半封闭海湾内电厂建设水沙条件研究

2019-09-16李文丹韩志远解鸣晓

水道港口 2019年4期

关键词：输沙含沙量水道

李文丹，郑玮，韩志远，解鸣晓

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2.中交疏浚(集团)股份有限公司，北京 100013)

某电厂位于莆田市秀屿区埭头镇翁厝行政村炉厝村，地理坐标东经119°19′44″、北纬25°14′27″。厂址北距福州市92 km、福清市53 km，西北距莆田市39 km，西距埭头镇13 km，西南距泉州83 km(图1)。

图1 工程海域示意图Fig.1 Schematic map of engineering sea area

电厂采用明取明排(明渠取水，明渠排水)的结构形式，取水布置在炉厝岬角西侧，取水口位于-7.5 m等深线。排水口布置在岬角东北侧湾内(图1)。

本文通过现场实测的波浪、潮位、潮流、含沙量、底质等资料分析，岸滩演变分析以及沿岸输沙数值模拟和波浪、潮流、泥沙数学模型计算，对福建省莆田市兴化湾西侧海域建设某电厂的水动力泥沙条件进行了研究论证。

1 自然条件

1.1 地形地貌

1.1.1 地貌

工程海区位于兴化湾西侧，在平海和石城之间，属于平海湾的一部分。根据现场地貌踏勘结果，沿岸地貌有如下特点：

(1)炉厝—石城。

该段为一小型岬湾型砂质海岸，该湾中间由于鸡甲屿的存在，又被分成两个小型岬湾。该岬湾内海滩地势较平缓，岸线保持稳定，在岬角处有局部侵蚀存在。从石南码头两侧海滩宽度和高程没有明显差异可以看出，该处海滩泥沙的纵向输移特征是不明显的，泥沙以横向运动为主。

(2)屿仔山—炉厝。

牛头山—炉厝岸段砂质海滩宽度很窄且坡度大，滩上有砾石堆积，局部有侵蚀特点；屿仔山—牛头山之间为凹入陆地近1 km的小海湾，湾口处有碎石堤，堤内为低潮出露的平坦的沙滩。

1.1.2 地形

炉厝岬角两侧水下地形，0～5 m等深线基本与岸线平行，0～5 m等深线之间的边坡为2‰～3‰；6～10 m等深线均向外海突出，地形坡度平缓，6～10 m等深线之间的边坡为1‰。可见炉厝附近海域为一片水深小于10 m，水下地形十分平坦的水域，是南日水道西侧涨落潮水流较缓的水域。

1.2 波浪

据2009年8月～2010年10月厂址岸边波浪站目测波浪资料统计，该工程水域波浪类型主要是混合浪。该海域波浪在一个观测年中常浪向为E、S、ESE及SSE向。常浪向在季节分布上呈现为春季SSE向、夏季S向，秋、冬两季为E向。全年各向H1/10平均波高为0.29～0.84 m，H1/10年平均波高为0.60 m，H1/10平均波高在各月中以10月份为较大，以5月为较小。

全年中H1/10波高波浪主要集中于0.10～0.50 m和0.50～1.50 m波级，出现频率合计达98.52%，而≥1.50 m波级占1.49%，其中≥3.0 m波级频率仅占0.01%，而此时主要为台风所致。

该海域强浪向为SE向、SSW向、S向、E向，最大波高Hmax分别达7.09 m、3.95 m、3.10 m、3.00 m，其最大值7.09 m出现在2010年9月11#凡亚比台风期间，对应的谱峰周期TP为9.66 s(SSE向)。

1.3 潮汐潮流

1.3.1 潮汐

工程海域处于台湾海峡西北侧，台湾海峡及其附近海域的潮波由其北部蜕化旋转潮波与南部前进潮波系统构成，进入工程区海域的潮汐主要来自北部系统的影响。根据潮位调和分析，本海区潮汐属规则半日潮类型。该海域平均潮差为4.73 m，最大潮差为7.11 m。工程区潮位与邻近两站相比，该海域潮差由东向西逐渐增大，潮时由东向西逐渐推迟。

1.3.2 潮流

2-a 大潮2-b 小潮图2 潮流矢量图Fig.2 Vectorgraph of tidal current

根据工程海域2009年8月14日～8月21日(夏季)和2009年12月23日～2010年1月3日(冬季)12个站位大、中、小潮的水文全潮潮流测验资料调和分析，该工程海域潮流性质为正规半日潮流。由于工程区水域潮流性质为正规半日潮流。邻近厂址的2#～4#站和开阔水域的8#、9#，潮流运动为带有逆时针旋转流的性质，其他各站潮流运动主要表现为往复流的性质。该海域潮流特征为[1]：

(1)兴化湾潮流运动是由南日水道和兴化水道二股涨、落潮流运动所形成。涨潮时兴化水道涨潮流由东南向西北运动，南日水道涨潮流由南偏东向北运动，并在南日岛的西北侧与兴化水道涨潮流顶托，并挤压兴化水道的涨潮流，从而使得兴化湾南侧莆田岸侧岸线水域主要为南日水道涨潮流所占据，而兴化湾北侧水域主要为兴化水道涨潮流占据。落潮时兴化湾内纳潮水体分别经兴化水道和南日水道随潮位的降低而流向东海海域。

(2)工程水域处于石城—后石井岬湾中，离南日水道深槽西侧还有近7 km距离，且湾顶是泥沙淤积区，该段岸线处于南日水道涨潮水流的边滩缓流区之中，同时又是湾顶纳潮水体向南日水道落潮水流扩散的范围。

(3)整体上看，该海域流速呈现大潮大于中潮、中潮大于小潮、敞开海域大于近岸、深槽大于边滩、夏季大于冬季的变化规律，以南日水道和兴化水道最大。1#～5#涨落潮平均流速介于0.06～0.33 m/s。6#～10#涨落潮平均流速为0.22～0.47 m/s。11#、12#涨落潮平均流速为0.30～0.43 m/s。

(4)由于各站所处海域水流位置不同，其涨、落潮流的历时也不尽相同。主流区(6#～12#)涨潮流历时大于落潮流历时，工程区域(1#～5#)却完全相反，这为电厂取排水工程布局创造了良好的有利条件。

1.4 含沙量

1.4.1 水文全潮悬沙观测

该海域含沙量整体较小，且沿垂线分布较为均匀。据夏、冬季大、中、小潮共6次水文全潮含沙量观测结果，各站平均表层含沙量仅为0.036 kg/m3，中层、底层分别为表层的1.14倍、1.39倍。表明含沙量的垂线分布仍然呈现表层最小、底层最大、由表至底逐渐增大的变化规律。

夏季各站涨、落潮平均含沙量大潮为0.040 kg/m3，中潮为0.036 kg/m3，小潮为0.042 kg/m3。冬季各站涨、落潮平均含沙量，大潮为0.056 kg/m3，中潮为0.036 kg/m3，小潮为0.034 kg/m3。

1.4.2 工程附近定点取样观测

根据测验要求，在取水口附近利用每次回收仪器数据时进行悬沙样的采集并进行含沙量的分析工作。在观测期间，含沙量较大的月份主要为2009年9月16日、10月30日、12月24日和2010年8月17日、11月11日。含沙量达0.045～0.080 kg/m3，而其他时间含沙量仅在0.045 kg/m3以下。总体而言，该水域含沙量相对较小，最大仅在0.1 kg/m3左右，但其大、小潮变化及季节变化也是相对较大的。

1.5 悬沙粒径及底质

1.5.1 悬沙粒径

工程海域夏季悬沙d50为0.018 5 mm，冬季悬沙d50为0.009 8 mm，夏季悬沙粒径明显大于冬季悬沙粒径，夏冬季悬沙d50平均中值粒径为0.014 2 mm。工程海域夏季悬沙以粉砂为主，冬季在工程区内及其附近水域为粘土质粉砂物质为主。

1.5.2 底质

图3 沉积物中值粒径Fig.3 Median particle size

工程区近岸及潮间带均为较粗颗粒的砂质沉积物分布，主要为中粗砂及粗砂。在调查区域大部分海域，即-5 m等深线以深的区域主要为粘土质粉砂，粉砂质粘土并夹有少量的砂-粉砂-粘土、粉砂物质。在后石井—石城山间的小湾内有粉砂质沉积物，该沉积物以“硬底泥”形成存在，其泥沙运动难于发生。南日水道两侧的砂质沉积物与近岸沉积物间存在粉砂沉积物，且近岸的砂质沉积物分布也较窄，仅限于-2 m等深线以浅的潮间带内，这种分布表明：该砂质沉积带主要为近岸泥沙搬运为主，外来的泥沙供给不足。

该海区沉积物分布总体呈现近岸沉积物粒径粗、深水区较细的特点。调查区范围沉积物中值粒径d50为0.004 3～2.39 m。其中近岸浅滩中值粒径较粗，后石井—工程区的小湾内分布有0.01～0.05 mm粒径的沉积物，在其外侧由南向北广泛分布0.004～0.01 mm粒径的细颗粒沉积物。

海域沉积物分选系数总的分布特征是近岸较好、深水区较差，砂质沉积物分选较好，而粉砂质沉积物分选较差，近岸与深水区有明显的差异。分选很好的区域基本与砂质沉积物分布区重合，粉砂质沉积的分选程度较凌乱，由北向南和由西向东都存在一定的差异，特别是由西向东呈现分选中常-较好-中常-较好-中常的变化特点，显示了在潮流动力作用下海域沉积物搬运趋势不明显的特点。

1.6 泥沙来源

平海湾内没有大河注入，厂址东西两侧河流皆源短流小，供沙量很有限，这从小河口处岸线及等深线并未向海突出便可看出。平海湾内海岸岬湾相间且海岸多年保持稳定，因此侵蚀供沙量很小。波浪作用下泥沙以横向搬运为主，泥沙沿岸纵向输移量很有限。正常天气情况下，各站水体含沙量都不大。从单宽输沙量来看，各站单宽输沙量不大，单宽净输沙量也较小，因此，工程附近海域的潮流输沙量有限。以上分析表明，工程海域水体含沙量很小，泥沙来源不丰富。

2 沿岸输沙数值模拟

根据上述分析，当地近岸滩面存在一定数量的沙质底床，在常年波浪作用下可能存在一定沿岸输沙。因此，以下将对电厂附近的沿岸输沙强度进行研究。

2.1 计算软件

沿岸输沙数值模拟采用丹麦水力学研究所(DHI)研发的岸滩剖面输沙模块LITDRIFT，其将剖面划分为若干计算网格节点，可充分考虑波浪、沿岸流以及底质粒径、泥沙沉速等变量的横向分布，其物理背景更加接近实际海岸动力过程。此外，LITDRIFT可统计岸滩剖面在常年分级、分向波浪作用下的总输沙率和净输沙率。

图4 断面位置示意图Fig.4 Sketch of cross section

2.2 研究区域选择

剖面选择中，考虑6个不同断面，位置见图4，包含了电厂的取排水口。然而，沿岸输沙模拟适用的海岸类型为沙质海岸，理论上其底质泥沙粒径d50应在0.125 mm以上，然而根据底质取样分析结果，断面2处近岸泥沙底质粒径为粘土质粉砂(0.01 mm

2.3 沿岸输沙计算结果

图5 计算域及网格示意图Fig.5 Diagram of computed field and mesh grid

经计算，各断面的沿岸输沙强度均较弱，其中断面5总输沙强度最大，为3.4万m3/a，断面1总输沙率最小，为2.6万m3/a；至于净输沙率，断面1至断面5均在1.0万m3/a以下，断面6亦仅有1.2万m3/a。从输沙方向角度来看，由于厂址海域常波向为偏E方向，从而沿岸输沙以向西为主向。从地貌角度进一步分析，根据最新遥感卫星图片，鸡甲屿两侧岸线基本呈对称态，无明显的堆积体或沙坝结构，石南码头东西两侧岸滩亦未反映出明显的上游堆积，这便说明从大范围来看当地近岸输沙强度不高。在排水口规划水域西侧的河口处，存在微小的指向西侧的沙坝结构，显示出当地沿岸输沙的主向为自东向西，这与模拟结果所得结论是一致的。由此可见，工程处于岬湾相间岸段，泥沙来源少，附近岸段沿岸输沙不强，这对于工程的建设是有利的。

3 波浪潮流泥沙数学模型

3.1 模型建立及网格剖分

模型理论此处不再赘述[2-3]。数学模型的网格剖分及模型范围参见图5。该模型北边界至25°55′N，南边界至24°55′N，外海边界到-80 m等深线，包含整个兴化湾及其附近海域。工程附近海域岛屿众多、潮流运动较为复杂，为了较好地刻画该海域的地形特征，精确地模拟该海域的波浪潮流泥沙运动情况，本模型采用三角形网格进行剖分和计算[4]。相邻网格节点最大间距为6 000 m，在工程附近水域进行局部加密，最小间距为5 m左右。潮流数学模型开边界由中国海潮汐模型提供[5-6]。波浪和泥沙模型开边界根据实测资料经调试给出。

3.2 模型验证

本模型采用2009年8月和2009年12月～2010年1月的夏、冬季大、中、小潮水文全潮资料进行验证，部分验证结果参见图6。

图6 验证结果示意图Fig.6 Validation results

3.3 工程水域潮流特征[6-9]

现状条件下：涨潮初期，由西南向东北运动的涨潮流经过后石井后在炉厝村岬角分成两股水流，其中一股流向西侧湾顶,另一股向东北运动流向兴化湾；随着潮位的升高，涨潮中期在外海逆时针潮流带动下，涨潮流主体由东北转向偏西北方向运动，水体仍然在工程水域分流，工程东侧水体流向南日水道，西侧则继续填充湾顶；涨潮末期，外海及工程区水域水流进一步向偏西方向运动，此时后石井附近水流已经开始进入落潮阶段；随着潮波进一步发展，在外海旋转潮流带动下，开始进入落潮阶段，水流主体向西南运动，后石井附近水流在岸线的作用下向南运动；随着落潮流发展，工程区水流也转为为向东运动。

工程实施后：工程建设对大范围流场变化没有影响，涨落潮流总体上与工程前保持一致(图7)。