孫永根, 高俊國(guó), 朱曉明

(1. 國(guó)家海洋局 第一海洋研究所, 山東 青島, 266061; 2. 青島市工程地震研究所, 山東 青島, 266003)

欽州灣位于北部灣中部, 由內(nèi)灣(茅尾海)和外灣(欽州灣)及連接兩灣的潮汐通道構(gòu)成, 茅尾海有茅嶺江和欽江注入, 是一個(gè)半封閉型天然河口海灣[1]。欽州保稅港區(qū)項(xiàng)目位于欽州灣東岸, 該工程需進(jìn)行 10 km2的大面積填海造地, 是國(guó)務(wù)院正式批準(zhǔn)實(shí)施的廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃內(nèi)容之一。由于保稅港區(qū)項(xiàng)目填海面積較大, 工程的實(shí)施會(huì)對(duì)欽州灣的海洋環(huán)境帶來一定影響。本文利用數(shù)值模擬對(duì)工程前后潮流動(dòng)力場(chǎng)變化進(jìn)行分析計(jì)算, 然后根據(jù)預(yù)測(cè)潮流場(chǎng)結(jié)果對(duì)東槽航道泥沙輸移造成的沖淤變化及欽州灣的納潮量變化進(jìn)行分析, 從三個(gè)方面的變化來反映大規(guī)模填海過程對(duì)欽州灣海洋環(huán)境造成的影響。計(jì)算選取的代表點(diǎn)、斷面位置及工程地理位置如圖1所示。

1 潮流場(chǎng)影響分析

利用數(shù)值模擬的方法可以很好地預(yù)測(cè)海岸工程建設(shè)造成的海洋環(huán)境影響。本文采用河口陸架海洋模式 ECOMSED建立欽州灣附近海區(qū)潮流三維模式[2-3],根據(jù)海圖及實(shí)測(cè)水深資料輸入地形和岸界條件, 利用潮汐調(diào)和常數(shù)給出模擬過程所需潮汐水位, 作為模型的開邊界條件, 模擬本海區(qū)的潮流特征。

1.1 研究海域潮流場(chǎng)特征

欽州灣海域內(nèi)外灣之間的潮汐水道水深最大,口外東側(cè)、中部和西側(cè)三條深槽水深次之, 深槽之間分布淺灘, 潮流場(chǎng)受這種地形分布格局影響明顯。漲潮過程期間, 潮流由外海進(jìn)入欽州灣, 灣體西南側(cè)近岸首先感潮, 潮水漲至東側(cè)深槽位置后, 漲潮流先由NE轉(zhuǎn)為NW向, 進(jìn)入潮汐水道之后流向又轉(zhuǎn)為N向; 落潮過程與之相反, 這種變化顯然與地形有著密切聯(lián)系。

圖1 位置示意圖Fig. 1 Map of location

根據(jù)模擬潮流場(chǎng)結(jié)果, 研究區(qū)潮流場(chǎng)轉(zhuǎn)流時(shí)刻發(fā)生在高、低潮時(shí), 該時(shí)刻流速最小, 而漲落潮的中間時(shí)刻流速較大, 潮流帶有明顯的往復(fù)流形式。落潮過程流速明顯大于漲潮流速, 流速最大位置出現(xiàn)在內(nèi)外灣之間的潮汐水道, 大潮落潮期間最大值可達(dá)1.2 m/s, 漲潮期間最大值僅0.83 m/s; 外灣三條深槽流速以東槽居首, 西槽次之, 中部深槽流速居末, 灣頂位置及岸邊潮灘流速最小。

1.2 填海工程對(duì)潮流場(chǎng)影響

1.2.1 填海工程后潮流場(chǎng)

填海工程建成后, 灣體局部岸線發(fā)生改變, 根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果, 工程后各典型時(shí)刻流場(chǎng)形態(tài)沒有發(fā)生較大變化, 距離工程區(qū)較近的海域, 由于岸線形狀改變, 流速和流向有不同程度的變化。相比工程前流場(chǎng), 整個(gè)灣體流速普遍減小, 局部區(qū)域流速略有增加。為便于分析工程前后潮流場(chǎng)變化, 文章將對(duì)應(yīng)的漲急與落急時(shí)刻的流場(chǎng)進(jìn)行了疊加(圖 2),這樣可以更直觀地反應(yīng)研究區(qū)各部位流場(chǎng)的變化情況。

從提取的數(shù)據(jù)分析來看, 欽州灣流速整體減小0～0.05 m/s, 這是工程填海造成灣內(nèi)納潮量下降,流速普遍下降的結(jié)果。工程區(qū)西側(cè)和東側(cè)流速增加0～0.2 m/s, 由工程區(qū)邊界向外增加幅度逐漸減小;工程區(qū)南側(cè)由于處于流場(chǎng)轉(zhuǎn)向位置, 受工程區(qū)影響較大, 流速減少0～0.25 m/s左右。

圖2 工程前后漲、落急流場(chǎng)變化分布Fig. 2 Flow field changes of flood and ebb tide before and after reclamation engineering

工程區(qū)主導(dǎo)流向受深槽地形控制, 西側(cè)流向變化幅度較小, 東側(cè)和南側(cè)變化幅度較大。分析原因不難發(fā)現(xiàn): 西側(cè)新增岸線與原有潮流流向近于平行,因此工程建設(shè)對(duì)流向影響較小, 而東側(cè)和南側(cè)新增岸線阻擋了原有潮流的通道, 導(dǎo)致工程后流向產(chǎn)生較大的變化, 但影響范圍僅局限于工程區(qū)附近, 其他區(qū)域流向變化很小或沒有變化。

1.2.2 工程建設(shè)前后流速、流向變化

為定量分析填海工程區(qū)周邊區(qū)域流速、流向變化情況, 本文提取了9個(gè)代表點(diǎn), 進(jìn)行流速流向數(shù)據(jù)對(duì)比分析。提取代表點(diǎn)由近到遠(yuǎn)距離工程區(qū)分別為500、1 000和1 500 m, 如圖3所示。西側(cè)的1#、2#和 3#代表點(diǎn)流速在工程建成后增大, 流速增加量為7.74～19.5 cm/s, 且落潮過程增加量大于漲潮, 由近至遠(yuǎn)增大幅度變小, 流向變化為 2.57°～5.49°; 南側(cè)4#、5#和 6#代表點(diǎn)流速在工程建成后普遍減小, 流速減少量為 12.86～38.84 cm/s, 且落潮過程減少量大于漲潮, 由近至遠(yuǎn)減小幅度變小, 流向變化為8.88°～51.01°; 東側(cè) 7#、8#和 9#代表點(diǎn)流速增加量為 4.72～10.78 cm/s, 落潮過程增加量小于漲潮, 由近至遠(yuǎn)增加幅度逐漸變小, 新增岸線形狀的影響導(dǎo)致其流向變化幅度較大, 為12.8°～80.8°。

圖3 流速、流向變化對(duì)比點(diǎn)位置Fig. 3 Contrast points of current velocity and direction change

2 沖淤環(huán)境影響

欽州保稅港區(qū)填海工程改變了現(xiàn)有自然岸線形狀, 造成潮流場(chǎng)改變, 導(dǎo)致周邊沖淤環(huán)境發(fā)生變化,本文對(duì)工程區(qū)西側(cè)的深槽航道進(jìn)行了分析。

2.1 歷年來東槽航道沖淤變化

為分析填海工程區(qū)西側(cè)航道沖淤現(xiàn)狀, 本文搜集了 1994年和 2004年兩個(gè)時(shí)期的水深資料。首先通過水深編程提取、基準(zhǔn)面統(tǒng)一(85國(guó)家高程)將水深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 然后在緊鄰東槽航道的位置選取了斷面A-B(圖1), 在斷面上每隔500 m讀取一個(gè)水深數(shù)值, 分析讀取的水深值在1994年至2004年的變化, 以此來反映該斷面 10年間的沖淤情況, 作為研究區(qū)域的一個(gè)沖淤現(xiàn)狀。

數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后得到如圖4所示的結(jié)果, A-B斷面長(zhǎng)5 km, 北側(cè)靠近金鼓江口部位, 2004年水深值相比 1994年減小了 1.23～2.78 m, 以淤積為主, 淤積量平均每年 0.183 m; 南側(cè) 2004年水深值相比1994年增加了1.62～2.02 m, 以侵蝕為主, 侵蝕量平均每年0.182 m; 中部區(qū)域基本保持平衡, 兩個(gè)時(shí)期的水深變化不大。

2.2 工程建設(shè)對(duì)泥沙輸移造成的影響

欽州灣面積寬廣, 受地貌和水動(dòng)力條件影響,表層沉積物類型分布復(fù)雜[4], 填海工程附近普遍分布著中砂(MS)、細(xì)砂(FS)、粉砂(TS)等物質(zhì), 中值粒徑為0.5～0.063 mm, 因此除分析細(xì)顆粒的懸浮泥沙影響之外, 也要考慮中粗粒推移質(zhì)泥沙的影響。

2.2.1 懸浮泥沙影響分析

工程建設(shè)對(duì)懸浮泥沙的影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面:泥沙輸運(yùn)的路徑是否改變、影響泥沙起動(dòng)或沉降的動(dòng)力條件增強(qiáng)還是減弱。

圖4 東槽航道斷面歷年水深變化Fig. 4 Historical depth change of east channel section

梁文通過遙感技術(shù)研究欽州灣潮流場(chǎng)和懸沙輸移關(guān)系[5]認(rèn)為: 由于外灣的落潮強(qiáng)流區(qū)在西側(cè)及西南側(cè), 因此懸沙的主要輸移區(qū)在西側(cè), 包括主槽道及其兩側(cè)的淺灘區(qū), 而在外灣的東側(cè)弱流區(qū), 從峽口下泄的泥沙較少排入該區(qū)。陳波[6]通過對(duì)欽州灣余流特征的研究也得出同樣的認(rèn)識(shí): 西槽是主要“排水”通道, 從灣內(nèi)來的泥沙, 主要從這里通過。這一點(diǎn)在本項(xiàng)目懸浮泥沙現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果中得到證實(shí), 根據(jù)欽州灣大潮期全潮單寬輸沙結(jié)果(圖5), T1～T6各個(gè)站位的輸沙量分別為 1857.4、1341.3、109.6、1566.2、2101.2、1303.9 kg/(m·d), 東槽區(qū)域 T2、T3和T6站位懸浮泥沙濃度明顯低于其他三個(gè)站位,本工程位于非主要輸沙路徑區(qū)域, 從圖 5的輸沙方向可以看出, 工程區(qū)邊界與相鄰的T2站位輸沙方向平行, 填海形成的陸域沒有阻擋輸沙的運(yùn)移路徑。

圖5 懸浮泥沙輸沙計(jì)算Fig. 5 Calculation of suspended sediment discharge

填海工程新增岸線與東側(cè)深槽相鄰, 走向與落潮流方向一致, 工程沒有改變懸沙輸移路徑, 且填海工程建成后鄰近深槽流速普遍增加, 使得懸沙的輸送能力加強(qiáng), 該區(qū)泥沙輸沙方向及泥沙分配比例都未有改變, 因此工程建設(shè)對(duì)懸浮泥沙不會(huì)有明顯影響。

2.2.2 波流共同作用下的推移質(zhì)輸沙率變化

波流共同作用下航道淤積采用 Bijker公式[7]計(jì)算, 該公式參數(shù)易獲得, 精度也能滿足要求, 為一般沙質(zhì)海岸航道回淤計(jì)算經(jīng)常采用的方法, 公式如下:

式中:

qb為推移質(zhì)單寬輸沙率, 單位: m3/(m·s)

τwc為波流共同作用下的平均剪應(yīng)力;

為水流中床面剪切應(yīng)力;

Vc為沿水深平均的水流流速;fw為波浪摩阻力系數(shù);

Bijker公式計(jì)算航道淤積需要考慮海底的水深地形變化、波浪要素、海底沉積物類型、中值粒經(jīng)等因素, 工程建設(shè)前后航道內(nèi)流速采用流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果。計(jì)算將每年劃分為 12 個(gè)月進(jìn)行疊代計(jì)算,計(jì)算時(shí)段的水深由前一時(shí)段的航道水深減去前一段的淤積強(qiáng)度得出。

在工程建設(shè)區(qū)緊鄰深槽航道位置選取 6個(gè)代表點(diǎn)(圖 1), 順漲落潮流主導(dǎo)方向布置, 其中 1#～3#代表點(diǎn)位于深槽航道之中, 4#～6#代表點(diǎn)位于深槽與老人沙脊過渡區(qū)域。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果(表1), 工程前深槽航道內(nèi)1#點(diǎn)至2#點(diǎn)之間部位淤積速率為0.003 m/a, 2#點(diǎn)至3#點(diǎn)之間部位淤積速率為 0.03 m/a, 整體處于平衡或輕微淤積狀態(tài); 深槽的邊坡位置, 3#點(diǎn)至 4#點(diǎn)之間侵蝕速率為0.055 m/a, 4#點(diǎn)至5#點(diǎn)之間部位侵蝕速率為0.043 m/a, 整體為輕微侵蝕狀態(tài)。工程建成后, 所選取的6個(gè)點(diǎn)的漲、落潮流速及輸沙率都有所增加, 深槽部位由淤積變?yōu)檩p微侵蝕, 其中 1#點(diǎn)至2#點(diǎn)之間部位侵蝕速率為0.026 m/a, 2#點(diǎn)至3#點(diǎn)之間部位侵蝕速率為0.002 m/a; 深槽邊坡4#點(diǎn)至5#點(diǎn)之間侵蝕速率減小, 變?yōu)?.027 m/a, 5#點(diǎn)至6#點(diǎn)之間部位變?yōu)橛俜e, 速率為0.056 m/a。

表1 工程前后輸沙率計(jì)算結(jié)果Tab. 1 Sediment discharge rate before and after project

2.3 工程建成后東槽航道穩(wěn)定性分析

研究區(qū)泥沙主要來自內(nèi)灣茅尾海, 以徑流輸沙為主, 泥沙來源數(shù)量有限。內(nèi)灣數(shù)條河流都屬于弱輸沙性質(zhì), 沙量主要沉積于河口與內(nèi)灣交匯區(qū)域, 較細(xì)部分泥沙向海區(qū)擴(kuò)散, 但亦多沉積在龍門以北。從茅尾海至青菜頭一帶, 含沙量急劇減少, 再往南含沙量不再衰減, 維持穩(wěn)定的低含沙量[8], 帶入外海的細(xì)粒泥沙由于深槽流速較大, 不易在此落淤。工程的建設(shè), 沒有改變漲落潮流方向, 而且深槽流速普遍增加, 這對(duì)于深槽的維護(hù)是以及航道的穩(wěn)定是有利的。

廣西近海表層存在較強(qiáng)的西偏南向沿岸流[9],根據(jù)白龍尾站波浪資料, 風(fēng)浪頻率以NNE和NE向最大, SE～SSW向?yàn)榇? 平均波高0.52 m, 平均周期3.1 s, 波浪動(dòng)力較弱, 加上周邊岸線曲折、眾多港汊分支、沿岸河流徑流輸沙量小, 可以認(rèn)為波浪作用下的沿岸輸沙不會(huì)對(duì)欽州灣東槽航道造成影響。

東槽航道附近由于流速較大, 歷史上沖刷形成的灘槽地貌體基本保持穩(wěn)定[10], 細(xì)顆粒物質(zhì)不易沉降。許家?guī)沎11]對(duì)欽州港航道回淤計(jì)算的結(jié)果認(rèn)為:本工程區(qū)西側(cè)段航道懸移質(zhì)正常年份淤積量在0.13～0.22 m/a, 推移質(zhì)淤積量在 0.05～0.07 m/a。本文對(duì)推移質(zhì)輸沙量計(jì)算的結(jié)果與其基本一致, 工程后流速增大導(dǎo)致局部岸段發(fā)生輕微侵蝕, 這對(duì)于深槽的穩(wěn)定性也是有利的。

3 納潮量變化

3.1 填海工程造成的納潮量變化

根據(jù)潮流場(chǎng)流速變化分析可知, 填海工程造成整個(gè)灣體流速普遍減小, 在外灣選取一條斷面Ⅰ(圖1), 工程建成后斷面流速減小, 會(huì)導(dǎo)致單位時(shí)間進(jìn)入該斷面的水量隨之減少, 以一個(gè)潮周期為計(jì)算時(shí)間段, 對(duì)不同時(shí)刻斷面進(jìn)水量的變化進(jìn)行積分, 便可以求出總的水量的變化, 即納潮量的變化, 本文以此為出發(fā)點(diǎn)對(duì)保稅港區(qū)建設(shè)造成的納潮量變化進(jìn)行計(jì)算。

(1)在最外側(cè)斷面Ⅰ, 根據(jù)斷面上水深的變化(圖6), 將此斷面分成數(shù)段m, 求出每一段的長(zhǎng)度Li和深度hi(平均海面起算);

(2)根據(jù)潮流數(shù)值模擬結(jié)果, 提取外側(cè)斷面位置潮位數(shù)據(jù), 根據(jù)一個(gè)漲潮過程內(nèi)各個(gè)時(shí)刻的潮位數(shù)據(jù), 將步驟1得出的深度hi進(jìn)行轉(zhuǎn)換, 求出每個(gè)時(shí)刻該斷面水深數(shù)據(jù)Hi;

圖6 水深剖面(平均海平面起算)Fig. 6 Depth profile section (from mean sea level)

計(jì)算結(jié)果表明, 工程建成后納潮量減少了3934.38×104 m3, 此方法在 ΔVt的選擇上參考了數(shù)值模擬的結(jié)果, 根據(jù)一個(gè)漲潮周期內(nèi)進(jìn)水量的變化來分析納潮量的改變, 水深計(jì)算時(shí)整個(gè)斷面作為一個(gè)整體考慮, 沒有考慮兩端潮位變化的不一致造成的影響。

3.2 納潮總量計(jì)算

納潮總量計(jì)算有不同的方法, 本文提出一種新的方法, 目的是通過VB編程和Sufer成圖軟件求出高潮時(shí)刻整個(gè)灣體的水體體積。

(1)對(duì)數(shù)字化海圖進(jìn)行初步處理, 利用程序提取計(jì)算納潮量海域的水深和岸線數(shù)據(jù), 根據(jù)潮汐資料,將海圖水深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成該海域平均高潮時(shí)刻水深;

(2)將圖1中斷面Ⅰ以內(nèi)的水域進(jìn)行網(wǎng)格化內(nèi)插,形成*.grd文件, 該文件需要去除斷面Ⅰ和岸線以外的其他區(qū)域數(shù)據(jù);

(3)運(yùn)用 Sufer軟件中的 Volum工具進(jìn)行積分便可計(jì)算出網(wǎng)格化區(qū)域的體積, 即是該海域所求的總納潮量。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果, 該海域(圖 1中斷面Ⅰ與岸線所圍水體)納潮總量為 1.88×109m3, 根據(jù)計(jì)算所得欽州灣海域納潮變化量, 可知本工程實(shí)施造成欽州灣海域納潮量減少2%左右。納潮量減少和保稅港區(qū)的建設(shè)有直接關(guān)系, 大范圍的填海造成納潮水域面積的縮小, 在水動(dòng)力上表現(xiàn)為高、低潮位的變化和流速的減弱, 盡管數(shù)量微弱, 但足以說明納潮水域蓄積勢(shì)能的變化, 間接地導(dǎo)致落潮過程水體攜沙能力的減小, 造成泥沙輸運(yùn)平衡的破壞。

4 結(jié)論

本文從潮流場(chǎng)、沖淤環(huán)境和納潮量三個(gè)方面分析了欽州保稅港區(qū)填海造地工程對(duì)欽州灣海洋環(huán)境的影響, 得出結(jié)論如下:

(1)填海工程改變了自然岸線形狀, 工程區(qū)西側(cè)和東側(cè)流速增加, 由工程區(qū)邊界向外增加幅度逐漸減小, 幅度為 0～0.2 m/s, 工程區(qū)南側(cè)流速減小, 幅度為 0～0.25 m/s; 工程區(qū)西側(cè)主導(dǎo)流向受深槽地形控制, 變化幅度較小, 而東側(cè)和南側(cè)由于新增岸線改變了原有流場(chǎng)方向, 流向變化明顯;

(2)利用1994和2004兩期水深地形數(shù)據(jù)對(duì)比得到東槽航道沖淤現(xiàn)狀, 十年來東槽航道北側(cè)每年淤積0.183 m, 南側(cè)每年侵蝕0.182 m, 中部保持平衡;填海工程沒有改變東槽主導(dǎo)潮流方向和懸沙向外海輸移路徑, 工程造成東槽流速增加, 利于懸沙的起動(dòng)搬運(yùn); 深槽部位推移質(zhì)泥沙由淤積變?yōu)檩p微侵蝕,對(duì)航道繼續(xù)保持平衡和穩(wěn)定有利;

(3)以斷面流速普遍減小的預(yù)測(cè)結(jié)果為出發(fā)點(diǎn),對(duì)納潮量變化進(jìn)行了計(jì)算, 工程建成后納潮量減少了3 934.38×104m3; 根據(jù)本文采用的納潮總量計(jì)算方法, 得出欽州灣總納潮量為 1.88×109m3, 工程建設(shè)造成欽州灣海域納潮量減少2%左右。

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