岬角型岸線潮流泥沙特點及海洋工程問題

徐 嘯

(南京水利科學研究院，南京 210029)

岬角型岸線潮流泥沙特點及海洋工程問題

徐 嘯

(南京水利科學研究院，南京 210029)

在一些海島或灣口部位，岸線走向不再平直，而具有“岬角型”海岸線特點，經過這里的潮汐水流也隨著邊界條件的不同，具有分流(匯流)或繞流(挑流)等不同特點的流態。文章結合幾個典型的港口工程研究成果，將岬角型岸線處潮流特點進行歸納分類，同時分析它們的泥沙運動特點及建設海洋工程時可能存在的問題，探討整治工程的原則和方法等。

岬角型岸線；潮流特點；泥沙回淤特點；海洋工程問題

在一般平直海岸條件下，近岸區的潮流一般是平行于等深線的沿岸流動。但在一些海島或灣口部位，岸線走向發生較大變化，具有“岬角型”海岸線特點，經過這里的潮流不再是平行于等深線的平順流動，而是隨著邊界條件的不同，具有分流、匯流或挑流、繞流等不同特點的復雜流態特點，有時會伴隨產生大尺度回流或緩流現象。在此部位規劃建設港口工程或其他海岸工程，就必須充分掌握當地潮流場特點以及相應的泥沙運動特點；否則會直接影響到此區域的船舶航運安全，還可能因嚴重的泥沙淤積問題導致工程的失敗。本文結合幾個典型的港口工程研究成果，將岬角型岸線處潮流特點進行歸納分類，分析它們的泥沙運動特點及建設海洋工程時可能存在問題，探討整治工程的原則和方法等。

1 岬角型岸線水域潮流類型和特點

下面我們以廈門東渡灣(廈門西海域)灣口處，即鼓浪嶼周邊海域的潮流特點來說明岬角型岸線水域潮流類型和特點。

圖1 漲潮流態示意圖 圖2 落潮流態示意圖Fig.1 Sketch of flood flow pattern Fig.2 Sketch of ebb flow pattern

漲潮階段，漲潮流自廈大—嶼仔尾斷面進入鼓浪嶼南海域，漲潮水量中大部分(23以上)往西進入九龍江河口灣，約13折向北進入廈門東渡灣(廈門西海域)水域。

圖1和圖2為東渡灣灣口處水域漲急、落急流態示意圖。據此可以看出，不同的地形條件產生不同的潮流流態，東渡灣灣口水域大致有二種潮流形態：(1)環抱式分(匯)流型；(2)岬角繞(挑)流分(匯)流型。下面分別介紹這些流態的特點和相應的泥沙問題。

1.1環抱式分(匯)流型

根據地形條件，環抱式分(匯)流型又可分為島嶼環抱流型和岬角環抱流型。

1.1.1 島嶼環抱型分(匯)流——鼓浪嶼周邊流態

(1)潮流特點：潮流正面迎島流動，遇島在迎流區潮流分為兩股水流，從島嶼兩側流至島嶼背水區，重新匯聚；迎水區和背水區亦即分流區和匯流區。

由圖1和圖2可以看出，鼓浪嶼東南端呈魚嘴狀將漲潮流分成東西兩股水流，分別沿鼓浪嶼東西兩側北行在鼓浪嶼西北端重新匯合。落潮流相反，在鼓浪嶼西北端分流，到東南端匯流。

(2)泥沙回淤特點：分匯流區水流紊動較強烈，一般產生較多泥沙回淤，當水體含沙量較高時，島嶼前后兩端均可能產生魚嘴型淤積體。

(3)海洋工程問題：淤積區一般不宜建設港口或航道工程；但可依據水流條件布置圍海工程。

(4)實例：鼓浪嶼，小金門島、廈門島等。

1.1.2 岬角環抱式分(匯)流——嵩嶼周邊流態

(1) 潮流特點：潮流正面向岬角型岸線行進，岬角處為分流區；在反向潮流情況下又是匯流區。實質上“島嶼環抱式”與“岬角環抱式”流態相同；“岬角環抱式分(匯)流”更具有普遍意義。

(2)泥沙回淤特點：與“島嶼環抱式”相同，匯流區水流比較紊亂，易產生較多泥沙回淤，形成魚嘴型回淤體。嵩嶼水域的象鼻嘴地形即為典型的魚嘴型回淤體。

(3)海洋工程問題：淤積區一般不宜建設港口或航道工程，但可依據水流條件布置圍海工程。此類圍海工程多為“魚嘴型”工程，起導流或分流作用。此類工程的關鍵往往是如何確定“魚嘴點”的位置。為保證魚嘴兩側水流平順和比例合適，魚嘴點應位于天然兩股水流的“分流線”上，由于潮流的非恒定性，“分流線”可能不是一條固定線，而是隨時搖擺變動，形成一個“分流區”，為此一般需通過試驗研究來確定比較合理的“魚嘴點”位置。

(4)實例：廈門嵩嶼，泉州南安石井，小洋山島鏈上的蔣公柱等。

1.2岬角繞(挑)流式分(匯)流——沿廈門島西南海岸的漲落潮水流

(1)潮流特點：潮流以繞(挑)流形式通過島嶼或海岸的岬角，在岬角附近，分為兩股水流或與另一股潮流匯合。由于岬角的挑流作用，在岬角“下游”側岸線處容易形成一定尺度的回流。

(2) 泥沙回淤特點：由于較強的繞(挑)流作用，岬角附近往往形成深潭或深槽。潮流主流通過岬角后，由于挑流作用，容易形成一定尺度的回流，當有充分泥沙補給時，在回流區范圍內容易形成“弓形”或“半月形”淤積體。

(3) 海洋工程問題：在繞流區和回流區建設海岸工程都將面臨比較大的水流泥沙問題。特別在強潮高含沙量水域，往往需要通過試驗研究確定工程的可行性。

(4)實例：洋山深水港一期工程基本方案(小洋山—鑊蓋塘方案)，馬跡山馬屁股卸貨碼頭等。

2 岬角型岸線潮流類型的進一步綜合分析

2.1岬角型岸線潮流類型的進一步概化[1]

根據上述兩類岬角型潮流特點可以繪制如圖3兩種更具典型意義的流態概化示意圖。由圖可知，岬角環抱式分(匯)流特點是：岬角在兩股(分或匯)水流中間，而岬角繞流式分流(匯流)特點是：岬角在兩股(分或匯)水流的一側。

2.2海岸岬角型潮流類型的工程實例研究

我國是一個海陸兼備的國家，約有18 000 km的大陸海岸線，還有約14 000 km的島嶼岸線，面積在500 m2以上的海島有6 500多個。這些島嶼分布在近300萬km2的海域。

21世紀是海洋世紀。發展海洋經濟，建設海洋強國，是我國在新世紀肩負的神圣使命。大量海洋工程的建設需要對與之密切關聯的海洋動力條件和泥沙運動有正確的理解和認識。下面以工程實例說明在一些復雜邊界條件下，如何應用上述認識解決工程問題。

3-a岬角海岸環抱式分(匯)流3-b岬角海岸繞流式分(匯)流圖3 流態及泥沙回淤特點Fig.3Flowpatternandsedimentsiltationcharacteristics

圖4 廈門嵩嶼港區規劃方案示意圖Fig.4 Sketch of Xiamen Songyu Port planning projects

2.2.1 岬角環抱流型的工程實例——廈門嵩嶼象鼻嘴岸線條件及嵩嶼港區規劃研究[2]

(1)嵩嶼概況(圖4)。廈門嵩嶼象鼻沙嘴位于東渡灣和九龍江河口灣兩海灣的潮流分(匯)流處。同時緊鄰廈門兩個最重要的港區——東渡港區和海滄港區的入海航道。為了達到利用象鼻嘴淺灘圍海造地規劃和建設嵩嶼港區的目的，首先需要掌握當地潮汐水流特點特點。

(2)潮汐水流的模型試驗研究。我們利用物理模型對嵩嶼港區各種規劃方案進行了試驗研究，試驗結果表明，為保證嵩嶼規劃港區具有比較平順的水流條件的關鍵是：使嵩嶼港區南、東岸線的交點能與兩大潮流體系的分流點和匯流點盡可能一致。模型試驗發現張潮期的兩股水流的分流區(線)與落潮流的匯流區(線)并不一致，漲潮分流界線在落潮匯流界線以北，而且在漲、落潮過程中，分流和匯流點(區)隨潮流漲落變化而變化，很難使分流(匯流)點與港區的端點達到完全一致，這將使港區南、東兩岸線交點附近水域水流流態十分復雜。物理模型中先后進行了24組不同方案試驗。圖5、圖6為其中部分方案情況。最后推薦方案如圖4所示。圖7、圖8為推薦方案條件下漲急、落急流矢圖。

圖5 廈門嵩嶼港區南側岸線優化方案圖Fig.5OptimizationschemeofsouthquayshorelineofXiamenSongyuPort圖6 廈門嵩嶼港區東側岸線優化方案圖Fig.6OptimizationschemeofeastquayshorelineofXiamenSongyuPort圖7 廈門嵩嶼港區漲急流矢圖Fig.7FlowmapofSongyuPortinmaximumflood圖8 廈門嵩嶼港區落急流矢圖(T=4)Fig.8FlowmapofSongyuPortinmaximumebb(T=4)

(3)工程實施后現場實測資料與試驗成果之比較。圖9和圖10為工程實施后現場實測漲急、落急流矢圖，與物理模型試驗資料(圖7、圖8)對比可以看出，漲潮時水流由外海流向嵩嶼碼頭，在碼頭東南水域分流，分流點偏東側碼頭一側，現場與模型試驗結果一致。落潮時嵩嶼東側水流相對平順，嵩鼓水道主流區偏向鼓浪嶼一側。但南側岸線現場水流與模型有一定差別，模型試驗水流平順，現場測量存在回流，分析認為產生回流的原因是由于嵩嶼電廠溫排水所引起，模型試驗時沒有考慮電廠在碼頭區的排水作用因素。

2.2.2 岬角繞(挑)流型的工程實例——上海洋山深水港一期工程方案布局研究[3]

(1)洋山深水港工程概況。大小洋山海域潮強、流急、含沙量高，島嶼之間潮流形態復雜，水文泥沙條件是直接影響港口建設的關鍵因素。通過物理模型試驗研究確定了深水港總體規劃如圖11所示。

(2)洋山港一期工程方案試驗研究。因大小洋山之間深槽靠近小洋山一側，且大陸與深水港之間的連接通道也規劃在小洋山一側，洋山深水港的起步工程需在小洋山島鏈上布置。

圖9 廈門嵩嶼二期水域大潮漲潮流矢圖Fig.9SpringtidalfloodcurrentdiagramofphaseII,XiamenSongyuPort圖10 廈門嵩嶼二期水域大潮落潮流矢圖Fig.10SpringtidalebbcurrentdiagramofphaseII,XiamenSongyuPort圖11 洋山港總體規劃方案Fig.11OverallplanforYangshanPort

針對一期工程方案進行了多組模型試驗研究。試驗結果表明，在洋山海域，漲潮期，外海潮波傳播較快，造成島鏈內外水位差；受洋山島嶼地形影響，小洋山島鏈與潮波傳播方向有一夾角(約20°)，以致小洋山島鏈上各潮流通道內均存在較強的東北—西南方向的漲潮流(圖12)。這一潮流特點導致布置在小洋山島鏈上的一期工程碼頭前沿水域均存在回流區。圖13為一期工程基本方案(小洋山—鑊蓋塘方案)實施后碼頭前大尺度回流示意圖。

圖12 天然條件下洋山海域漲潮漂流試驗成果Fig.12ResultsoffloodtidedrifttestinYangshanseaundernaturalconditions圖13 洋山港一期工程基本方案的回流情況Fig.13CircumfluenceofthebasicprojectofYangshanPortPhaseI

(3)洋山深水港一期工程方案優化試驗。為了解決洋山深水港一期工程基本方案碼頭水域回流問題，進行了多組方案優化試驗[3]。優化原則是：盡量減少或消除漲潮階段碼頭前大尺度回流現象，使水流平順，分布均勻，保證船舶靠泊和航運安全，并具有一定水流強度，減少港區泊位泥沙回淤。此外須與總體規劃布局一致。

為此，在一期碼頭東側鑊蓋塘—大小巖礁潮流通道內布置三大類導流整治建筑物：

①在鑊蓋塘—大小巖礁潮流通道北側布置導流整治建筑物。

②在鑊蓋塘—大小巖礁潮流通道中部布置導流整治建筑物。

③在鑊蓋塘—大小巖礁潮流通道南側(沿碼頭岸線方向)布置導流整治建筑物。

根據試驗結果分析可知：

①如采用全封堵碼頭上游潮流通道方案，導流整治建筑物最好布置在通道南側，且其走向盡量與其下游側工程區岸線走向一致，以保證工程區水域水流平順。

②如采用半封堵潮流通道方案，則導流整治建筑物布置在通道北側一般要優于南側，導流建筑物的位置和長度應通過模型試驗確定(圖14)。

14-a 潮流通道南部布置1 000 m導流堤 14-b 潮流通道北部布置1 000 m導流堤圖14 洋山港一期工程半封堵方案兩種工況條件下漲急流態圖[3]Fig.14 Flow map of maximum flood under the two semi plugging working cases Yangshan Port Phase I [3]

最后采用的洋山深水港一期工程推薦方案如圖15所示。圖16為推薦方案實施后的漲潮流流態。從水流條件看，推薦方案碼頭前水流流態均平順均勻，比天然條件還有所改善。

圖15 洋山港一期工程推薦方案Fig.15TherecommendedschemeprojectforYangshanPortPhaseI圖16 推薦方案條件下漲潮漂流試驗成果Fig.16Thedriftexperimentalresultsoffloodtideunderrecommendedprojectconditions

(4)洋山深水港一期工程實踐檢驗——水流部分。上海洋山深水港區一期工程于2002-06正式開工建設，自2002年底開始，建設部門對一期工程施工區域及附近海域進行了大量潮流、泥沙及地形的動態監測工作。

圖17 2004-07第二階段港池水域漲急流矢Fig.17 Flow map of basin waters in maximum flood in the stage Ⅱ in July 2004

圖17為如圖13工況條件下現場ADCP走航資料，資料分析表明，漲潮期在一期工程碼頭前水域存在大尺度回流；中交三航院2004年8月分析報告的描述是“漲潮時，小洋山前沿流速橫向梯度較大，調頭區流速明顯大于碼頭港池流速，甚至近岸還出現水流反方向流動的現象”。近岸出現反方向的水流現象其實就是流速梯度較大而形成的回流現象。

依據圖17中ADCP11走航斷面處實測半潮平均流速橫向分布繪制如圖18，可以看出，漲潮流在碼頭前沿僅0.35 ms，主流區在離岸1 000 m外。落潮流分布相對比較均勻，主流區在離岸300～800 m處。

圖19為同一斷面處在2005-04(第三階段)，即鑊蓋塘東圍堤基本完工工況條件下，所測ADCP流速分布，此時碼頭前水域漲潮。落潮水流均較均勻，此結果與物理模型試驗完全一致。

圖18 2004-07第二階段ADCP11斷面半潮平均流速分布Fig.18ThemeanvelocitydistributionofthehalftidalcurrentoftheADCP11sectioninthestageIIinJuly2004圖19 2005-04第三階段ADCP11斷面半潮平均流速分布Fig.19ThemeanvelocitydistributionofthehalftidalcurrentoftheADCP11sectioninthestageIIIinApril2005

(5)洋山深水港工程實踐檢驗——泥沙回淤部分。前面已指出，岬角繞(挑)流型條件下，由于較強的繞(挑)流作用，岬角附近往往形成深潭或深槽。潮流主流通過岬角后，由于挑流作用，容易形成一定尺度的回流，當有充分泥沙補給時，在回流區范圍內容易形成“弓形”或“半月形”淤積體。圖20為小洋山—鑊蓋塘港區形成后4個月內碼頭前沿回淤情況，呈現典型的“弓形”回淤體。

圖21為洋山港一期工程東側全封堵導流整治工程基本完成后，2006-04～2007-04，大小洋山水域地形沖淤變化情況，由于碼頭區水流平順，原來的“弓形”淤積體已不復存在。施工期回填泥沙流失造成的回淤也基本被沖刷。工程實踐進一步說明采用合適的整治工程可以解決岬角型繞流的流態和相應的泥沙淤問題。

圖20 監測區域沖淤圖(2004-03～2004-07)Fig.20Regionalscourandfillmapsofmonitoringarea圖21 大小洋山水域沖淤圖(2006-04～2007-04)Fig.21RegionalscourandfillmapsofYangshanPortarea

3 結論

(1)在一些海島或海灣灣口部位，岸線走向不再平直，而具有“岬角型”海岸線特點，隨著邊界條件的不同，經過這里的潮流具有分流、匯流或挑流、繞流等不同特點的復雜流態。本文結合幾個典型的港口工程研究成果，將岬角型岸線處潮流特點進行歸納分類：環抱型和繞流型。文中分析了這兩類岬角型岸線處潮流特點、泥沙運動特點，以及建設海洋工程時可能存在問題，同時探討了整治工程的原則和方法等。

(2)岬角環抱型——岬角的迎水區和背水區，即分流區和匯流區，水流紊亂，當水體含沙量較高時，島嶼前后兩端均可能產生魚嘴型淤積體。淤積區一般不宜建設港口或航道工程；但可依據水流條件布置圍海工程，此類工程的關鍵一般是通過試驗研究確定圍海工程合適的“魚嘴點”的位置。

(3)岬角繞流型——潮流以繞(挑)流形式通過島嶼或海岸的岬角，在岬角附近，分為兩股水流或與另一股潮流匯合。由于岬角的挑流作用，在岬角“下游”側岸線處容易形成一定尺度的回流。由于較強的繞(挑)流作用，岬角附近往往形成深潭或深槽。潮流主流通過岬角后，容易形成一定尺度的回流，當有充分泥沙補給時，在回流區范圍內容易形成“弓形”或“半月形”淤積體。一般需要通過整治建筑物改善繞流區水流，基本途徑有：

①岬角岸線光滑處理(采用適當的圍海工程)，減小岬角的挑流作用，使水流流態盡量平順。

②全封堵潮流通道；盡量減小繞流水量(封堵建筑物走向盡量與主流向一致)。

③半封堵潮流通道，需通過試驗研究確定整治建筑物布置形式。

(4)本文應用工程實例說明兩種典型的岬角型岸線潮流特點和泥沙回淤特點，以及對有關海洋工程問題進行的整治措施研究成果。因工程實踐和認識水平有限，很多問題的認識還待于今后進一步提高和完善。

[1]徐嘯,佘小建,毛寧,等.海島潮流泥沙特點及其工程問題[C]中國海洋工程學會.第十八屆中國海洋(岸)工程學術研討會論文集.北京:海洋出版社,2017.

[2]徐嘯,佘小建,毛寧,等.廈門港嵩嶼港區潮流特性物理模型試驗[J].水運工程, 2017(9)：76-82.

XU X,SHE X J,MAO N,et al.A tidal current physical model test on The Xiamen Songyu port area[J].Port & Waterway Engineering, 2017(9)：76-82.

[3]徐嘯,佘小建,毛寧,等.洋山深水港一期工程潮流特性物理模型試驗[J].水運工程, 2017(10)：80-86.

XU X,SHE X J,MAO N, et al.A tidal current physical model test on The First Stage Project of Yangshan Deep Harbor[J].Port & Waterway Engineering, 2017(10)：80-86.

[4]許雪峰,羊天柱.海島岬角地形附近“回流”現象初步分析[C]中國海洋湖沼學會海岸河口分會.第十屆中國河口海岸學術研討會論文集.北京:海洋出版社,2007.

[5]矯吉珍.多島嶼、汊道復雜地形海區流場影響的數值模擬研究[J].海洋通報, 2002,21(2):1-10.

JIAO J Z.A Study of Numerical Modelling about Tidal Currents Field Influence in the Complicated Terrain Region with Many Islands and Tidal Channels[J].Marine Science Bulletin, 2002,21(2):1-10.

[6]梁東方.淺水平板半島尾流特征的實驗研究[J].流體力學實驗與測量, 2004,18(1):15-19.

LIANG D F .Experimental study of shallow wake flow of plate peninsula[J].Journal of experiments in fluid mechanics,2004,18(1):15-19.

Cape type shoreline tidal current and sediment characteristics and marine engineering problems

XUXiao

(NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

Some coastline parts of island or mouth of bay, the coastline direction is not straight, but with a "Cape" characteristics. So the tidal currents are of different features, such as shunt(confluence) current or bypassing(deflecting) current in different border conditions. In this paper, on the basis of several typical harbor engineering research results, the flow characteristics of cape type coastline were summarized, and the characteristics of sediment transport and the possible problems in construction of marine engineering were analyzed to explore the principles and methods of regulation project.

cape type coastline; tidal current characteristics; sediment siltation characteristics; marine engineering problems

2017-04-26；

2017-06-21

徐嘯(1943-)，男，南京市人，教授，主要從事海岸動力學方面研究。

Biography：XU Xiao(1943-),male,professor.

TV 143;O 242.1

A

1005-8443(2017)05-0440-07