively.

bay mouth;Quanzhou Port;Shijing port area;current and sediment;physical model experiment

TV 142;TV 131.6

A

1005-8443（2016）04-0342-07

2015-10-22；

2016-03-07

崔峥（1970-），男，安徽省肥东人，高级工程师，主要从事河口、海岸动力泥沙研究。

Biography：CUI Zheng(1970-),male,senior engineer.