張鵬程，孫林云，諸裕良

（1.河海大學(xué)港口、海岸及近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210029；2.南京水利科學(xué)研究院，水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024）

0 引言

海河流域三河流——永定新河、海河與獨(dú)流減河于渤海灣西部及西北部入海，河口區(qū)水沙條件復(fù)雜，岸灘沖淤易變，泥沙問(wèn)題一直是三河口研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本世紀(jì)以來(lái)，三河口兩側(cè)灘地被開(kāi)發(fā)利用，一定程度改變了原有河口的自然狀態(tài)，形成防潮閘和閘下通道的行洪系統(tǒng)，圍填海工程的陸續(xù)興建，對(duì)行洪通道內(nèi)及鄰近海域地形地貌、水動(dòng)力場(chǎng)（潮流、波浪等）及泥沙運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。趙鑫[1]等發(fā)現(xiàn)圍填海工程后渤海灣三大港鄰近海域波浪動(dòng)力呈減小趨勢(shì)，孫連成[2]、劉仲軍[3]等發(fā)現(xiàn)海河口南段、南港工業(yè)區(qū)海域工程的建設(shè)會(huì)使海域潮流動(dòng)力減弱，以往對(duì)圍填海工程前后海域水動(dòng)力的研究大多著重于工程局部海域的精細(xì)模擬，整體變化研究較少；對(duì)三河口附近含沙量研究以潮流泥沙計(jì)算及衛(wèi)片反演[4]居多，波浪動(dòng)力的選擇較為單一，由于工程建設(shè)的岸線變化，研究具有階段性與時(shí)效性。對(duì)近階段不同特征動(dòng)力條件下三河口海域圍填海工程前后水動(dòng)力及含沙量進(jìn)行分析，有利于推進(jìn)河口行洪通道及鄰近海域水沙特性的研究，對(duì)三河口行洪排澇能力論證及港池航道回淤計(jì)算有參考價(jià)值。

本次研究通過(guò)對(duì)渤海灣長(zhǎng)期波浪資料的分級(jí)分向概化分析，應(yīng)用MIKE21數(shù)值模擬軟件分析海河流域三河口水動(dòng)力環(huán)境的變化，并選用代表性經(jīng)驗(yàn)公式，分別對(duì)圍填海工程前后三河口海域含沙量的局部變化及渤海灣含沙量分布的整體變化進(jìn)行探索分析，比較各公式計(jì)算值的同異性。

1 圍填海工程前后水動(dòng)力環(huán)境變化分析

1.1 模型準(zhǔn)備

本次研究采用大小模型嵌套技術(shù)，大模型范圍為大連—煙臺(tái)一線以西整個(gè)渤海區(qū)域，小模型范圍包括渤海灣及渤海中部海域。工程前后年限選取1997年與2013年，16年內(nèi)海河口、獨(dú)流減河口附近擴(kuò)建了大沽沙港區(qū)、東疆港區(qū)、大港港區(qū)等碼頭工程，永定新河口北側(cè)也新建了天津?yàn)I海旅游區(qū)、北疆電廠等填海工程。隨著老航道航道等級(jí)的提高與新航道的開(kāi)挖，港池航道配套設(shè)施例如防波堤、擋沙堤等也隨之延伸，三河口附近地形地貌、岸線發(fā)生了較大變化，地形參見(jiàn)1.2節(jié)圖1（基面為平均海平面）。

1.2 潮流動(dòng)力變化分析

用于計(jì)算含沙量的代表水動(dòng)力包括潮流動(dòng)力與波浪動(dòng)力，建立二維潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算渤海灣潮流動(dòng)力要素，采用2013年10月大小潮水文實(shí)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證良好。潮流呈現(xiàn)往復(fù)流性質(zhì)，工程前永定新河口海域平均流速約為0.20m/s，河口區(qū)流速分布呈現(xiàn)“通道高兩側(cè)低”的規(guī)律；海河口海域已受到天津港影響，平均流速約為0.18 m/s，流速分布呈現(xiàn)“北高南低”的規(guī)律；獨(dú)流減河口海域平均流速約為0.25 m/s，流速梯度最高。工程后三河口通道區(qū)邊界固化，在永定新河口東疆港區(qū)與濱海旅游區(qū)之間形成行洪通道，口門處潮流流向順時(shí)針發(fā)生偏轉(zhuǎn)且流速增大明顯；天津港與南港之間近岸海域流速減小約0.05 m/s左右，南港南側(cè)海域流速減小0.05～0.1 m/s，且漲潮流速減幅大于落潮。圖1表示工程前后秋季大潮漲落急流場(chǎng)，工程后灣內(nèi)納潮面積縮小，工程附近潮差略升，近海海域流速略降，這與眾多前人研究成果接近[2-3]，但同單個(gè)建筑物相比影響范圍更大。

圖1 工程前后渤海灣流場(chǎng)變化圖Fig.1 Flow field variation in BohaiBay before and after reclamation

1.3 波浪動(dòng)力變化分析

潮流動(dòng)力的變化影響泥沙的輸移凈量與方向，而波浪攜帶的泥沙是造床泥沙的主要來(lái)源。采用Steijin提出的多個(gè)代表波法（MRW）[5-6]結(jié)合孫林云等提出的概化方法[7]分別對(duì)渤海灣兩長(zhǎng)期波浪觀測(cè)站（7號(hào)平臺(tái)、新港燈船站）波浪要素進(jìn)行概化，分別概化為東北—東—東南三個(gè)方向向岸代表波，能夠合理反映渤海灣四季的常浪向方向的變化，其中略去H1/10＜0.5 m的波浪。考慮到兩站點(diǎn)的位置及三河口的波況略有差異，東北和東向的波浪要素以7號(hào)平臺(tái)代表波、東南向的波浪要素以新港燈船站代表波為主分別進(jìn)行模型率定與驗(yàn)證，見(jiàn)表1，此外，對(duì)渤海灣50 a一遇的風(fēng)浪要素進(jìn)行推算。

表1 三方向概化波要素Table1 Generalized wave factorsof three direction

建立二維風(fēng)浪譜模型，采用輸入風(fēng)速風(fēng)向的方式率定代表波，波浪底摩阻采用粒徑場(chǎng)定義的摩阻因子，由于大范圍建筑物的存在使岸線外推，波浪計(jì)算時(shí)考慮建筑物前的波浪反射作用。渤海灣風(fēng)浪場(chǎng)總體趨勢(shì)，自灣口向西逐漸減小形成“舌”狀分布；工程后曹妃甸的突出甸頭的遮擋效應(yīng)使永定新河口海域在平常浪時(shí)波高減小，獨(dú)流減河口海域建筑物較少，且地形變化緩和，波浪變化不明顯；大浪況（H1/10＞1.5m）下防波堤、擋沙堤等建筑物前產(chǎn)生入、反射波疊加，建筑物前波高增幅普遍高于15%，但受建筑物掩護(hù)的地區(qū)例如海河口高沙嶺港區(qū)防波堤波影區(qū)波高減小70%左右；極端浪況（50 a一遇）下灣口處受到一定影響。波浪動(dòng)力較強(qiáng)時(shí)，東向波浪對(duì)三河口鄰近海域影響最大且變化最明顯，波浪動(dòng)力較弱時(shí)，東南向波浪作用最為突出。圖2反映大浪況下圍填海工程對(duì)渤海灣地區(qū)波浪動(dòng)力的影響，可明顯發(fā)現(xiàn)波浪動(dòng)力在建筑物前有所增強(qiáng)。

圖2 渤海灣工程前后東向代表波波浪場(chǎng)變化Fig.2 East representativewave field variation in BohaiBay beforeand after reclamation

水動(dòng)力條件的組合是含沙量分析的基礎(chǔ)，根據(jù)潮流動(dòng)力的大小與波浪動(dòng)力的等級(jí)將相應(yīng)的水動(dòng)力要素組合分為常動(dòng)力條件（大潮疊加H1/10＞0.5 m平常浪況）、強(qiáng)動(dòng)力條件（大潮疊加H1/10＞1.5 m大浪況）、極端動(dòng)力條件（風(fēng)暴潮下大潮疊加50 a一遇浪況），其中，極端動(dòng)力條件下潮汐潮流特性變化包括流速的陡增與風(fēng)暴增水現(xiàn)象，風(fēng)暴潮潮流動(dòng)力要素參考1997年風(fēng)暴潮潮型的數(shù)模計(jì)算結(jié)果[8]。

2 圍填海工程前后三河口海域含沙量變化分析

2.1 挾沙力含沙量公式的選取

關(guān)于含沙量的計(jì)算，常規(guī)的方法包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、數(shù)值模擬、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算等。計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式法，在渤海灣具有代表性的挾沙力含沙量經(jīng)驗(yàn)公式有：劉家駒公式[9]、竇國(guó)仁公式[10]、孫林云公式[11]等，見(jiàn)表2，在動(dòng)力條件匹配的情況，這些公式在淤泥質(zhì)海岸的含沙量分析上均取得過(guò)良好的效果。

表2 淤泥質(zhì)海岸典型含沙量經(jīng)驗(yàn)公式Table 2 Typical SSC empirical formulasalongmud coast

2.2 三河口海域含沙量變化分析

三河口鄰近灘地開(kāi)發(fā)程度、建筑物布置形式不同，不同方向波浪動(dòng)力對(duì)含沙量變化的敏感性也不同，由于東北向代表波對(duì)三河口海域含沙量影響較小，因此對(duì)局部海域動(dòng)力及含沙量變化響應(yīng)主要在東向與東南向代表波況下分析。三河口海域含沙量計(jì)算值均為不同動(dòng)力條件下的特征含沙量，反映的是某一動(dòng)力等級(jí)下的含沙量特征值，并非年含沙量概念；在極端動(dòng)力條件下，劉家駒公式中的波流速采用對(duì)應(yīng)的破波流速進(jìn)行計(jì)算。

1） 永定新河口

永定新河口位于天津新港北側(cè)，該地區(qū)存在大面積淺灘，且易形成浮泥，最大厚度超過(guò)2 m，風(fēng)浪對(duì)永定新河口含沙量影響較大。表3反映永定新河口局部海域含沙量計(jì)算值（采用劉家駒公式），取樣點(diǎn)在-2～-8m等深線處，其中工程后-2 m等深線（以下基面均為當(dāng)?shù)乩碚摶妫┮烟幱谛泻橥ǖ姥谧o(hù)區(qū)域內(nèi)，-4 m等深線位于行洪通道口。波浪等級(jí)相同時(shí)，東南向浪對(duì)永定新河口海域含沙量的影響最大，工程前在東南向浪作用下兩側(cè)灘地易形成高含沙量區(qū)域，河口含沙量梯度變化較為均勻。工程后渤海灣西北灣大部分海域的含沙量略微降低，永定新河口-2 m等深線內(nèi)含沙量大大削弱，-2 m等深線外含沙量梯度上升，原高含沙量區(qū)向通道出口處移動(dòng)。通道內(nèi)含沙量沿軸線出現(xiàn)不對(duì)稱分布，通道南側(cè)含沙量大于北側(cè)。北部灘地被沿岸工程占用，局部口門處由于水流流速增大而出現(xiàn)含沙量增大的現(xiàn)象。極端動(dòng)力條件下，通道口門處含沙量增加較為明顯，最大值達(dá)到1.5倍以上。

2） 海河口

表4反映海河口局部海域含沙量計(jì)算值（采用劉家駒公式），其中-6 m等深線接近防波堤。波浪等級(jí)相同時(shí)，東南向浪對(duì)海河口海域含沙量影響最明顯，工程前由于北側(cè)防波堤的存在，海河口含沙量呈現(xiàn)“北低南高”的趨勢(shì)，工程后，海河口行洪通道位于大沽沙港區(qū)內(nèi)，含沙量低于0.1 kg/m3；常動(dòng)力條件下，防波堤外側(cè)海域潮流、波浪動(dòng)力均減弱，低含沙量等值線從深水處一直延伸至防波堤附近。

表3 永定新河口局部海域含沙量計(jì)算Table 3 SSC calculation in localarea around Yongding Estuary

表4 海河口局部海域含沙量計(jì)算Table 4 SSC calculation in localarea around Haihe Estuary

3） 獨(dú)流減河口

表5反映獨(dú)流減河口局部海域含沙量計(jì)算值（采用劉家駒公式）。波浪等級(jí)相同時(shí)，東向波浪對(duì)獨(dú)流減河口海域含沙量影響最大，工程前由于河口淺灘的淺水效應(yīng)及較弱的波高衰減在東向浪作用下河口易形成高含沙量區(qū)域；工程后，南港將渤海灣西部海域一分為二，河口附近高含沙量區(qū)消失，其北部狹小半封閉海灣受掩護(hù)含沙量降低；南部海灣沿岸建筑較少，含沙量變化不明顯；防波堤前含沙量呈現(xiàn)弱動(dòng)力減小，強(qiáng)動(dòng)力增大的趨勢(shì)。

三河口相鄰較近，其地形地貌與動(dòng)力環(huán)境都存在密切的聯(lián)系，因而工程前三河口局部海域含沙量分布相似，-4 m等深線以外量值上基本接近。東向代表浪況下，獨(dú)流減河口海域特征含沙量最高，永定新河口海域最低；東南向代表浪況下，永定新河口、海河口海域特征含沙量均處于較高水平。比較相同動(dòng)力等級(jí)時(shí)三河口海域的最大含沙量情況，永定新河口含沙量最大，但含沙量梯度最小；獨(dú)流減河口由于正對(duì)灣口，波浪動(dòng)力強(qiáng)勁，淺水區(qū)含沙量也處于較高水平。

表5 獨(dú)流減河口局部海域含沙量計(jì)算Table 5 SSC calculation in localarea around Duliujian Estuary

工程后，三河口淺水區(qū)建筑物布置復(fù)雜，其海域含沙量分布差別較大；在常動(dòng)力條件下，永定新河口海域含沙量高于其它兩河口，防波堤的阻水效應(yīng)使得海河口-6 m等深線處、獨(dú)流減河口-4 m等深線處含沙量明顯減小；動(dòng)力增強(qiáng)時(shí)，獨(dú)流減河口防波堤外波浪壅高作用更強(qiáng)，其含沙量增幅高于海河口防波堤外。

不同公式及公式中參數(shù)的選擇會(huì)影響含沙量的計(jì)算結(jié)果。工程后于永定新河口海域-2～-16 m等深線進(jìn)行采樣分析，圖3反映了不同動(dòng)力下不同公式的計(jì)算值（2013年，東向波浪，平均海平面）。比較三公式不同水深含沙量計(jì)算結(jié)果，含沙量均呈現(xiàn)從近岸向外海遞減的趨勢(shì)。常動(dòng)力條件下，-6m等深線外三公式計(jì)算值較為接近，均在0.2 kg/m3以下；近岸處計(jì)算值差別較大，-1 m等深線附近劉家駒公式、竇國(guó)仁公式、孫林云公式計(jì)算值分別為 0.5 kg/m3、0.25 kg/m3、1 kg/m3。動(dòng)力增強(qiáng)時(shí)，三公式計(jì)算值存在較大量值上的差別，孫林云公式計(jì)算值受水動(dòng)力改變影響最明顯，但三公式-14 m等深線附近計(jì)算值已較為接近。極端動(dòng)力條件下，近岸區(qū)由于增水水位抬升，三公式近岸含沙量增幅較小，其中劉家駒公式、孫林云公式的計(jì)算結(jié)果反映出西北部灣-4m等深線附近出現(xiàn)的高含沙量帶。

圖3 基于不同公式計(jì)算含沙量對(duì)比Fig.3 Comparison of SSC calculation based on different formulas

2.3 渤海灣含沙量分布變化

單個(gè)或相鄰建筑物對(duì)三河口海域含沙量影響的同時(shí)，近岸連片圍填海建筑物在渤海灣近岸形成“剛性”邊界，渤海灣的潮流動(dòng)力、波浪動(dòng)力及含沙量場(chǎng)有整體性的變化，這種變化主要體現(xiàn)在近岸海域、建筑物前海域及外海三個(gè)區(qū)域。圖4為不同動(dòng)力條件下渤海灣工程后劉家駒公式計(jì)算大潮代表含沙量場(chǎng)。

圖4 工程后渤海灣大潮代表含沙量場(chǎng)Fig.4 Representative SSC fieldsat spring tideafter reclamation in BohaiBay

渤海灣含沙量梯度與岸線基本垂直，與地形等深線梯度基本一致，由灣口至近岸逐漸升高，其中東北浪況下渤海灣平均含沙量最大。常動(dòng)力條件下大面積海域含沙量值均較低；近岸含沙量隨動(dòng)力的增強(qiáng)顯著增大，但外海變化極??；極端動(dòng)力條件下，外海含沙量升高明顯，離岸20 km附近出現(xiàn)高含沙量帶。

圍填海工程建成后，弱動(dòng)力條件下，由于沿岸連片建筑物對(duì)潮流流速及小波浪動(dòng)力削弱，大部分海域出現(xiàn)含沙量略微降低的趨勢(shì)；當(dāng)動(dòng)力增強(qiáng)時(shí)，近岸淺灘大多受工程掩護(hù)，含沙量呈減小趨勢(shì)，建筑物前潮流流速雖減小，但入、反射波疊加，含沙量略高于工程前，而外海變化甚微；極端動(dòng)力條件下，原高含沙量帶向近岸擴(kuò)張。

3 結(jié)語(yǔ)

1）本文建立數(shù)學(xué)模型，為含沙量經(jīng)驗(yàn)公式提供水動(dòng)力要素，進(jìn)而分析特征動(dòng)力條件下三河口海域圍填海工程前后含沙量的變化響應(yīng)，并對(duì)渤海灣含沙量分布變化進(jìn)行了初步探索。

2）工程后，三河口附近海域潮差略微增大，潮流流速在工程區(qū)附近略微減小；考慮到波浪反射作用，平常浪況下三河口大部分海域波高略降，大風(fēng)浪時(shí)建筑物前入、反射波疊加波高增大。

3）運(yùn)用三種經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算含沙量變化趨勢(shì)一致，工程后，永定新河口、獨(dú)流減河口高含沙量區(qū)消失，東向浪況下三河口中獨(dú)流減河口含沙量最大，東南向浪況下永定新河口與海河口含沙量均較高。整體來(lái)看，常動(dòng)力條件下渤海灣大部分海域含沙量有降低的趨勢(shì)；動(dòng)力增強(qiáng)時(shí)，近岸海域受工程掩護(hù)含沙量有所降低，建筑物前海域受波浪反射影響含沙量有所增大，外海變化甚微。

4）長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，圍填海工程的建設(shè)對(duì)于渤海灣岸灘沖淤變化起到減緩的作用，工程后三河口通道內(nèi)含沙量有降低的趨勢(shì)，有助于防淤減淤，對(duì)提高河口行洪排澇能力有利。

[1] 趙鑫，孫群，魏皓.圍填海工程對(duì)渤海灣風(fēng)浪場(chǎng)的影響[J].海洋科學(xué)，2013（1）：7-16.ZHAO Xin，SUNQun，WEIHao.Effects of coastal reclamation on thewave fieldsin the BohaiBay[J].Marine Sciences,2013(1):7-16.

[2] 孫連成.塘沽圍海造陸工程對(duì)周邊泥沙環(huán)境影響的研究 [J].水運(yùn)工程，2003（3）：1-5.SUN Lian-cheng.A Study on influences of reclamation in Tanggu on peripheral sediment environment[J].Port&Waterway Engineering,2003(3):1-5.

[3] 劉仲軍，劉愛(ài)珍，于可忱.圍填海工程對(duì)天津海域水動(dòng)力環(huán)境影響的數(shù)值分析[J].水道港口，2012（4）：310-314.LIU Zhong-jun，LIU Ai-zhen，YU Ke-chen.Influence of land reclamation on hydrodynamic environment in Tianjin area[J].JournalofWaterway and Harbor,2012(4):310-314.

[4] 孫林云，朱江，劉建軍.基于遙感圖像分析的永定新河口近年沖淤變化及趨勢(shì)研究[C]//第十三屆中國(guó)海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.南京：中國(guó)海洋工程學(xué)會(huì)，2007.SUN Lin-yun，ZHU Jiang，LIU Jian-jun.Research of erosion and deposition variation and trend based on remote sensing image analysis in Yongding Estuary[C]//Proceedingsof the 13th ChinaOcean(Coastal)Engineering Academic Conference.Nanjing:China Society forOceanography,2007.

[5] STEIJNRC.Schematization of the natural conditions inmulti-dimensional numerical modelsof coastalmorphology[R].Delft:Delft Hydraulics,1989(H526-1).

[6] STEIJN R C.Input filtering techniques for complexmorphological models[R].Delft:Delfthydraulic,1992(H824.53).

[7] 孫林云，黃建維，劉建軍.永定新河口河口區(qū)水動(dòng)力條件及泥沙運(yùn)動(dòng)特性分析研究[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2001.SUN Lin-yun，HUANG Jian-wei，LIU Jian-jun.Research on hydrodynamic conditions and sedimentmovement characteristics in Yongding Estuary[R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2001.

[8]唐磊，孫林云.渤海灣造陸工程對(duì)海河流域主要河口防洪影響-風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型研究報(bào)告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2015.TANG Lei,SUN Lin-yun.Bohai Bay reclamation-induced influence on flood control of main estuaries in Haihe River Basin-Mathematical model of storm surge research report[R].Nanjing:NanjingHydraulic Research Institute,2015.

[9] 劉家駒.淤泥質(zhì)、粉沙質(zhì)及沙質(zhì)海岸航道回淤統(tǒng)一計(jì)算方法[J].海洋工程，2012（1）：1-7.LIU Jia-ju.A unified computationmethod of siltation for dredged approach channel in differentsedimentbeaches[J].The Ocean Engineering,2012(1):1-7.

[10]竇國(guó)仁，董風(fēng)舞，Xibingdou.潮流和波浪的挾沙能力[J].科學(xué)通報(bào)，1995（5）：443-446.DOU Guo-ren，DONG Feng-wu，DOU Xi-bing.Sediment-laden capacity of tide current and wave[J].Chinese Science Bulletin,1995(5):443-446.

[11]孫林云，黃建維，劉建軍.天津港永定新河口化學(xué)工業(yè)港區(qū)水流條件及泥沙回淤狀況模擬實(shí)驗(yàn)研究總報(bào)告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2002.SUN Lin-yun,HUANG Jian-wei,LIU Jian-jun.Physicalmodel experimental research on current condition and sediment deposition of chemical industial area of Tianjin Port in Yongding Estuary[R].Nanjing:NanjingHydraulic Research Institute,2002.