石浦港水動力泥沙問題研究

李孟國，麥 苗，李文丹，張義豐

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業重點實驗室,天津 300456)

石浦港水動力泥沙問題研究

李孟國，麥 苗，李文丹，張義豐

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業重點實驗室,天津 300456)

石浦港是一個具有五個口門的狹長港灣。作為一個港口，現有航道的通航能力明顯不足，亟需升級現有航道至五萬噸級航道以適應發展需要。另外，近年來石浦港大部存在泥沙淤積明顯加重的趨勢。本文通過地貌特征分析、遙感分析、現場實測水文泥沙資料分析、數學模型試驗和物理模型試驗對石浦港的潮流泥沙特征、泥沙淤積原因、石浦港航道開挖及下灣門炸礁通航等水動力泥沙問題進行了研究。研究結果表明：(1)石浦港是三門灣的外海通道之一，潮流是維持水道水深的主要動力；(2)石浦港及附近海域屬于淤泥質海岸，含沙量較大；(3)五個口門中，三門和下灣門潮量較大，是主要口門；(4)從水動力泥沙角度考慮，石浦港五萬噸級航道開挖及下灣門炸礁通航是可行的；(5)下洋涂圍墾造成了石浦港潮動力減弱，是石浦港西、中部泥沙淤積加重的主要原因。

石浦港；石浦水道；潮汐汊道；水動力；泥沙；三門灣；數學模型；物理模型

1 研究背景

圖1 石浦水道形勢圖Fig.1 Sketch of Shipu Waterway

石浦港位于浙江中部沿海的石浦水道內，是典型的多口門狹長潮汐汊道型港灣(圖1)，其是由東門島、對面山、南田島、高塘島、坦塘島圍列而成的“月牙”狀封閉型港灣，有銅瓦門、東門、下灣門、蜊門及三門共五個口門與外海相通，灣內分布著打鼓峙、中界山、汏網嶼、飯甑山、庵山等島嶼及深槽和淺灘、中心線全長約20 km，寬0.4～3 km，面積約27 km2。石浦港水深4～61 m(理論基面，下同)，大部分水深在10 m以上，可泊萬艘漁船，可行數千噸級海輪；港內風輕浪平，可避10級以上大風，是東南沿海著名的避風良港。目前石浦港的五個口門均具備一定的通航能力，船舶通行以下灣門、東門及銅瓦門為主，大型船舶通航以下灣門為主，最大通航能力5 000 t[1-2]。

目前石浦港遇到兩個問題：其一是近幾年來石浦港淤積有明顯加重的趨勢，原因不明；其二是提高通航能力問題：隨著臨港工業發展，現有千噸級航道的通航能力明顯不足，亟需升級現有航道，建設萬噸級航道以適應發展需要。建設萬噸級航道除了在石浦港內進行局部航道段浚深外，還要在五個口門中選擇出?？?。在五個口門中，下灣門適合開發萬噸級出海航道[1-2]。下灣門水道全長近3 km，寬0.4～0.8 km，水深20 m以上，口門處水深可達80 m左右，萬噸級航道無需開挖，但在口門附近存在金龍礁和石欄礁等礁石群(圖2)，需要炸礁通航。航道建設的浚深和炸礁對具有多口門的石浦港水沙環境有何影響是讓人關心和需要論證的。

本文通過地貌特征分析、懸沙分布遙感分析、現場實測水文泥沙資料分析、波浪潮流數學模型和波浪潮流泥沙物理模型對石浦港的潮流泥沙特征、泥沙淤積原因、五萬噸級航道開挖及下灣門炸礁通航(圖2)的水動力泥沙問題進行研究。

圖2 石浦港航道軸線示意圖Fig.2 Sketch of navigational channel axis in Shipu Harbor

2 地貌特征

從地貌上看，石浦水道是三門灣的一部分(圖1)。三門灣是浙江省主要海灣之一，海域面積775 km2，貓頭水道、滿山水道、珠門港水道及石浦水道是其四個口門段汊道(潮汐汊道)，其中石浦水道與珠門港水道一起控制著三門灣北部的白礁水道、下洋涂東部潮灘區域[3]。從地貌學角度看，四個口門段水道既是三門灣納潮水體的進出通道，又要靠三門灣的納潮來維持其水道水深。

3 水動力泥沙特征

3.1潮汐與潮流[4-8]

2011年7月24～25日和7月31日～8月1日在石浦港內外進行了6個潮位測站、13條水文垂線的大、小潮全潮同步觀測(站位見圖1，H6潮位站位于下洋涂西側的鵓鴣頭漁村，圖1中未能顯示)，根據實測資料，石浦港的潮汐和潮流特征如下：

(1)各站潮汐類型(HK1+HO1)HM2的值均小于0.5，表明潮汐屬正規半日潮型，潮汐漲潮平均歷時略短于落潮平均歷時。

(2)水文全潮測驗期間H1、H2 、H3站的最大潮差分別為5.90 m、5.61 m和5.21 m，最小潮差分別為1.43 m、1.36 m和1.27 m，平均潮差分別為3.21 m、3.05 m和2.83 m。石浦港從西向東潮差逐漸減小。

(3)各測站潮流類型F=(WK1+WO1)WM2介于0.08～0.26之間，平均為0.16，表明潮流類型屬于規則半日潮流性質，潮流基本上沿岸線或者深槽呈往復運動。

(4)總體上講，石浦港漲潮時潮流從東、南四個口門(蜊門、下灣門、東門和銅瓦門)流入，從西部三門流出，落潮則相反(與文獻[9]報道結論一致)，但除三門和下灣門漲落潮流無位相差外，其與其它各口門有1～2 h的位相差。

(5)根據V3和V5站資料，石浦港內大潮漲落潮平均流速介于0.66～0.71 ms之間，最大流速介于1.14～1.27 ms之間；三門口(V2站)大潮漲落潮平均流速分別為0.50 ms和0.56 ms，最大漲落潮平均流速分別為0.84 ms和1.15 ms；蜊門(V4站)大潮漲落潮平均流速分別為0.69 ms和0.53 ms，最大漲落潮平均流速分別為1.16 ms和0.87 ms；銅瓦門(V6站)大潮漲落潮平均流速分別為0.22 ms和0.62 ms，最大漲落潮平均流速分別為0.42 ms和1.20 ms；東門(V7站)大潮漲落潮平均流速分別為0.54ms和0.58 ms，最大漲落潮平均流速分別為0.85 ms和0.92 ms；下灣門(V8站)大潮漲落潮平均流速分別為0.74 ms和0.61 ms，最大漲落潮流速分別為1.29 ms和1.12 ms。

(6)在五個口門中，只有蜊門和下灣門的漲潮流速大于落潮流速(其他三個口門則反之)，只有下灣門大潮漲落潮流速均大于1.0 ms。

3.2波浪

由于受四周島嶼掩護，外海波浪對石浦港影響很小。港內波浪主要是風成浪(本海區春夏季盛行SW風，夏末至秋冬盛行偏N風，常風向為SW和N向；強風向為NE向，全年>8級以上的大風日數為98.9 d，大風主要由臺風侵襲形成)，波高一般小于0.8 m，即使臺風過境時，最大波高僅為1.5 m左右[4,7]。

3.3含沙量與懸沙粒徑

根據2011年7～8月大、小潮水文全潮測驗資料分析，大潮含沙量相對較大，各測站大潮漲落潮平均含沙量分別介于0.135～0.343 kgm3和0.190～0.393 kgm3之間，大潮漲落潮最大含沙量分別介于0.272～0.605 kgm3和0.257～0.596 kgm3之間；小潮含沙量明顯小于大潮，除個別點外，漲落潮平均含沙量和最大含沙量一般均小于0.1 kgm3。

含沙量遙感分析表明[4]：(1)石浦港及附近海域表層含沙量基本介于0.1～0.3 kgm3之間(石浦港內含沙量略高)，屬于含沙量相對較大的海域，含沙量大致呈現從近岸至外海遞減趨勢；(2)冬季含沙量大，夏季含沙量小，冬季含沙量是夏季含沙量的2～3倍，與文獻[3]結論一致；(3)含沙量隨潮差大小而變化，潮差大則含沙量大，潮差小則含沙量小，與實測資料結果一致；(4)近岸水體含沙量受風影響較大，大風浪天水體含沙量相對增高；(5)綜合以上4點，從遙感反演結果看，泥沙來源主要為近岸淺灘泥沙的起動和搬運。

根據2011年7～8月大、小潮水文全潮測驗期間各站漲憩、落憩、漲急、落急時段取懸沙水體中的沙樣分析，懸沙中值粒徑變化范圍為0.003 7～0.013 7 mm，平均d50為0.008 2 mm。

3.4底質

根據2011在石浦港內外85個底質取樣分析，石浦港內底質以粘土質粉砂為主，其中值粒徑基本介于0.005～0.012 5 mm之間，分選系數基本介于1.4～2.0之間，分選屬中常；粘土百分含量為20%～40%之間，為典型的淤泥質海岸。

3.5單寬輸沙率

根據2011年7～8月在石浦港內外進行大、小潮水文全潮測驗，各口門及附近測點的單寬輸沙量統計計算結果見表1。

表1 水文全潮測站單寬輸沙量(t全潮)Tab.1 Unit width sediment transport in a complete tidal cycle at observation stations t

表1 水文全潮測站單寬輸沙量(t全潮)Tab.1 Unit width sediment transport in a complete tidal cycle at observation stations t

站位漲潮大潮小潮平均落潮大潮小潮平均凈輸沙量漲潮-落潮V139.5600.81720.18922.5630.49411.5298.660V2129.5289.04369.286178.8518.03393.442-24.156V396.1006.95451.527119.4378.03863.738-12.211V4113.6016.10759.85487.573.89045.7314.124V635.69529.54032.618172.39224.12298.257-65.639V739.9706.56123.26656.4486.80731.628-8.362V8333.11733.820183.469353.89723.656188.777-5.308V1179.9913.51841.75543.9972.31423.15618.599

從表1的單寬凈輸沙量看，泥沙從三門和蜊門向石浦港內輸送，從下灣門、東門和銅瓦門向港外輸沙，與有關文獻[2,9,10]結論相同。

3.6泥沙來源

石浦港位于三門灣北岸，附近無大河注入，因此受河流來沙的直接影響很小。從宏觀上來說，長江口外泄泥沙隨江浙沿岸流南下擴散并在本海域近岸淺灘不斷淤積，是形成石浦港附近淤泥質海岸的主要泥沙來源。石浦港附近近岸淺灘的細顆粒泥沙在波浪和潮流共同作用下懸浮再搬運并隨潮流進入石浦港內及石浦港內底床泥沙在波流作用下懸浮再搬運是當前石浦港內淤積的主要泥沙來源。

3.7沖淤演變

根據文獻[2],石浦港港域在1981～1995年的14 a中，大面積處于淤積狀態，淤積厚度一般在1～1.5 m以內。年淤積強度為0.053 ma的區域占總淤積面積的13，淤積強度大于或等于0.22 ma的占13弱，其余13強的面積淤積強度均小于或等于0.12 ma，整個港域14 a中的淤積強度為0.13 ma。

根據2006年6～7月1:1萬和2011年7～8月1:1萬水深測圖對比分析[4]，石浦港呈大部分淤積、局部區域沖刷的狀態。5 a內平均淤厚0.60 m，年淤積強度0.12 ma，其中三門口—打鼓峙和中界山—汏網嶼淤積較重，年均淤強為0.15～0.18 ma，打鼓峙—中界山淤積較輕，年均淤強約0.06 m。銅瓦門淤強0.18 ma，東門和下灣門沖刷強度分別為0.29 ma和0.47 ma。

根據2012～2014年石浦港內3個固定斷面(圖2中的D1、D2和D3)共7次1:1 000水深測圖并結合2006年和2011年的水深測圖分析，2012～2014年期間，石浦港東部的D1斷面呈灘淤槽沖、整體略有沖刷的趨勢，整體沖刷了0.33 m，淤強為-0.13 ma；石浦港中部的D2斷面整體淤積了0.48 m，淤強為0.21 ma；石浦港西部的D3斷面整體呈淤積趨勢，整體淤積了1.85 m，淤強為0.82 ma。

固定斷面地形在2011年前后兩個時段沖淤變化趨勢存在明顯差異，2011年之前整體呈基本穩定狀態；2011年后則出現淤積加重趨勢，有西部淤積較重、中部次之、東部深槽略呈沖刷的變化特點。

4 模型試驗

通過數學模型和物理模型試驗，對石浦港5萬噸級航道開挖和下灣門口門炸礁工程的水沙環境問題進行了研究。五萬噸級航道軸線如圖2所示，航道底寬165 m，底高程-14.8 m(國家85基面)。航道有2處開挖段，打鼓峙西段長約3.55 km，最大挖深4.39 m，中界山東段長約3.76 km，最大挖深6.84 m。下灣門水道無需開挖，但要對石欄礁炸礁和園山突嘴礙航部分炸除。

4.1數學模型和物理模型的建立

基于Mike系列軟件中的三角形網格波浪SW模型、水動力模塊(FM模塊)、平面二維懸沙輸移擴散方程和床面沖淤變化方程，建立了考慮波浪作用的潮流泥沙數學模型[5,8,11]。模型范圍的邊界北至韭山列島、南到東磯列島、外海至約-30 m等深線，包括了整個三門灣海域。為擬合復雜岸線和航道等細致建筑物邊界，采用了無結構三角形網格對計算域進行剖分。為模擬石浦港航道工程的細部流態，模型網格最小空間步長應保證精確分辨航道及港內各水道，網格節點90 000個，其中最小網格尺度近10 m。外海潮位邊界由Chinatide提供[12]。

圖3 物理模型試驗布置Fig.3 Layout of the physical model

基于幾何相似、潮流運動和泥沙運動相似的要求，建立了定床懸沙物理模型[6]。模型按包括下灣門炸礁工程區及石浦港內的航道布置，南北方向包括東門島—南田島的范圍，西側至三門口，東側至檀頭山，即東西長約22.5 km，南北寬約11.25 km的海域，面積約253.1 km2。模型采用水平比尺為300，根據潮流運動和泥沙運動相似以及選擇模型沙的要求，選取模型垂直比尺為70，模型變率4.29。模型占地86 m×42 m，見圖3。本模型各開邊界的潮汐控制均采用可逆泵生潮系統來實施，在銅瓦門、東門、下灣門、汏網嶼、中界山三門口各布置一條加沙斷面。

工程海域懸沙中值粒徑介于0.003 7～0.013 7 mm之間，平均中值粒徑約為0.008 2 mm左右，屬粘土質粉砂。這種懸沙是會產生絮凝的，對應的靜水沉速約為0.48 mms左右。物理模型選擇密度為1.45 gcm3的寧夏煤作為模型懸沙。在模型平面比尺為300，垂直比尺為70的條件下，計算沉速比尺為1.95，選取模型沙平均中值粒徑為0.035 mm，模型沙沉速約為0.25 mms左右，換算成實際沉速比尺為1.92，基本可以滿足泥沙沉降相似要求。

數學模型和物理模型均使用2011年7～8月大、小潮水文全潮資料及石浦港內2006～2011年的淤積資料進行了驗證[5,6,8,11]，均符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》[13]的要求。

4.2主要試驗成果

(1)航道流速變化[5,6,8,11,14]。航道工程實施后，僅在沿航道軸線兩側局部區域流速有所變化。石浦港東西向的三門口至汏網嶼航道段水域，受航道開挖的影響，水流存在歸槽現象，航道流速略有增大，漲落潮平均流速增加0.01～0.06 ms，流速增幅介于5%～6%之間。下灣門水道的汏網嶼至園山航道段，漲落潮流速呈增加的趨勢，平均流速增加0.02～0.04 ms，流速增幅介于3%～4%之間；下灣門水道的石欄礁附近航道段，由于石欄礁被炸除，水流通暢，漲落潮平均流速分別增加了0.33 ms和0.34 ms，增幅約為73%和45%。

航道線上的水流基本呈現為平行于航道軸線的往復流，滿足航行安全需要，航道線的布置是合理可行的。

(2)口門內外潮位變化。航道工程實施后，數學模型試驗的下灣門口門內外高低潮位偏差均在±1 cm以內，物理模型試驗的高低潮位變化幅度在±0.02 m之內，處于試驗誤差范圍，因此，航道工程實施后對潮位基本沒有影響。

(3)各口門潮量、分流比及其變化。數學模型計算和物理模型試驗得到的大潮過程各口門現狀漲落潮潮量及其工程引起的變化見表2。從表2可見：①下灣門和三門是石浦港主要的口門，無論是下灣門還是三門，其漲落潮潮量均與其他三個口門的漲落潮潮量之和相當；②對于石浦港多個口門來說，除三門外，其他四個口門基本上呈現出漲落潮同步，數模計算的銅瓦門、東門、下灣門和蜊門四個口門的漲潮分流比為0.229:0.164:0.516:0.091，落潮分流比為0.284:0.169:0.481:0.067，下灣門是優勢口門；③航道工程實施后，三門和下灣門漲落潮潮量呈增加趨勢，增幅2%～5%(三門增加2%～5%，下灣門增加2%～4%)，其他三個口門漲落潮潮量呈減小趨勢，減幅在3%以內，不會引起口門萎縮[5-6]。

表2 各口門大潮過程漲落潮潮量及工程引起的變化Tab.2 Tidal prisms and their changes caused by the project at five entrances during a spring tide process

(5)中界山南北分流比及其變化[6]。天然狀態下，中界山北側和南側漲潮分流比約為63：37，落潮分流比約為59：41；航道工程實施后，漲潮分流比調整為67：33，落潮分流比調整為62：38。分流比及變化說明，一方面，中界山北側是航道所在水域，流量增加意味著對航道維護有利，另一方面，航道工程對石浦港影響是很小的。

表3 泥沙淤積試驗結果Tab.3 Results of sedimentation test

(6)航道泥沙淤積。航道工程實施后，數學模型和物理模型的泥沙淤積試驗結果見表3。從表3可見，物理模型和數學模型的結果基本一致，石浦港內的航道開挖淤積不大，淤積量約90萬m3。

(7)下洋涂圍墾對石浦港泥沙淤積的影響。下洋涂圍墾工程位于石浦港三門口外部，圍墾面積35.78 km2。利用建立的數學模型模擬了下洋涂圍墾工程對石浦港淤積的影響。模擬結果表明，①圍墾工程實施后，石浦港內全潮平均流速減小約0.05～0.12 ms，最大流速減小約0.07～0.21 ms；②圍墾工程實施后，石浦港內發生泥沙淤積，平衡后的淤積分布見圖4，三門口最重，向西淤積厚度逐漸降低。泥沙淤積厚度與前述的2012～2014石浦港內固定斷面D3和D2的實際淤積結果趨勢和量級吻合。

圖4 石浦港內淤積分布Fig.4 Distribution of sedimentation in Shipu Harbor

如前所述，石浦水道與珠門港水道一起控制著三門灣北部的白礁水道、下洋涂東部潮灘區域，下洋涂圍墾工程實施后，造成納潮面積減小(有關文獻[15-16]結論一致)，因此石浦港流速肯定減小，流速減小造成泥沙淤積。

5 結論

本文根據地貌特征、現場實測資料和懸沙遙感衛片等的分析和數學模型、物理模型試驗對石浦港的水動力泥沙問題進行了研究，有如下主要結論：(1)擁有五個口門的石浦港是三門灣的四個口門潮汐汊道之一，是三門灣納潮水體的進出通道，潮動力維持著石浦港的水深，是天然避風良港；(2)石浦港漲潮時潮流由東南四個口門進入，由西部三門流出，落潮則相反。但門各口門存在1～2 h的位相差；(3)石浦港潮汐屬于正規半日潮型，從西向東潮差逐漸減??；潮流類型屬于規則半日潮流性質，潮流基本上沿岸線或者深槽呈往復運動；(4)石浦港潮差大，潮流動力強。下灣門大潮漲落潮最大流速均在1 ms以上；(5)石浦港海域的含沙量較大，泥沙隨漲落潮向三門和蜊門石浦港內輸送，從下灣門、東門和銅瓦門向石浦港外輸送；(6)石浦港海域屬于淤泥質海岸，懸沙粒徑和底質粒徑基本一致；(7)石浦港附近近岸淺灘的細顆粒泥沙在波浪和潮流共同作用下懸浮再搬運并隨潮流進入石浦港內及石浦港內底床泥沙在波流作用下懸浮再搬運是石浦港內淤積的主要泥沙來源；(8)石浦港航道開挖及下灣門炸礁通航后，基本不改變港內水沙環境，航道水流較平順，各口門分流比及中界山南北分流比均略有調整，對潮位無明顯影響，淤積量不大，航道工程是可行的；(9)下洋涂圍墾是造成石浦港西、中部泥沙淤積加重的主要原因。

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Study on hydrodynamic sediment problems in Shipu Harbor

LIMeng-guo,MAIMiao,LIWen-dan,ZHANGYi-feng

(TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering,NationalEngineeringLaboratoryforPortHydraulicConstructionTechnology,KeyLaboratoryofEngineeringSedimentoftheMinistryofTransport,Tianjin300456,China)

Shipu Harbor is a long-narrow harbor with five entrances. As a harbor, its present navigational capacity of navigation channel is insufficient, and it is desiderate to upgrade the existing navigation channel to 50 000 DWT channel to meet the need of development. In addition，it is found that the sedimentation in most part of Shipu Harbor tends to aggravate in recent years. In this paper, by means of analyses of landform features, remote sensing and in-situ hydrology and sediment data，mathematical model and physical model, the hydrodynamic sediment environment problems were studied related to tidal current and sediment characteristics in Shipu Harbor, the sedimentation causes, navigation channel excavation and reef explosion for navigation in Xiawanmen entrances, etc. The study results show that, (1) Shipu Harbor is one of the out-to-sea passages of Sanmen Bay, and the tidal current is the main hydrodynamic force to maintain its water depth. (2) Shipu Harbor and nearby is of muddy coast, and the sediment concentration is higher. (3)Among the five entrances of Shipu Harbor, Sanmen and Xiawanmen are the main entrances with relatively greater tidal capacity. (4) It is feasible to excavate 50 000 DWT navigation channel in Shipu Harbor and to make explosion reef for navigation in Xiawanmen entrances as far as hydrodynamic sediment is concerned. (5) Xiayangtu reclamation weakened the tidal force in Shipu Waterway, and is the main cause to aggravate the sedimentation in the west part and middle part of Shipu Harbor.

Shipu Harbor; Shipu Waterway; tidal inlet; hydrodynamics; sediment; Sanmen Bay；mathematical model; physical model

2017-02-20；

2017-06-21

國家重點研發計劃(課題編號：2016YFC0402605)

李孟國(1964-)，男，天津市人，研究員，主要從事海岸河口水動力泥沙研究。

Biography：LI Meng-guo(1964-),male, professor.

TV 142;O 242.1

A

1005-8443(2017)05-0433-07