李文丹，鄭 瑋，韓志遠，解鳴曉

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點 實驗室，天津 300456；2.中交疏浚(集團)股份有限公司，北京 100013)

某電廠位于莆田市秀嶼區(qū)埭頭鎮(zhèn)翁厝行政村爐厝村，地理坐標東經(jīng)119°19′44″、北緯25°14′27″。廠址北距福州市92 km、福清市53 km，西北距莆田市39 km，西距埭頭鎮(zhèn)13 km，西南距泉州83 km(圖1)。

圖1 工程海域示意圖Fig.1 Schematic map of engineering sea area

電廠采用明取明排(明渠取水，明渠排水)的結(jié)構(gòu)形式，取水布置在爐厝岬角西側(cè)，取水口位于-7.5 m等深線。排水口布置在岬角東北側(cè)灣內(nèi)(圖1)。

本文通過現(xiàn)場實測的波浪、潮位、潮流、含沙量、底質(zhì)等資料分析，岸灘演變分析以及沿岸輸沙數(shù)值模擬和波浪、潮流、泥沙數(shù)學模型計算，對福建省莆田市興化灣西側(cè)海域建設(shè)某電廠的水動力泥沙條件進行了研究論證。

1 自然條件

1.1 地形地貌

1.1.1 地貌

工程海區(qū)位于興化灣西側(cè)，在平海和石城之間，屬于平海灣的一部分。根據(jù)現(xiàn)場地貌踏勘結(jié)果，沿岸地貌有如下特點：

(1)爐厝—石城。

該段為一小型岬灣型砂質(zhì)海岸，該灣中間由于雞甲嶼的存在，又被分成兩個小型岬灣。該岬灣內(nèi)海灘地勢較平緩，岸線保持穩(wěn)定，在岬角處有局部侵蝕存在。從石南碼頭兩側(cè)海灘寬度和高程沒有明顯差異可以看出，該處海灘泥沙的縱向輸移特征是不明顯的，泥沙以橫向運動為主。

(2)嶼仔山—爐厝。

牛頭山—爐厝岸段砂質(zhì)海灘寬度很窄且坡度大，灘上有礫石堆積，局部有侵蝕特點；嶼仔山—牛頭山之間為凹入陸地近1 km的小海灣，灣口處有碎石堤，堤內(nèi)為低潮出露的平坦的沙灘。

1.1.2 地形

爐厝岬角兩側(cè)水下地形，0～5 m等深線基本與岸線平行，0～5 m等深線之間的邊坡為2‰～3‰；6～10 m等深線均向外海突出，地形坡度平緩，6～10 m等深線之間的邊坡為1‰。可見爐厝附近海域為一片水深小于10 m，水下地形十分平坦的水域，是南日水道西側(cè)漲落潮水流較緩的水域。

1.2 波浪

據(jù)2009年8月～2010年10月廠址岸邊波浪站目測波浪資料統(tǒng)計，該工程水域波浪類型主要是混合浪。該海域波浪在一個觀測年中常浪向為E、S、ESE及SSE向。常浪向在季節(jié)分布上呈現(xiàn)為春季SSE向、夏季S向，秋、冬兩季為E向。全年各向H1/10平均波高為0.29～0.84 m，H1/10年平均波高為0.60 m，H1/10平均波高在各月中以10月份為較大，以5月為較小。

全年中H1/10波高波浪主要集中于0.10～0.50 m和0.50～1.50 m波級，出現(xiàn)頻率合計達98.52%，而≥1.50 m波級占1.49%，其中≥3.0 m波級頻率僅占0.01%，而此時主要為臺風所致。

該海域強浪向為SE向、SSW向、S向、E向，最大波高Hmax分別達7.09 m、3.95 m、3.10 m、3.00 m，其最大值7.09 m出現(xiàn)在2010年9月11#凡亞比臺風期間，對應的譜峰周期TP為9.66 s(SSE向)。

1.3 潮汐潮流

1.3.1 潮汐

工程海域處于臺灣海峽西北側(cè)，臺灣海峽及其附近海域的潮波由其北部蛻化旋轉(zhuǎn)潮波與南部前進潮波系統(tǒng)構(gòu)成，進入工程區(qū)海域的潮汐主要來自北部系統(tǒng)的影響。根據(jù)潮位調(diào)和分析，本海區(qū)潮汐屬規(guī)則半日潮類型。該海域平均潮差為4.73 m，最大潮差為7.11 m。工程區(qū)潮位與鄰近兩站相比，該海域潮差由東向西逐漸增大，潮時由東向西逐漸推遲。

1.3.2 潮流

2-a 大潮2-b 小潮圖2 潮流矢量圖Fig.2 Vectorgraph of tidal current

根據(jù)工程海域2009年8月14日～8月21日(夏季)和2009年12月23日～2010年1月3日(冬季)12個站位大、中、小潮的水文全潮潮流測驗資料調(diào)和分析，該工程海域潮流性質(zhì)為正規(guī)半日潮流。由于工程區(qū)水域潮流性質(zhì)為正規(guī)半日潮流。鄰近廠址的2#～4#站和開闊水域的8#、9#，潮流運動為帶有逆時針旋轉(zhuǎn)流的性質(zhì)，其他各站潮流運動主要表現(xiàn)為往復流的性質(zhì)。該海域潮流特征為[1]：

(1)興化灣潮流運動是由南日水道和興化水道二股漲、落潮流運動所形成。漲潮時興化水道漲潮流由東南向西北運動，南日水道漲潮流由南偏東向北運動，并在南日島的西北側(cè)與興化水道漲潮流頂托，并擠壓興化水道的漲潮流，從而使得興化灣南側(cè)莆田岸側(cè)岸線水域主要為南日水道漲潮流所占據(jù)，而興化灣北側(cè)水域主要為興化水道漲潮流占據(jù)。落潮時興化灣內(nèi)納潮水體分別經(jīng)興化水道和南日水道隨潮位的降低而流向東海海域。

(2)工程水域處于石城—后石井岬灣中，離南日水道深槽西側(cè)還有近7 km距離，且灣頂是泥沙淤積區(qū)，該段岸線處于南日水道漲潮水流的邊灘緩流區(qū)之中，同時又是灣頂納潮水體向南日水道落潮水流擴散的范圍。

(3)整體上看，該海域流速呈現(xiàn)大潮大于中潮、中潮大于小潮、敞開海域大于近岸、深槽大于邊灘、夏季大于冬季的變化規(guī)律，以南日水道和興化水道最大。1#～5#漲落潮平均流速介于0.06～0.33 m/s。6#～10#漲落潮平均流速為0.22～0.47 m/s。11#、12#漲落潮平均流速為0.30～0.43 m/s。

(4)由于各站所處海域水流位置不同，其漲、落潮流的歷時也不盡相同。主流區(qū)(6#～12#)漲潮流歷時大于落潮流歷時，工程區(qū)域(1#～5#)卻完全相反，這為電廠取排水工程布局創(chuàng)造了良好的有利條件。

1.4 含沙量

1.4.1 水文全潮懸沙觀測

該海域含沙量整體較小，且沿垂線分布較為均勻。據(jù)夏、冬季大、中、小潮共6次水文全潮含沙量觀測結(jié)果，各站平均表層含沙量僅為0.036 kg/m3，中層、底層分別為表層的1.14倍、1.39倍。表明含沙量的垂線分布仍然呈現(xiàn)表層最小、底層最大、由表至底逐漸增大的變化規(guī)律。

夏季各站漲、落潮平均含沙量大潮為0.040 kg/m3，中潮為0.036 kg/m3，小潮為0.042 kg/m3。冬季各站漲、落潮平均含沙量，大潮為0.056 kg/m3，中潮為0.036 kg/m3，小潮為0.034 kg/m3。

1.4.2 工程附近定點取樣觀測

根據(jù)測驗要求，在取水口附近利用每次回收儀器數(shù)據(jù)時進行懸沙樣的采集并進行含沙量的分析工作。在觀測期間，含沙量較大的月份主要為2009年9月16日、10月30日、12月24日和2010年8月17日、11月11日。含沙量達0.045～0.080 kg/m3，而其他時間含沙量僅在0.045 kg/m3以下?？傮w而言，該水域含沙量相對較小，最大僅在0.1 kg/m3左右，但其大、小潮變化及季節(jié)變化也是相對較大的。

1.5 懸沙粒徑及底質(zhì)

1.5.1 懸沙粒徑

工程海域夏季懸沙d50為0.018 5 mm，冬季懸沙d50為0.009 8 mm，夏季懸沙粒徑明顯大于冬季懸沙粒徑，夏冬季懸沙d50平均中值粒徑為0.014 2 mm。工程海域夏季懸沙以粉砂為主，冬季在工程區(qū)內(nèi)及其附近水域為粘土質(zhì)粉砂物質(zhì)為主。

1.5.2 底質(zhì)

圖3 沉積物中值粒徑Fig.3 Median particle size

工程區(qū)近岸及潮間帶均為較粗顆粒的砂質(zhì)沉積物分布，主要為中粗砂及粗砂。在調(diào)查區(qū)域大部分海域，即-5 m等深線以深的區(qū)域主要為粘土質(zhì)粉砂，粉砂質(zhì)粘土并夾有少量的砂-粉砂-粘土、粉砂物質(zhì)。在后石井—石城山間的小灣內(nèi)有粉砂質(zhì)沉積物，該沉積物以“硬底泥”形成存在，其泥沙運動難于發(fā)生。南日水道兩側(cè)的砂質(zhì)沉積物與近岸沉積物間存在粉砂沉積物，且近岸的砂質(zhì)沉積物分布也較窄，僅限于-2 m等深線以淺的潮間帶內(nèi)，這種分布表明：該砂質(zhì)沉積帶主要為近岸泥沙搬運為主，外來的泥沙供給不足。

該海區(qū)沉積物分布總體呈現(xiàn)近岸沉積物粒徑粗、深水區(qū)較細的特點。調(diào)查區(qū)范圍沉積物中值粒徑d50為0.004 3～2.39 m。其中近岸淺灘中值粒徑較粗，后石井—工程區(qū)的小灣內(nèi)分布有0.01～0.05 mm粒徑的沉積物，在其外側(cè)由南向北廣泛分布0.004～0.01 mm粒徑的細顆粒沉積物。

海域沉積物分選系數(shù)總的分布特征是近岸較好、深水區(qū)較差，砂質(zhì)沉積物分選較好，而粉砂質(zhì)沉積物分選較差，近岸與深水區(qū)有明顯的差異。分選很好的區(qū)域基本與砂質(zhì)沉積物分布區(qū)重合，粉砂質(zhì)沉積的分選程度較凌亂，由北向南和由西向東都存在一定的差異，特別是由西向東呈現(xiàn)分選中常-較好-中常-較好-中常的變化特點，顯示了在潮流動力作用下海域沉積物搬運趨勢不明顯的特點。

1.6 泥沙來源

平海灣內(nèi)沒有大河注入，廠址東西兩側(cè)河流皆源短流小，供沙量很有限，這從小河口處岸線及等深線并未向海突出便可看出。平海灣內(nèi)海岸岬灣相間且海岸多年保持穩(wěn)定，因此侵蝕供沙量很小。波浪作用下泥沙以橫向搬運為主，泥沙沿岸縱向輸移量很有限。正常天氣情況下，各站水體含沙量都不大。從單寬輸沙量來看，各站單寬輸沙量不大，單寬凈輸沙量也較小，因此，工程附近海域的潮流輸沙量有限。以上分析表明，工程海域水體含沙量很小，泥沙來源不豐富。

2 沿岸輸沙數(shù)值模擬

根據(jù)上述分析，當?shù)亟稙┟娲嬖谝欢〝?shù)量的沙質(zhì)底床，在常年波浪作用下可能存在一定沿岸輸沙。因此，以下將對電廠附近的沿岸輸沙強度進行研究。

2.1 計算軟件

沿岸輸沙數(shù)值模擬采用丹麥水力學研究所(DHI)研發(fā)的岸灘剖面輸沙模塊LITDRIFT，其將剖面劃分為若干計算網(wǎng)格節(jié)點，可充分考慮波浪、沿岸流以及底質(zhì)粒徑、泥沙沉速等變量的橫向分布，其物理背景更加接近實際海岸動力過程。此外，LITDRIFT可統(tǒng)計岸灘剖面在常年分級、分向波浪作用下的總輸沙率和凈輸沙率。

圖4 斷面位置示意圖Fig.4 Sketch of cross section

2.2 研究區(qū)域選擇

剖面選擇中，考慮6個不同斷面，位置見圖4，包含了電廠的取排水口。然而，沿岸輸沙模擬適用的海岸類型為沙質(zhì)海岸，理論上其底質(zhì)泥沙粒徑d50應在0.125 mm以上，然而根據(jù)底質(zhì)取樣分析結(jié)果，斷面2處近岸泥沙底質(zhì)粒徑為粘土質(zhì)粉砂(0.01 mm

2.3 沿岸輸沙計算結(jié)果

圖5 計算域及網(wǎng)格示意圖Fig.5 Diagram of computed field and mesh grid

經(jīng)計算，各斷面的沿岸輸沙強度均較弱，其中斷面5總輸沙強度最大，為3.4萬m3/a，斷面1總輸沙率最小，為2.6萬m3/a；至于凈輸沙率，斷面1至斷面5均在1.0萬m3/a以下，斷面6亦僅有1.2萬m3/a。從輸沙方向角度來看，由于廠址海域常波向為偏E方向，從而沿岸輸沙以向西為主向。從地貌角度進一步分析，根據(jù)最新遙感衛(wèi)星圖片，雞甲嶼兩側(cè)岸線基本呈對稱態(tài)，無明顯的堆積體或沙壩結(jié)構(gòu)，石南碼頭東西兩側(cè)岸灘亦未反映出明顯的上游堆積，這便說明從大范圍來看當?shù)亟遁斏硰姸炔桓?。在排水口?guī)劃水域西側(cè)的河口處，存在微小的指向西側(cè)的沙壩結(jié)構(gòu)，顯示出當?shù)匮匕遁斏车闹飨驗樽詵|向西，這與模擬結(jié)果所得結(jié)論是一致的。由此可見，工程處于岬灣相間岸段，泥沙來源少，附近岸段沿岸輸沙不強，這對于工程的建設(shè)是有利的。

3 波浪潮流泥沙數(shù)學模型

3.1 模型建立及網(wǎng)格剖分

模型理論此處不再贅述[2-3]。數(shù)學模型的網(wǎng)格剖分及模型范圍參見圖5。該模型北邊界至25°55′N，南邊界至24°55′N，外海邊界到-80 m等深線，包含整個興化灣及其附近海域。工程附近海域島嶼眾多、潮流運動較為復雜，為了較好地刻畫該海域的地形特征，精確地模擬該海域的波浪潮流泥沙運動情況，本模型采用三角形網(wǎng)格進行剖分和計算[4]。相鄰網(wǎng)格節(jié)點最大間距為6 000 m，在工程附近水域進行局部加密，最小間距為5 m左右。潮流數(shù)學模型開邊界由中國海潮汐模型提供[5-6]。波浪和泥沙模型開邊界根據(jù)實測資料經(jīng)調(diào)試給出。

3.2 模型驗證

本模型采用2009年8月和2009年12月～2010年1月的夏、冬季大、中、小潮水文全潮資料進行驗證，部分驗證結(jié)果參見圖6。

圖6 驗證結(jié)果示意圖Fig.6 Validation results

3.3 工程水域潮流特征[6-9]

現(xiàn)狀條件下：漲潮初期，由西南向東北運動的漲潮流經(jīng)過后石井后在爐厝村岬角分成兩股水流，其中一股流向西側(cè)灣頂,另一股向東北運動流向興化灣；隨著潮位的升高，漲潮中期在外海逆時針潮流帶動下，漲潮流主體由東北轉(zhuǎn)向偏西北方向運動，水體仍然在工程水域分流，工程東側(cè)水體流向南日水道，西側(cè)則繼續(xù)填充灣頂；漲潮末期，外海及工程區(qū)水域水流進一步向偏西方向運動，此時后石井附近水流已經(jīng)開始進入落潮階段；隨著潮波進一步發(fā)展，在外海旋轉(zhuǎn)潮流帶動下，開始進入落潮階段，水流主體向西南運動，后石井附近水流在岸線的作用下向南運動；隨著落潮流發(fā)展，工程區(qū)水流也轉(zhuǎn)為為向東運動。

工程實施后：工程建設(shè)對大范圍流場變化沒有影響，漲落潮流總體上與工程前保持一致(圖7)。

7-a 漲潮初期7-b 漲潮中期7-c 漲潮末期

7-d 落潮初期7-e 落潮中期7-f 落潮末期圖7 工程海域典型時刻流場圖Fig.7 Flow field chart of typical time

3.4 取水明渠泥沙回淤

經(jīng)計算，某電廠取水明渠內(nèi)年平均淤強為0.35 m/a，淤積量為2 376 m3。大浪作用24 h條件下，取水明渠內(nèi)最大淤強為0.21 m。

3.5 對周圍海區(qū)影響

經(jīng)計算，以流速變化0.02 m/s為界，電廠建設(shè)對周圍海域影響均局限于工程局部海域0.39 km×0.37 km范圍內(nèi)。取排水明渠兩側(cè)水域流速減小且泥沙呈淤積趨勢。取水防波堤堤頭附近流速增加，地形呈沖刷態(tài)勢，不至造成取水困難。

4 結(jié)論

本文通過現(xiàn)場實測的波浪、潮位、潮流、含沙量、底質(zhì)等資料分析,岸灘演變分析以及沿岸輸沙數(shù)值模擬和波浪、潮流、泥沙數(shù)學模型計算,對福建省莆田市興化灣西側(cè)海域建設(shè)某電廠的水動力泥沙條件進行了研究論證。主要研究成果表明：

(1)工程位于興化灣口石城南側(cè)岬灣內(nèi)，東南面臨開敞海域，潮差大、灣內(nèi)潮流較弱、水體含沙量低、泥沙來源有限，海床長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)工程處于岬灣相間岸段，泥沙來源少，附近岸段沿岸輸沙不強。

(3)規(guī)劃電廠取水口位于岬角南側(cè)-7.5 m等深線附近水域，取水明渠內(nèi)泥沙淤積強度較小。

(4)電廠建設(shè)對周圍海域影響局限于工程局部海域。取水防波堤堤頭附近流速增加，地形呈沖刷態(tài)勢，不至造成取水困難。

(5)工程海域具有良好的建廠條件，但應加強施工期間地形及臺風期間含沙量觀測。