養(yǎng)馬島連陸海堤拆除前后水動(dòng)力及海底沖淤演變研究

養(yǎng)馬島連陸海堤拆除前后水動(dòng)力及海底沖淤演變研究

1研究領(lǐng)域的總結(jié)1.1養(yǎng)馬島規(guī)劃設(shè)計(jì)陽(yáng)馬島位于半島北部，距煙臺(tái)牟平區(qū)9公里。如圖1所示，地理位置。東西長(zhǎng)7km,南北寬1.5km,面積10km2,是膠東第3大島。20世紀(jì)70年代以來開始在海島的東部和中部修建兩道實(shí)體海堤,將養(yǎng)馬島南側(cè)海域分為3部分,東大堤以東為東廟江,中部大堤以西為西廟江。自2003年以來煙臺(tái)開始修建連接牟平區(qū)寧海鎮(zhèn)和養(yǎng)馬島風(fēng)景區(qū)的跨海大橋,已于2004年通車?，F(xiàn)有海堤計(jì)劃逐步拆除。1.2潮流性質(zhì)的特征養(yǎng)馬島海區(qū)的潮汐狀況受北黃海潮波系統(tǒng)控制,潮汐類型屬于正規(guī)半日潮。根據(jù)2005年3月19—20日的調(diào)查資料進(jìn)行準(zhǔn)調(diào)和分析可知,本區(qū)的潮流性質(zhì)判據(jù)系數(shù)K在0.2～0.86之間,各調(diào)查站位M2和S2分潮流的K′值在0.01～0.06之間,說明該海區(qū)的潮流主要以往復(fù)流為主,潮流類型屬于不正規(guī)日潮流和不正規(guī)半日潮流的混合型。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料全年常浪向?yàn)镹、NNW和NW向,出現(xiàn)頻率均為7%,強(qiáng)浪向?yàn)镹向,最大波高為4.7m。1.3深水土壤條件據(jù)前人調(diào)查資料,海島周圍底質(zhì)類型近岸為礫石粗砂和中砂,深水為砂質(zhì)粉砂和黏土質(zhì)粉砂,其中海島北部海域沉積物顆粒較南部海域細(xì),可能由于此海域主要受陸域來沙的影響。岸灘底質(zhì)類型主要有礫石-粗砂、粉砂、砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土等。2研究方法和數(shù)據(jù)2.1巖石學(xué)模型分析在圍填工程及港口建設(shè)工程中,水流泥沙數(shù)學(xué)模型在工程項(xiàng)目的可行性論證中發(fā)揮重要作用。為了分析養(yǎng)馬島海堤對(duì)水動(dòng)力條件及海底沖淤規(guī)律的影響,首先利用ECOMSED水動(dòng)力模型,模擬海堤拆除前后的水動(dòng)力場(chǎng),分析海堤對(duì)水動(dòng)力的影響;在水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上,通過泥沙運(yùn)動(dòng)模擬,分析海堤拆除前后的海底蝕淤變化。ECOMSED模型包括水動(dòng)力模型ECOM以及物質(zhì)輸運(yùn)模塊SED兩部分。SED模型基于沉積動(dòng)力學(xué)的物質(zhì)輸運(yùn)數(shù)值模擬系統(tǒng),包含黏性和非黏性沉積物的輸運(yùn)、沉積及再懸浮過程。其中,對(duì)非黏性泥沙的輸運(yùn)、沉積及再懸浮過程采用的是VanRijn模式,而對(duì)于黏性泥沙的再懸浮、沉降、堆積等過程則是采用Gailani等的研究成果。2.1.1海底流速度y參數(shù)?u?t+u?u?x+v?u?y-fv=-g?ζ?x+?u?t+u?u?x+v?u?y?fv=?g?ζ?x+??x(AΗ?u?x)+??y(AΗ?v?y)-τbxΗ??x(AH?u?x)+??y(AH?v?y)?τbxH(1)?v?t+u?v?x+v?v?y+fu=-g?ζ?y+?v?t+u?v?x+v?v?y+fu=?g?ζ?y+??x(AΗ?v?x)+??y(AΗ?v?y)-τbyΗ??x(AH?v?x)+??y(AH?v?y)?τbyH(2)?ζ?t+?(Ηu)?x+?(Ηv)?y=0?ζ?t+?(Hu)?x+?(Hv)?y=0(3)式中:t為時(shí)間;x、y為Cartesain坐標(biāo),在這里分別取向東和向北為正;ζ為水位;d為未擾動(dòng)水深;H為總水深,H=d+ζ;u、v為海流速度沿x、y方向分量的從海底到海面的平均值;f為Coriolis參數(shù);ρw是海水密度,取1.025g/cm3;g為重力加速度,取為9.81m/s2;AH為水平擴(kuò)散系數(shù);τbx、τby為底摩擦應(yīng)力沿x、y方向分量;τb=ρwCb|u|u,其中:Cb是摩擦系數(shù)。2.1.2k類沉積物懸浮巖?Ck?t+u?UCk?x+v?VCk?y+?(W-Ws,k)?z=??x(AΗ?Ck?x)+??y(AΗ?Ck?y)+??z(ΚΗ?Ck?z)(4)式中:CK為k類沉積物懸浮濃度,其中k=1、2,分別代表黏性和非黏性沉積物;AH為水平擴(kuò)散系數(shù);KH為垂向渦動(dòng)黏滯系數(shù);Ek,Dk為k類沉積物的沖刷和沉積函數(shù);η為海表面波動(dòng);H為水深;Ws為懸浮泥沙沉降速度。2.2資料和歷史資料模型及驗(yàn)證中所用的資料包括潮流、底質(zhì)、水深地形,資料來源包括現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查(見圖1)和歷史資料。潮流資料利用2005年3月19—20日對(duì)養(yǎng)馬島海域現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的25h的全潮資料;底質(zhì)資料來源于前人在2003年8月調(diào)查的歷史資料;水深和岸界根據(jù)11940、11961和11962號(hào)海圖確定。3連通性破壞對(duì)趨勢(shì)場(chǎng)的影響3.1潮流驗(yàn)證過程大海域模型范圍為煙臺(tái)芝罘島西端至威海褚島之間封閉海域。在模擬時(shí)段內(nèi)使用煙臺(tái)港作為潮汐驗(yàn)證點(diǎn),2005年3月19—20日在A、B、C站進(jìn)行了潮流觀測(cè)(站位位置見圖1)。圖2是潮位驗(yàn)證過程曲線。從圖中可知,計(jì)算潮位與實(shí)測(cè)值符合較好,最大誤差都小于10cm,潮位誤差在10%以內(nèi)。圖3是潮流驗(yàn)證過程曲線,選取具有代表性的B、C兩點(diǎn)為潮流驗(yàn)證點(diǎn)。從圖中可知,模擬流速、流向與實(shí)測(cè)值符合較好,某些峰值有一定誤差。誤差的原因是多方面的,除了模型的數(shù)值誤差和不準(zhǔn)確的開邊界處理之外,最主要的原因在于水深地形變化,從2001年到現(xiàn)在,由于煙臺(tái)港航道已經(jīng)經(jīng)過了多次疏浚、挖深與拓寬,模擬采用的海圖地形有了較大的變化,局部深槽區(qū)域水深加大。此外,觀測(cè)流速是受多種作用力驅(qū)動(dòng)的,觀測(cè)流速資料顯示了一些不同于潮流結(jié)構(gòu)的垂向結(jié)構(gòu),除潮汐運(yùn)動(dòng)外,還受風(fēng)應(yīng)力與密度驅(qū)動(dòng),但模型沒有反應(yīng)風(fēng)應(yīng)力與密度驅(qū)動(dòng)作用。從驗(yàn)證結(jié)果可知,模型結(jié)果基本上與實(shí)測(cè)值符合,模型可用于預(yù)測(cè)模擬。3.2海堤清理后的潮流場(chǎng)落急時(shí)刻流場(chǎng)現(xiàn)狀流場(chǎng)的流向?yàn)閃S—EN向(見圖4),西南向的落潮流在養(yǎng)馬島西南角處繞過島嶼分岔,一部分沿養(yǎng)馬島西北沿岸向東北流,流向與島嶼走向一致;另一部分流入西廟江水體中,海堤拆除前落潮流流速普遍較小,最大流速僅為0.2m/s,位于養(yǎng)馬島東北角,而東、西廟江海域受養(yǎng)馬島和海堤的阻隔潮流微弱,流速均小于0.1m/s(見圖5);海堤拆除后潮流場(chǎng)(見圖4)變化主要集中在海堤攔截的海域部分,東西廟江打通后水流暢通,過水面積總體加大,落潮流流速也普遍有所增大,由于落潮海水流過養(yǎng)馬島南部海域后,西南角處口門的束水作用使得養(yǎng)馬島東北角至西南角處存在強(qiáng)流區(qū),最大流速可達(dá)1m/s(見圖5),強(qiáng)流區(qū)的流速平均在0.5m/s左右,連通后的海域流速平均為0.2m/s左右。漲急時(shí)刻流場(chǎng)現(xiàn)狀流場(chǎng)的流向?yàn)镋N—WS向(見圖6),拆除前漲潮流流速較落潮流速普遍大,最大流速為0.4m/s,仍位于養(yǎng)馬島東北角,東、西廟江海域流速平均在0.05m/s左右(見圖7);拆除后潮流場(chǎng)(見圖6)主要的變化仍集中在海堤攔截的海域部分,養(yǎng)馬島東北角至西南角處存在強(qiáng)流區(qū),最大可達(dá)0.8m/s,當(dāng)漲潮海水進(jìn)入海堤打通后海域后過水面積加寬,流速逐漸減小,平均在0.2m/s左右(見圖7)。4陸源泥沙源質(zhì)量導(dǎo)致養(yǎng)馬島海床變型的泥沙來源有陸源來沙、外海域泥沙輸入及局地的水動(dòng)力條件下的泥沙輸運(yùn)。根據(jù)資料養(yǎng)馬島近岸海域內(nèi)沒有大的河流注入,徑流來沙量小,陸源泥沙的源強(qiáng)較小。本文側(cè)重于海堤拆除后工程水動(dòng)力條件的改變對(duì)工程區(qū)域的海床變型的影響,在模擬中,不考慮陸源來沙的影響,只考慮局地水動(dòng)力條件下泥沙運(yùn)動(dòng)引起的海底沖淤變化。4.1養(yǎng)馬島西南海域海底蝕淤模擬主要計(jì)算了正常天氣下養(yǎng)馬島周圍海域的海底蝕淤情況(圖8)。圖8以及研究區(qū)域的等深線位置(圖9)可以看出,整個(gè)研究區(qū)域呈現(xiàn)近岸略微侵蝕、離岸整體淤積的規(guī)律,最大年淤積量為15cm之內(nèi),最大侵蝕量為1cm。養(yǎng)馬島西北近岸海域一直是略微淤積的狀態(tài),年淤積量小于1cm;5～10m等深線之間為淤積狀態(tài),年淤積量在2～15cm之間;10m等深線以深海域淤積速率大于15cm/a。2m等深線以淺海域?yàn)槟嗌硰?qiáng)烈活動(dòng)范圍,侵蝕速率小于1cm/a。養(yǎng)馬島西南海域以淤積為主,年淤積量在0.5～5cm之間,淤積速率最大位于原牟平港航道附近。在辛安河和魚鳥河之間的岸灘呈現(xiàn)略微侵蝕的趨勢(shì),年侵蝕量小于1cm。4.2養(yǎng)馬島海域細(xì)粒泥沙主要來源分析海圖對(duì)比是研究航道、港區(qū)和海灣等近海環(huán)境沖淤變化的常用方法。在保證海圖比例尺、坐標(biāo)系、投影和深度基準(zhǔn)面等要素一致的前提下,計(jì)算出的不同時(shí)期海圖水深差值能精確地反映研究區(qū)的沖淤變化。近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使得海圖對(duì)比計(jì)算的效率和計(jì)算結(jié)果的精度大大提高。本文選用1976年和2004年養(yǎng)馬島附近海圖作對(duì)比(圖9),來驗(yàn)證本次模擬結(jié)果的可靠性。將研究區(qū)劃分為以下3部分:養(yǎng)馬島西北側(cè)海域、魚鳥河以西至辛安河之間海域、養(yǎng)馬島西南海域,具體結(jié)果如下:(1)養(yǎng)馬島西北側(cè)海域近岸5m等深線外移距離大約20m,以略微淤積為主。(2)魚鳥河以西至辛安河之間近岸海域自2001年以來,2m等深線向陸位移,即有侵蝕跡象。該段侵蝕原因主要有兩方面:①與河流供沙下降有關(guān),辛安河上游修建水庫(kù)減少了河流供沙,海岸泥沙來源減少,波浪和沿岸流導(dǎo)致海岸泥沙虧損,岸灘遭侵蝕;②與潮流沖刷作用有關(guān),由于此段距離辛安河和魚鳥河口門較近,是漲落潮流水道,因此,流速較大,經(jīng)過潮流、徑流不斷作用,泥沙極易被水流沖走,導(dǎo)致岸灘易被侵蝕;(3)養(yǎng)馬島西南海域魚鳥河口外2m等深線和5m等深線明顯外移,最大位移可達(dá)200m,說明該區(qū)域明顯淤積。由于受海堤的阻隔和位于養(yǎng)馬島的波影區(qū)內(nèi),沿岸流減弱,波浪能量降低,攜沙能力下降,自西向東的沿岸泥沙流在低能水動(dòng)力環(huán)境下細(xì)粒泥沙就發(fā)生沉降落淤,造成緩慢淤積;另外,西廟江附近近年來圍海池塘增多,導(dǎo)致其納潮量減小,潮流動(dòng)力減弱,也是細(xì)粒泥沙在此沉積的主要原因之一。所以,ECOMSED數(shù)值模擬結(jié)果與海圖對(duì)比結(jié)果的蝕淤趨勢(shì)大體相當(dāng),可以用于研究區(qū)域的蝕淤變化預(yù)測(cè)。4.3養(yǎng)馬島南部海域泥沙落淤模擬結(jié)果表明,在與拆除前各參數(shù)一致的情況下,正常天氣下養(yǎng)馬島海堤拆除后周邊海域海底沖淤預(yù)測(cè)見圖10。對(duì)比圖9,表明養(yǎng)馬島海堤拆除后周邊海域海底蝕淤情況局部變化較大,主要蝕淤改變集中在海堤攔截海域部分及養(yǎng)馬島東南角海域。海堤拆除后養(yǎng)馬島南部海域淤積情況有所減弱,牟平港附近的局部快速淤積情況消失,但由于該部分海域處于島的波影區(qū),淤積的態(tài)勢(shì)將繼續(xù)存在,但年淤積強(qiáng)度非常小,一般為1cm/a左右。主要的沖刷區(qū)域在養(yǎng)馬島東北角至西南角處的強(qiáng)流區(qū)內(nèi),該區(qū)域漲、落潮流較強(qiáng),且床沙組成中以細(xì)沙與黏土為主體,床面泥沙容易起動(dòng)并懸浮擴(kuò)散,最大沖刷深度可超過5cm/a。漲潮時(shí),養(yǎng)馬島東北側(cè)和西南側(cè)被沖刷的泥沙隨漲潮流輸送至養(yǎng)馬島南部海域,流速下降,潮流變?nèi)?造成這部分海域的泥沙落淤,淤積強(qiáng)度約為1cm/a;落潮時(shí),養(yǎng)馬島西南側(cè)口門強(qiáng)流區(qū)被沖刷的泥沙隨落潮流輸送至口門之外的鄰近海域,流速急劇下降,沖刷的泥沙造成鄰近區(qū)域明顯淤積,淤積強(qiáng)度約為2cm/a。5養(yǎng)馬島海域沖淤情況養(yǎng)馬島海堤的拆除對(duì)水動(dòng)力的改變和海底沖淤的影響,得到如下主要結(jié)論:(1)由潮流場(chǎng)的分析可知,海堤拆除前,東西廟江之間水道被堵死,水流不通暢,該海域流速大幅度減小,這樣極不利于海域的物理自凈,辛安河附近的排污在一定程度上受到阻礙,污染物不易交換到四十里灣外海域,而導(dǎo)致污染物加快積聚海底,近岸水質(zhì)越來越惡化。調(diào)查資料表明,海堤修筑后養(yǎng)馬島海域自凈能力和自我調(diào)節(jié)能力降得更低,赤潮發(fā)生率明顯增加。(2)養(yǎng)馬島西南海域目前以淤積為主,年淤積量在0.5～5cm之間;養(yǎng)馬島西北近岸海域一直略微淤積的狀態(tài),年淤積量小于1cm;在辛安河和魚鳥河之間的岸灘呈現(xiàn)略微侵蝕的趨勢(shì),年侵蝕量小于1cm,所以養(yǎng)馬島現(xiàn)狀沖淤模擬結(jié)果與歷史海圖資料得出的長(zhǎng)期演變趨勢(shì)符合。(3)由潮流場(chǎng)模擬預(yù)測(cè)結(jié)果可知海堤拆除后東西廟江之間海域打通,表層及底層流速明顯加大,水體交換能力和海域的物理