(中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東 青島 266003)

山東威海文登市位于膠東半島東部,其西阻于昆崳山,與煙臺市牟平區(qū)和乳山市相接,北連威海市環(huán)翠區(qū),東鄰榮成市,與日本、韓國隔海相望,南瀕黃海。威海港張家埠老港區(qū)位于文登市境內(nèi)的靖海灣內(nèi),雖然港內(nèi)掩護(hù)條件較好,但航道口門即長會口處有攔門沙淺灘,使張家埠港區(qū)的功能逐漸衰退。為了促進(jìn)文登市經(jīng)濟(jì)更好、更快地發(fā)展,有必要重新開辟新的港區(qū)。 通過對文登市岸線資源的綜合分析,結(jié)合文登市城市的發(fā)展規(guī)劃,在靖海灣內(nèi)的前島村處開辟新的港區(qū)。

本文主要研究張家埠新港建成后對海洋環(huán)境的影響,港區(qū)建設(shè)改變了原來的自然岸線和水域狀態(tài),使局部流場流速、流向也有所改變,海底泥沙將會重新分布。本文運用ECOMSED(水動力泥沙)三維模型模擬潮流、波浪(施加風(fēng))作用條件下工程周圍海域海底地形的演化,對工程建成后的沖淤狀況進(jìn)行模擬,并對流場和浪場二者進(jìn)行耦合,求得波浪和潮流共同作用下對海底的切應(yīng)力,與沉積物臨界起動剪切力比較,分析其沖淤變化。對于沖刷區(qū)域,選擇適當(dāng)?shù)乃畈介L,迭代計算波流作用下的床面切應(yīng)力,直到停止沖刷,預(yù)測沖淤平衡時的極限沖刷深度。

1 自然環(huán)境概況與工程概況

1.1 風(fēng)、浪、流概況

研究區(qū)處于東亞季風(fēng)區(qū)域,全年各向平均風(fēng)速以NW～NNE向為最大(6.3～7.3 m/s),其中NNW向風(fēng)速最大,為 7.3 m/s;S～WSW,WNW,NE向次之(5.0～6.3 m/s),其中SW向風(fēng)速較大,為6.3 m/s;E、ESE向風(fēng)速最小(3.6 m/s)。波浪以風(fēng)浪為主,常浪向為 SSW 向,次常浪向是 SSE向,強浪向為 SSE向,次強浪向S向[1]。

本海區(qū)的潮流屬于規(guī)則半日潮流,大潮期和小潮期平均流速相差不大,漲潮流速大于落潮流速,流速由表層至底層呈遞減狀態(tài)。最大流速不超過100cm/s,一般發(fā)生在表層,由表及底逐漸減小。余流較小,最大為5.1cm/s,最小僅為1.2cm/s,受岸邊地形影響,近岸處為往復(fù)流;離岸較遠(yuǎn)處由于受岸邊地形的影響較小,表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流的特征。

1.2 地形地貌特征

研究區(qū)位于靖海灣和五壘島灣之間(圖1),靖海灣為一浪控和潮控復(fù)合型海灣;五壘島灣原為一干出海灣,高潮時海水漫淹,低潮時海底干出,全為灘地,由于近 30年來海水養(yǎng)殖的發(fā)展,海灣大部已被開辟為養(yǎng)殖池。里子島以北海域地形比較復(fù)雜,特別牛心島和近岸海底坡降較大,比降在 2‰～6‰之間,海底凸凹不平,常有暗礁突出海底;里子島以東、牛心島以南 3.0～5.0 m 等深線間比較平緩,比降為1.3‰;5.0～7.0 m之間比降為0.67‰。

本海域水下地貌并不復(fù)雜,大體分為 3個類型：(1)水下侵蝕臺地及干出臺地,主要為母豬石、長石欄及里子周圍的岸巖干出礁及暗礁,是陸上殘丘或臺地向海延伸而突出海底部分,經(jīng)長期海洋動力剝蝕而形成,其組成物質(zhì)主要為變質(zhì)巖或脈巖;(2)水下岸坡,主要分布靖海灣西側(cè)和五壘島灣南側(cè),地形近岸較陡,遠(yuǎn)岸較緩,主要組成物質(zhì)為粉砂和砂質(zhì)粉砂;(3)淺海平原,主要分布在7.0 m水深以深海域,由潮汐、潮流形成廣闊平緩的堆積地形,組成物質(zhì)以黏土質(zhì)粉砂為主,是一種比較穩(wěn)定的地貌單元。

圖1 威海港張家埠新港區(qū)位置圖Fig.1 The location of Zhangjiabu new port at Weihai

1.3 泥沙來源

工程所在區(qū)域為一半島狀基巖海岸,泥沙來源主要有3個方面：河流輸沙、海岸侵蝕來沙、海底侵蝕來沙。其中以河流輸沙為主。本海區(qū)的沉積物類型不多,主要為粉砂和砂質(zhì)粉砂,沉積物中粉砂粒組占60%～80%。

1.4 工程概況

威海港張家埠新建港區(qū)位于靖海灣和五壘島灣之間、前島村處,行政區(qū)屬澤庫鎮(zhèn)(圖1)。

碼頭布置：自現(xiàn)前島村端部建設(shè)寬 15 m,長5 750 m 的引堤(兼疏港道路,將來隨著港口規(guī)模擴(kuò)大,逐漸拓寬),考慮盡量減小對靖海灣和五壘島灣水體交換的影響,在引堤1 879 m(自岸向海)開始采用透空式結(jié)構(gòu)1 900 m,再向海仍采用斜坡實堤結(jié)構(gòu)。

2 潮流場與地形地貌沖淤預(yù)測

新建港區(qū)建設(shè)改變了原來的自然岸線和水域狀態(tài)。碼頭建設(shè),引堤、圍堰工程及航道疏浚工程的建設(shè)對局部流場流向有所改變[2]。新的岸線形成以后工程附近漲、落潮流向均有較小角度的變化。

2.1 潮流場變化預(yù)測

利用建立的研究區(qū)海域ECOMSED數(shù)值模型模擬新港建設(shè)前后典型時刻(漲急、落急)的流場。結(jié)果表明,現(xiàn)狀岸線下漲急時流速在整體上流向表現(xiàn)為WNW向,流速在工程東側(cè)的靖海附近海域較大,在0.8 m/s以上,在擬建新港北側(cè)的靖海灣灣頂流速較小,流向近北向。落急時流速在外海上流向表現(xiàn)為ESE向,流速大小在0.6 m/s左右。澤庫鎮(zhèn)東側(cè)的靖海灣頂?shù)暮涌诟浇魉僭?.8 m/s以上,流向為SSW;靖海角附近流速在0.8 m/s以上,流向近E向。流速在整體上表現(xiàn)為東部近岸海域流速大,西部近岸海域流速小。新港建設(shè)后,其附近海域流速變化較大,根據(jù)新港建設(shè)前后流場對比圖(圖2)可以看出,新的岸線形成以后工程附近漲、落潮流向均逆時針增加較小角度,流速依然較大,流速變化最大的地方位于防波堤和碼頭圍填海位置處,最大改變約60cm/s。在引堤透空段,水動力條件增強,漲、落潮流速均增加約60cm/s。在碼頭南部外側(cè)海域,由于岬角效應(yīng),漲、落潮流速均增加約50cm/s。在引堤實心段兩側(cè)和港池內(nèi)部水域,由于非透水構(gòu)筑物的阻擋,形成較弱的水動力環(huán)境,致使流速較工程前減小約30cm/s。

總體來說,新港建設(shè)僅對附近海區(qū)產(chǎn)生一定影響,在距其 1.5 km以外的海區(qū)水動力條件基本不變。

2.2 地形地貌沖淤數(shù)值模擬

研究利用沉積物取樣分析、海流觀測等方法,結(jié)合水深地形、工程地質(zhì)、風(fēng)速資料,運用ECOMSED三維模型模擬潮流、波浪(施加風(fēng))作用條件下工程周圍海域海底地形的演化。

由于計算海域范圍較大,水體中的泥沙很難在整體上達(dá)到平衡狀態(tài),為了研究擬建工程附近海區(qū)沖淤變化影響,將工程前后泥沙初始條件設(shè)為一致,并將工程前后的25 h地形變化進(jìn)行比較,從而對工程區(qū)附近海域底形沖淤變化進(jìn)行研究。模擬時選取了N,E,NE和NW風(fēng),風(fēng)況為最大為8級風(fēng),大于6級風(fēng)作用24 h情況下工程附近海域的蝕淤變化情況。

圖2 新港建設(shè)前后計算潮流場差Fig.2 Current velocity variations before and after construction of the new port

根據(jù)模擬結(jié)果給出新港建設(shè)前后泥沙沖淤變化量(圖3)。由圖3可以看出,新港建成后其附近海區(qū)沖淤狀況改變較大,其余海區(qū)改變較小,沖淤強度改變量值在-1.0～1.0 mm/d之間。沖刷加強的區(qū)域為引堤透空段和防波堤南側(cè)區(qū)域,沖刷強度最大增加約1 mm/d;淤積加強的區(qū)域多集中在引堤實心段兩側(cè),水動力條件減弱的區(qū)域。實堤段一(靠近陸地段)兩側(cè)淤積強度約增加 1 mm/d,實堤段二(離岸段)兩側(cè)淤積強度約增加 0.5 mm/d;其余海區(qū)沖淤改變量值較小,沖淤強度改變值在-0.2～0.2 mm/d之間。因模擬的是極端情況下的沖淤演變因此值較大,隨著沖淤的進(jìn)行會逐漸達(dá)到?jīng)_淤平衡,沖淤量會逐漸變小。

總體來說,新港建設(shè)主要影響附近的沖淤狀況,對距其1.5 km以外的海區(qū)影響較小。

圖3 泥沙沖淤變化圖Fig.3 Changes of erosion and deposition

3 極限沖刷深度預(yù)測計算

3.1 計算原理

根據(jù)力學(xué)平衡原理,將波浪和潮流在海底產(chǎn)生的切應(yīng)力耦合,與沉積物顆粒臨界起動剪切力相比較,如果切應(yīng)力大于臨界起動剪切力,將繼續(xù)沖刷,然后根據(jù)沖刷后的水深重新計算波浪要素,計算浪流切應(yīng)力,不斷重復(fù)上述計算過程,再次比較,直到切應(yīng)力等于臨界起動剪切力,停止計算,保留下此點的水深,即為極限沖刷深度。

在純波浪時,最大底部剪切應(yīng)力由下式[3]確定：

一個波周期內(nèi)的波浪平均剪切應(yīng)力是零,假定上式可適用于瞬時情況。則有

上式中,τwc為波流共存時的切應(yīng)力;波流共存時的摩阻系數(shù)fwc已由fw代替;u為瞬時流速。據(jù)此可以計算出各網(wǎng)格點波流共同作用下的床面切應(yīng)力。

曹祖德、唐士芳[4]利用波浪槽試驗結(jié)果,推導(dǎo)出不同流態(tài)、泥沙粒徑時的臨界起動剪切力τb：

式中：ν為水體動黏滯系數(shù);ρs為泥沙顆粒密度;ρ為水的密度;d為沉積物中值粒徑。根據(jù)上述公式和沉積物分布中的中值粒徑資料,計算出海域沉積物臨界起動剪切力。

根據(jù)水深地形資料,首先利用數(shù)學(xué)模型計算出流場和浪場,再依次計算出各網(wǎng)格點波流共同作用時的床面切應(yīng)力,與各點的沉積物臨界起動剪切力比較,切應(yīng)力大于臨界起動剪切力就沖刷,反之則不沖。據(jù)此分別計算了25,50年一遇SSE,S,SSW向波浪和流共同作用下,新港建設(shè)后附近海域極限沖刷深度(圖4)。

圖4 SSE向波浪和潮流作用下沖刷等值線圖Fig.4 The isocline of erosion imposed by SSE wave and current

3.2 極限沖刷深度預(yù)測結(jié)果

從圖4中可以看出新港建成后,在透空段和防波堤南側(cè)附近出現(xiàn)了幾處沖刷區(qū)域,引堤實心段兩側(cè),水動力條件減弱的區(qū)域發(fā)生淤積,與流速變化相對應(yīng)。25年一遇波浪和潮流作用下,SSE向波浪作用下工程透空段沖刷深度為 2.1～0.1 m,防波堤南側(cè)沖刷深度最大可達(dá)2.9 m,S向波浪和潮流作用下,工程透空段沖刷深度為2.1～0.1 m,防波堤南側(cè)沖刷深度最大可達(dá)2.7 m,SSW向波浪和潮流作用下工程透空段沖刷深度為 2.0～0.1 m,防波堤南側(cè)沖刷深度最大可達(dá)2.2 m;50年一遇波浪作用下,SSW向波浪作用下工程透空段沖刷深度為 2.1～0.1 m,防波堤外沿沖刷深度最大可達(dá)2.4 m,SSE向波浪和潮流作用下,工程透空段沖刷深度為 2.0～0.1 m,防波堤外沿沖刷深度最大可達(dá)3.5 m,S向波浪和潮流作用下,工程透空段沖刷深度為 2.0～0.1 m,防波堤外沿沖刷深度最大可達(dá)3.2 m。

4 結(jié)論與建議

1)威海港張家埠新港建設(shè)只對附近海域流場影響較大,導(dǎo)致局部流場發(fā)生改變。在引堤透空段,水動力條件增強,漲、落潮流速均增加約60cm/s。在防波堤南部外側(cè)海域,由于岬角效應(yīng),漲、落潮流速均增加約50cm/s。在引堤實心段兩側(cè)和港池內(nèi)部水域,由于非透水構(gòu)筑物的阻擋,形成較弱的水動力環(huán)境,致使流速較工程前減小約 30cm/s。距其1.5 km以外的海區(qū)水動力條件基本不變。

2)威海港張家埠新港建成后周邊海域沖淤狀況改變較大,在其余海區(qū)改變較小,沖刷加強的區(qū)域為引堤透空段和防波堤南側(cè)區(qū)域,沖刷強度最大增加約1 mm/d;淤積加強的區(qū)域集中在引堤實心段兩側(cè)和港池等水動力條件減弱的區(qū)域。但隨著沖淤的進(jìn)行會逐漸達(dá)到?jīng)_淤平衡,沖淤量會逐漸變小。

3)利用數(shù)值模型的潮流和波浪參數(shù),預(yù)測擬建新港附近海域極限沖刷深度。計算發(fā)現(xiàn),在引堤透空段和防波堤南側(cè)附近出現(xiàn)了幾個沖刷坑,預(yù)測最大沖刷深度發(fā)生在防波堤南側(cè),可達(dá) 3.5 m,發(fā)生在SSE向波浪和潮流作用下。此結(jié)果可以作為新港沖刷防護(hù)工程的設(shè)計依據(jù)。

[1]中國海灣志編纂委員會.中國海灣志,第三分冊(山東半島北部和東部海灣)[M].北京：海洋出版社,1991.

[2]常瑞芳.海岸工程環(huán)境[M].青島：中國海洋大學(xué)出版社,1997.

[3]曹祖德,唐士芳.波、流共存時的床面剪切力[J].水道港口,2001,2：56-60.

[4]曹祖德,孔令雙,焦桂英.波、流共同作用下的泥沙起動[J].海洋學(xué)報,2003,3：113-119.