海岸工程影响下潮间带泥沙冲淤变化计算

海岸工程影响下潮间带泥沙冲淤变化计算
吴桢;姚炎明
【摘要】海岸工程实施后,将会改变区域地形,并对该区域的水动力及泥沙冲淤产生影响.针对潮间带特点,将淹没水深和淹没流速代入半经验半理论公式中,预测强潮浅水海区泥沙冲淤变化.在平面二维潮流模型的基础上,应用修正后的半经验半理论公式,计算分析漩门湾围垦工程对潮间带泥沙冲淤变化影响.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2011(000)007
【总页数】5页(P6-10)
【关键词】潮间带;泥沙冲淤;淤积厚度;淹没水深
【作者】吴桢;姚炎明
【作者单位】浙江大学港口、海岸及近海工程研究所,浙江,杭州,310058;浙江大学港口、海岸及近海工程研究所,浙江,杭州,310058
【正文语种】中文
【中图分类】P753
浙江省海湾以强潮海湾居多，海岸工程大都建在潮间带浅滩上，强潮海区具有潮差大、潮流急、地形复杂和局地潮汐变化大，以及在短历时中潮差变化明显等诸多特征，工程的实施将对工程附近区域的水动力、泥沙冲淤以及生态环境、人民生活产生极大的影响，因此对工程后引起的水动力响应及冲淤进行动力学分析是港口工程
以及海岸演变的预测与控制的必然要求，也是海岸动力地貌学和海岸工程学中亟待解决的问题。

目前对海湾的冲淤变化研究方法主要有理论分析、物理模型、数学模型及半经验半理论公式。

前3种方法都有一定的限制[1]，国内使用半经验半理论公式较多，宋
立松等[2]利用河床变形方程求得围垦后的初始淤积速率，再用灰色理论求得整个
淤积过程。

曹祖德等[3]通过提出海床冲淤指标及冲淤标准，建立了海床冲淤演变
预测方法，预测海床逐年冲淤强度和最终冲淤强度，以及海床达到新平衡所需年限。

肖辉[4]利用平衡时的水深、含沙量和流速之间的关系，假设总冲淤量为每年的冲
淤率与年数的乘积导出平衡时的冲淤量公式，假设每年的冲淤量是总冲、淤量减去以往冲淤量以后的剩余冲淤量乘以该年的冲淤率，得到年数与流速的关系式，得到海床变化的稳定年限。

曹祖德和肖辉[5]还推导出流速和含沙量的二参数演变公式。

徐群[6]利用淤积干密度与淤积历时，垂线平均含沙量的变化，淤积厚度与淤积时
间的关系导出初始淤积量与逐年淤积量公式。

王义刚[7]在潮流数学模型的基础上，设当年回淤强度与去年回淤强度的比值同去年平均水深与前年平均水深的比值视作正比关系，根据第1年计算或实测得到的淤积强度值，计算以后多年的淤积强度。

潮间带浅滩高程较低，底床的泥沙运动以悬移质为主，促使海床长周期冲淤演变的主要动力是潮流，浅滩潮位变化大，较高潮位时过水，滩面没有植物覆盖，泥沙容易被涨潮流冲动，当流速较小时，带来的泥沙将落淤，影响海床稳定的3个主要
参数是流速、含沙量和水深[1]，其中流速参数最活跃，是挟带水体含沙量的能源，是引起海床冲淤变化的关键动力；含沙量常由流速决定，流速改变可引起含沙量改变，但由于惯性的影响，含沙量变化常滞后于流速变化；海床水深变化由泥沙冲淤形成，更落后于含沙量变化，并有相当长的延伸期。

流速、含沙量和水深间的相互影响十分复杂，任一参数的改变将影响其余两个参数的变化，反过来又会影响第一个参数的变化，从而引起海床演变。

在采用宋立松和肖辉冲淤平衡公式计算时，假
设含沙量前后相等，影响年冲淤量和冲淤平衡时海床冲淤量的主要因素为水深和流速。

当工程建在潮间带时，仍然用全潮平均水深和流速不是十分恰当，需要修正。

1）水深。

当工程建在低潮位以下区域，忽略特殊情况对海床冲淤的影响，且年冲淤量相对水深很小时，忽略年冲淤量对底床变化的影响，在使用以上公式计算冲淤平衡的海床冲淤量时，利用宋立松提出的半经验半理论公式[2]计算即可。

当工程
建在平均低潮位之上平均高潮位以下的陡峭地带，那么此工程前端会出现正负水深的情况，在运用公式[2]计算冲淤平衡时海床变化量时，由于符号的原因将导致在
工程前端冲淤性质相反。

2）流速。

由于潮间带潮水间歇性淹没，流速多数时间出现零值，在计算年冲淤量及冲淤平衡时海床冲淤量时，若统一采用全潮平均值，浅滩流速将偏小，与实际情况不符。

笔者在平面二维潮流模型的基础上，基于半经验半理论的泥沙冲淤的数学计算方法，采用修正后的水深和流速，预测漩门湾围垦工程对其泥沙冲淤的影响。

1 泥沙冲淤计算
泥沙冲淤一般通过定床潮流计算得到的水流要素，采用半经验半理论的途径进行估算和预测。

当工程引起的年冲淤量相对水深比较小时，可不采用逐年冲淤强度和最终冲淤强度计算，直接采用宋立松公式[2]计算。

针对潮间带地区特点，在计算年
冲淤量及平衡冲淤厚度时，水深根据实际海区的潮位与高程比较，计算所有点淹没水深的时间平均值，代入宋立松公式[2]，得到的水深均在基准面之下，不会产生
由于水深正负导致的冲淤性质相反的问题，且比线性插值更符合实际情况。

工程前后各点的流速也结合干湿判别法，统一采用各点被水淹没的小时平均数。

推导过程如下：
根据河床泥沙扩散理论，得到的河床变形方程：
在工程之前，认为河床处于相对冲淤平衡状态，即，S1=S1*。

当考虑海域上游输沙很小，认为工程前后含沙量基本不变，即S2=S1。

由（1）式得单位时间的冲淤强度：
由此海域的流速、含沙量实测资料，满足水流挟沙力公式：
（3）式代入（2）式得冲淤强度：
当p=0时即认为得到冲淤极限平衡状态。

从而由水流连续性可求得达到冲淤平衡时的水深：，故可得冲淤平衡时海床变化量为：
上面为宋立松提出的平衡冲淤量计算公式[2]，以下即对水深和流速进行修正。

由潮位过程线函数得：
由（6）式得淹没水深：
修正水深即淹没时间内的水深平均值：
修正流速即将全潮平均流速改为淹没时间内的流速平均值：
最后将修正水深及修正流速（8）、 (9)分别代入（5）得冲淤平衡时冲淤厚度：
式中：ρ为泥沙密度；g为重力加速度；S为含沙量；S*为挟沙力；p为冲淤强度；
Δ为平衡时冲淤厚度；为泥沙沉速；k为沉降几率；ζ为以平均海平面为基准面的潮位；h为以平均海平面为基准面的水深；v为全潮平均流速；t为时间（h）；H′为淹没水深；A为潮位振幅；Nh为水深的淹没时间，取淹没状下即当H′>0时的时间累加值；Nv为流速的淹没时间，取淹没状态下即v>0时的时间累加值；H为修正水深；V为修正流速。

图1 原始水深与修正水深的对比
采用以上方法修正前后的水深对比如图1，此时不会产生冲淤性质相反的情况，利用淹没时间水深平均数及淹没时间流速平均值计算冲淤强度及平衡时冲淤厚度，很好地反映低潮位与高潮位之间由于潮水间歇性淹没，泥沙悬浮与落淤造成的泥沙冲淤情况，且该处理方法较地形线性插值法更能反映由于水体淹没引起的泥沙冲淤情况。

2 工程实例分析
2.1 工程概况
漩门湾位于台州玉环岛与楚门半岛之间（图2），珠港—芦浦—龙溪—干江之间大片滩涂上，东南与大鹿岛隔海相望。

漩门三期围垦工程主要包括堤坝、2座排涝闸、2座进排水闸及配套排涝河道工程。

漩门三期堤坝自南端坎门半边山起，经目鱼屿头、冲坦峙、尾礁至干江的木杓头，全长5.77 km，主堤长4 077 m，围垦总面积45.3 km2。

该围垦工程是漩门西区围垦的一部分（图2），湾内地形如图3，漩门湾湾内波浪作用很小。

针对潮间带特征，采用平面二维数值模拟的方法进行模拟计算潮流场的基础上，结合半经验半理论公式，据此预测工程建成后对工程附近泥沙冲淤影响。

根据图2中工程附近临时潮位站长期潮位资料的统计分析，平均潮差为3.96 m，各点大潮最大流速基本均小于1.0 m/s。

泥沙主要来源于陆上地表侵蚀和河床冲刷的泥沙及来自海上潮水携带的悬沙在涨落过程中的不断淤积，底沙粒径十分微小，
大小潮时段各测站各层含沙量的均值为0.3～0.7 kg/m3。

图2 漩门湾工程地理位置及水文测站分布
图3漩门湾地形（等值线单位：m）
2.2 泥沙冲淤计算及分析
采用平面二维潮流数值模型较成功地模拟了计算区域的流场[8]，潮位、流速、流向等误差基本控制在合理范围之内，采用的潮流模型总体上能反映计算区域的水动力条件，在潮流模拟的基础上进而分析工程后的泥沙冲淤。

考虑上游海域输沙量很少，即水流挟沙力基本不变，工程实施后导致的附近海床面冲淤变化的预测采用如下方法：通过定床潮流计算得到水流要素，根据实测的潮位过程线，计算修正后的水深和流速，采用半经验半理论的途径进行估算和预测，计算年冲淤量与平衡冲淤厚度，结果如图4，5。

比较流速变化图[8]，泥沙冲淤年冲淤量、平衡冲淤厚度值与流速变化趋势一致。

该工程由于其独特的地形特征，附近无河流挟带泥沙的输入，且工程前缘处于近岸区的潮间带，主要由于流速的减小，滩涂上具有高泥沙浓度，基本呈现淤积状态，且离工程越远淤积越小，淤积速率第一年基本在0.02～0.06 m/a。

由年冲淤量图（图4）可知，年冲淤量远小于水深的1/10，可不考虑由于地形改变而引起的流场变化。

图4 漩门湾工程后年冲淤（等值线单位：m）
图5 漩门湾工程后平衡冲淤厚度（等值线单位：m）
工程建成后，根据年冲淤量（图4）和平衡冲淤厚度（图5）知淤积区主要集中在紧贴工程东南侧顺堤的浅滩及附近水域，其年淤积量为0.02～0.06 m，当达到冲淤平衡时，最大淤积量在工程前缘的浅滩上约0.2 m左右，范围较年冲淤量有所扩大，且相应的等值线有一定程度的向外移。

产生淤积的原因一方面是工程对边界条件产生了一定的影响,导致围垦区附近流速减小，这种变化也将改变自然状况下
的淤积状态。

另一方面由于本身浅滩的高含沙量及随潮涨落潮流往复运移的泥沙在这里汇聚沉积。

另外，工程的西南侧涨潮流带来的高含沙量在浅滩上落淤，使得此处也有小部分的淤积，但年淤积量不超过0.06 m。

冲刷区域主要分布在楚门半岛
与玉环岛之间的狭窄水道及已建工程的东南侧围堤，前者由于围堤造成纳潮量减小、流速减小导致的泥沙落淤积、地形的束窄作用，以及纳潮量的减小，使得其冲刷量值和范围均较小，年冲刷量在0.02 m左右。

后者由于位于堤坝的堤脚，水流在此处受到挑流作用而增大，因此呈现冲刷，达到冲淤平衡时的冲刷量分别在0.03 m
左右。

3 结论
1）计算结果显示：用淹没水深计算冲淤平衡的海床冲淤量对海湾影响较小。

2）在计算工程后泥沙冲淤时，浅滩采用淹没时间的流速和水深平均值，能改变冲淤性质相反的情况，使结果更符合实际情况。

3）工程建成后由于纳潮量减小，流速减小，使得工程附近淤积，年淤积量较小，约为0.02-0.06 m，达到冲淤平衡时最大淤积量将达到0.2 m。

参考文献：
[1]黎维祥.淤泥质海岸航道悬沙回淤计算方法述评 [J].港工技术,1995(4):14-18.
[2]宋立松.钱塘江河口围垦回淤过程预测探讨[J].泥沙研究,1999(6):74-79.
[3]曹祖德,肖辉.潮流作用下淤泥质海床冲淤演变预测及应用[J].水道港
口,2009(2):1-8.
[4]肖辉,赵洪波,曹祖德.平衡含沙量、平衡水深与海床冲淤计算[J].中国港湾建
设,2009(10):16-20.
[5]曹祖德,肖辉.潮流作用下淤泥质海床冲淤演变预测及应用[J].水道港
口,2009(2):1-8.
[6]徐群,张继昌,王俊,等.瓯江河口浅滩促淤估算分析[J].海洋工程,2005(8):39-44.
[7]王义刚,林祥,冯卫兵.计算淤泥质海岸围垦多年回淤强度的一种简便方法[J].河海大学学报,2000(11):100-102.
[8]浙江大学港口、海岸与近海工程研究所.玉环县漩门工业城开发有限公司年产18亿支自毁式安全一次性注射器建设项目水动力与环境影响专题研究[R].杭州:浙江大学,2010.。